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1、引言
最新版的IEC家電噪聲測試標準IEC 60704.1（第四版），ISO 3745以及GB 6882-2016，對噪聲測試環(huán)境背景噪聲的要求有很大的變化。將關(guān)系到眾多測試機構(gòu)此前測試報告的有效性和消聲室以及測試儀器設(shè)備標準符合性的重新判斷?；谶@一背景，本文針對背景噪聲的含義、來源以及測試、標準的比較諸方面進行了分析。
1.1 背景噪聲的產(chǎn)生與定義
我們非常關(guān)注噪聲測試結(jié)果的準確性，即測量值與實際值的偏差。偏差來源于很多方面，家電噪聲由于其數(shù)值較小，因此其中最主要的偏差來源于背景噪聲。在國際與國內(nèi)標準中，將除了被測聲源之外所有其他聲源貢獻的噪聲，稱為背景噪聲。背景噪聲主要包含兩部分，一部分是環(huán)境中其他聲源產(chǎn)生的噪聲，比如消聲室的環(huán)境本底噪聲，如圖1為某消聲室的環(huán)境本底噪聲測量結(jié)果，其中橫坐標為各個頻段的中心頻率，縱坐標為各頻段的本底噪聲大小；另一部分是測量儀器帶來的電噪聲，這是人們往往忽略的一部分。比如對于傳感器來說，其本身的電噪聲基本上決定了量程的下限，表1展示了BK公司不同傳感器與前置放大器的組合的量程。
從背景噪聲的組成可知，在實際操作中其不可能被完全消除。因此在測試中，除了要測量被測聲源，還要測量背景噪聲，并判斷背景噪聲對測試到底會產(chǎn)生多大影響，來確定被測聲源的結(jié)果是否有效，是否需要修正。
1.2 背景噪聲對測試的影響
由于背景噪聲對不同種類的測試影響不一樣，因此對其要求也不一樣。比如在進行某一特定頻段的噪聲測試時，對于該頻段上的背景噪聲有可能會對測試結(jié)果造成明顯影響。而對不在該頻段的背景噪聲，則完全不會影響測試。對于這類測試，只需關(guān)注被測頻段之內(nèi)的噪聲，不需要對被測頻段以外的背景噪聲做任何要求。然而在有些實驗中，不論背景噪音是否處在被測聲音的頻段中，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。例如在聲音的主觀評價中，由于人耳在聽音中，即使背景噪聲頻段和被測聲源不同，依然可以被人耳分辨出來。所以對背景噪聲的要求不能一概而論，要根據(jù)測試方法和測試目的來討論。
1.3 測試標準
在家電的噪聲測試中，國際標準IEC 60704.1（第三版，第四版將要發(fā)布）、ISO 3745《聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 消聲室和半消聲精密法》（與國標GB6882等效），其對象為包括家用電器在內(nèi)的機器或者設(shè)備，因此是使用比較廣泛且具有代表性的一個標準，很多具有針對性的標準也是參考此標準制定的。本文就針對此標準，探究其對背景噪聲的要求。
2、聲音的疊加原理
判斷背景噪聲的影響和修正需要使用聲音的疊加原理。在研究噪聲時，由于噪聲是一種隨機信號，瞬時信號在研究噪聲時沒有很大意義。一般使用時間平均聲壓或者聲壓級來描述噪聲的大小。當一個噪聲與另一個噪聲疊加時，應(yīng)當使用能量疊加的方法。即若聲源1發(fā)出的噪聲的平均聲壓為p1，聲源2發(fā)出的噪聲的平均聲壓為p2，則二者合成的噪聲的平均聲壓p為：
在聲音的測試中，測到的聲音即為被測聲源發(fā)出的聲音與同頻率范圍內(nèi)背景噪聲的疊加?？梢酝ㄟ^計算，得到被測聲源的噪聲與疊加了背景噪聲之后的總噪聲之間的差值，或者可以稱為修正值，設(shè)偏差值為lp',測量值為lp，則被測聲源的真實噪聲為lp-lp'。另外如果將被測噪聲聲壓級的測量與背景噪聲聲壓級的差值記為Δlp,可以通過計算得到lp'與的Δlp關(guān)系，其公式如下：
根據(jù)式（2）制作曲線如圖2所示。修正值越少，可以說背景噪聲對測試造成的偏差越小，結(jié)果越準確?？梢酝ㄟ^該曲線判斷背景噪聲對測量結(jié)果的影響程度。
3、標準解讀
3.1 第一版標準
第一版的ISO 3745發(fā)布于1977年，隨后在1986年我國在該標準的基礎(chǔ)上發(fā)布了第一版的GB 6882。在ISO3745:1977[2]和GB 6882-86[5]中，標準規(guī)定了在被測聲源工作前后測量結(jié)果差值至少要大于等于6dB，另外如果差值在6dB與15dB之間，則需要按照給出的表格上的值對測量結(jié)果進行修正。將表格與圖2對比，可以發(fā)現(xiàn)表格中的修正值與圖中給出修正值完全一致，可見該表格是取圖中的整數(shù)值，簡化為一個表格。國標與國際標準在背景噪聲這一部分完全一樣。這是第一次引入相對值判據(jù)。需要注意的是，相對值判據(jù)的關(guān)鍵在于找到差值，而不是背景噪聲的絕對值，因為相同大小的背景噪聲對不同大小的被測聲源，影響是不一樣的。
3.2 第二版標準
第二版的IOS 3745發(fā)布于2003年，我國也在2008年修訂了GB 6882。IOS 3745:2003[3]和GB/T 6882-2008[6]，將上一版相對值判據(jù)進一步細化，引入修正值的計算公式，該公式與上文中通過理論推導(dǎo)出的式完全一致，該標準對三種不同的測量情況提出了不同的處理方法。
一般來說，所有測點的所有被測頻帶上被測聲源的測量值與背景噪聲的差值應(yīng)≥10dB，如果大部分被測頻帶都不滿足該標準，則該測量值不能作為測試結(jié)果。如果頻帶上被測聲源的測量值與背景聲源的測量值在10～20dB之間，則需要根據(jù)給出公式對每個頻帶進行修正。
如果測量目的是被測聲源的聲壓級，那么在某一測點上，即使少數(shù)幾個被測頻段的測量值與背景噪聲的差值小于10dB，該結(jié)果在修正后依然可以作為正式測試結(jié)果使用。修正方法是差值大于等于10dB的頻段按照給出公式進行修正，小于10dB的頻段則取修正值為0.5dB。最后在測試報告中需要對該結(jié)果進行說明，標明該結(jié)果只體現(xiàn)了被測聲源的聲壓級上限值。
如果測量目的是A計權(quán)的聲功率級，而且此時有一些被測頻段上測量值與背景噪聲的差值小于10dB。那么需要分別進行兩種計算得到聲功率級，第一種是計算所有被測頻段上的聲功率級，第二種是將所有差值小于10dB的頻段去掉，再計算剩余頻段上的聲功率級。最后將兩種計算得到的結(jié)果進行比較，如果差值在0.5dB以內(nèi)，則將第一種計算的結(jié)果作為測量結(jié)果，并且認為其完全符合標準要求。如果差值大于等于0.5dB，可以將第一種計算結(jié)果作為測量結(jié)果，但是標準上要注明該結(jié)果只體現(xiàn)了被測聲源聲功率級的上限值。
在第二版標準中，對于處于判據(jù)邊界上的情況增加了比較詳細的規(guī)定，但同時將測量值與背景噪聲的差值判斷值從6dB提高到了10dB。
3.3 第三版標準
第三版的ISO 3745和GB/T 6882分別發(fā)布于2012年和2016年。在ISO 3745:2012[4]和GB/T 6882-2016[7]中，不只是對背景噪聲的相對值判據(jù)進行了調(diào)整，還首次引入了絕對值判據(jù)。
3.3.1 相對值判據(jù)
第三版的標準對相對值判據(jù)進行了如下調(diào)整：
（1）更改了判斷值，在中心頻率在250Hz到5000Hz的三分之一倍頻程頻段內(nèi)，判斷值為10dB，在其他頻段判斷值為6dB。
（2）更改了在邊界上的處理方法，在測量頻段聲壓級時，同樣是在有頻段滿足上述判據(jù)，有頻段不滿足時，將低于以A計權(quán)聲壓級最高的頻段15 dB以上的所有頻段從被測頻段中剔除出去。
（3）在測量A計權(quán)聲功率級時，除應(yīng)用新的判斷值之外，其他處理方法沒有變化。
（4）需要注意的是，除了第一種一般的判斷，其他的判斷都需要在將背景噪聲修正之后進行。而第三版標準的背景噪聲修正方法主要是針對判斷值的改變做了修改。另外對于測得噪聲與背景噪聲差值，不需要做修正的最小差值修改為15dB。
第三版國標在相對值判據(jù)部分與國際標準完全相同?？梢钥吹皆谙鄬χ蹬袚?jù)方面，新版標準主要是在判斷值上進行了修改。針對不同的三分之一倍頻程頻段，設(shè)定了不同判斷值。對不同頻率段進行了進一步的細化。
3.3.2 絕對值判據(jù)
在第三版標準中，除了前兩版中一直沿用的相對值判據(jù)外，最大的變化就是新加入了絕對值判據(jù)。首先需要注意的是，與相對值判據(jù)不同，標準規(guī)定了絕對值判據(jù)只可以在測試聲功率級的時候使用。
在該判據(jù)中，首先標準給出了一個表格，該表格表示了在不同三分之一倍頻程頻率段內(nèi)無記權(quán)聲壓級的判斷值，根據(jù)該表格做成如圖3。圖4為在A記權(quán)下這一系列判斷值的大小。然后針對兩種情況以這一系列判斷值做判斷：
（1）在被測頻段內(nèi)，即使大部分頻段內(nèi)的背景噪聲無法滿足相對值判據(jù)10dB和6dB的要求，如果背景噪聲小于表格中給出的一系列判斷值，依然可以認為背景噪聲符合標準要求，并且可以將被測聲源的被測值作為報告中的結(jié)果。但是在報告中需要特別標注該結(jié)果只體現(xiàn)了該聲源聲壓級或者聲能量級的上限。
（2）如果即使在標準所規(guī)定的最近距離來測試聲源的聲壓級，在一部分頻段上，測到的聲壓級沒有超過表格中的對應(yīng)判斷值，則可以以這一部分頻段作為基礎(chǔ)，以其鄰接的一系列頻段作為被測頻段，要求該系列頻段中，頻率最高和最低的頻段在之前測試中得到的聲壓級大于表格中的對應(yīng)判斷值?？梢詫⒃摫粶y頻段的聲功率級或者聲能量級作為測試結(jié)果寫入報告，但是需要說明情況并且標明被測范圍。
對于絕對值判據(jù)，國標與國際標準要求完全一致?？梢钥吹浇^對值判據(jù)主要是說明在測量聲功率時，背景噪聲甚至被測聲源的聲壓級小于等于聲壓級時，可以將這種情況看作符合標準要求。
絕對值的提出主要有兩個現(xiàn)實意義:
首先，對于被測聲源，如果在最近的距離測量到的聲壓級還是沒有達到絕對值，那么滿足相對值判據(jù)的難度較大。圖3為根據(jù)絕對值判據(jù)的判斷值制作的圖表。圖4為A記權(quán)下判斷值的大小。從圖4可以看到從50Hz頻率段一直到12500Hz頻率段，絕對值判據(jù)規(guī)定的A記權(quán)聲壓級都在15dB以下，如果被測聲源對應(yīng)頻段的聲壓級在此范圍內(nèi)，那么滿足相對值判據(jù)的背景噪聲則非常低，在現(xiàn)實中比較難以達到。
其次，如果背景噪聲小于或者等于標準中給出的判斷值，那么即使不滿足相對值判據(jù)，測到的被測聲源的聲壓級上限依然是比較小的值，對于使用者不會造成明顯的困擾。如果以不同范圍將倍頻程譜進行疊加，可以得到圖5、圖6。在兩圖中，疊加的初始頻段都為中心頻率為50Hz的頻段，兩圖的縱坐標為疊加的結(jié)束頻段。從兩圖中可以看到不同頻段的判斷值疊加的總值，其中圖5為線性記權(quán)，圖6為A記權(quán)。從圖6中可以看到即使將一直疊加到中心頻率為12500Hz的頻段，A記權(quán)總聲壓級依然在22.5分貝左右。如果被測聲源滿足不了相對值判據(jù)，那么被測聲源的聲壓級上限則在30分貝左右，不會對人造成較大困擾。噪聲功率測試的初衷是檢測被測聲源發(fā)出的噪聲對人造成困擾的程度。隨著人們生活品質(zhì)的提高，對噪聲的要求也越來越高，但是要求的提高不是無止境的。對于產(chǎn)品的要求也是一樣，盡管每個人對于噪聲的主觀感受不同，但客觀上，如果產(chǎn)品發(fā)出的噪聲對人耳不會造成明顯困擾，那么應(yīng)當說該產(chǎn)品符合使用標準。
4、兩種判據(jù)的選擇方式
國際標準與國標中都有一條注釋，說明絕對值判據(jù)已經(jīng)超過了聽閥值，即絕對值判據(jù)中給出的聲音大小是可以被人耳聽到的，因此該判據(jù)不適用于所有情況。這就引出一個問題，到底何時使用相對值判據(jù)，何時使用絕對值判據(jù)。關(guān)于這個問題，可以通過如下幾點判斷：
（1）只有在測量聲功率級或者聲能量級時，才可以使用絕對值判據(jù)，其他測量情況下只能使用相對值判據(jù)。這是標準中明確提出的。
（2）相比國際標準，國標另外增加了一條注釋，為我們提供了另外一個使用條件，即：相對值判據(jù)為優(yōu)先判據(jù)，在背景噪聲不滿足相對值判據(jù)時才可以使用絕對值判據(jù)[6]。對于這個注釋，雖然國際標準中沒有明確提及，但是事實上隱含了相同的意思。如前文所述，國際中說明了當背景噪聲小于等于絕對值判據(jù)中，可以忽略6dB和10dB的要求，其含義就是在這種情況下可以忽略相對值判據(jù)而使用絕對值判據(jù)。在第二點中，要求被測聲源的最近距離上的聲壓級小于等于絕對值判據(jù)，該條件實際上是包含于前一條件的，因為如果被測聲源的聲壓級小于等于絕對值判據(jù)，背景噪聲小于等于被測聲源聲壓級，那么背景噪聲一定小于等于絕對值判據(jù)，即符合前一條件。因此國際標準和國標在這一條件下是一致的。
（3）要根據(jù)測試目的和測試頻段來選擇。首先確定測試頻段，則關(guān)注點就可以放在測試頻段內(nèi)，可以忽略其他頻段。其次根據(jù)測試目的來選擇。如果噪聲測試的目標是比較準確的測量出被測聲源或者被測樣機的聲功率，有可能研發(fā)人員要使用該數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行比較，確定設(shè)計改進的效果，那么這時絕對值判據(jù)是不可以使用的，因為絕對值判據(jù)只能給出聲功率級的上限，誤差比較大。反之，如果測試的目標是測量被測樣機或者聲源發(fā)出的聲功率是否超過某一規(guī)定值，那么這種情況下是可以使用的。但是前提是規(guī)定值最好明顯大于判斷值。因為如果規(guī)定值接近判斷值，則無法確定準確的結(jié)果。
5、總結(jié)
對最新的第三版測試標準（ISO 3745:2012和GB/T 6882-2016）給出兩種不同的背景噪聲評判依據(jù)，理解如下：
（1）任何機器都會發(fā)出一定的噪聲，當噪聲低于一定的程度時，對人體的騷擾及環(huán)境污染的影響可以忽略。從此點出發(fā)，此時聲壓級測試變得無意義。這是絕對判據(jù)制定的主要依據(jù)。
（2）當機器噪聲尤其是家電噪聲低于某一聲壓級時，對接收者主觀感覺影響最大的已經(jīng)不是聲壓級，而是其他噪聲參數(shù)，即所謂的主觀音質(zhì)參數(shù)，如噪度、尖銳度等。此時一味追求最低聲壓級的測試，已經(jīng)意義不大。
（3）當然，機器或者部件發(fā)出的噪聲與其內(nèi)在的質(zhì)量有很大的關(guān)系。此時，聲壓級的測試變得很有意義。此種情形下，噪聲測試需要用相對判定法來判定測試環(huán)境的合格性。以保證低聲級時測試數(shù)據(jù)的可靠性。
（4）相對值判據(jù)在經(jīng)過三個版本標準的不斷修改細化后，對于被測聲源和背景噪聲都比較小的情況還是無法覆蓋。因此在第三版標準中引入了絕對值判據(jù)，實際上還是對相對值判據(jù)覆蓋不到的地方進行了補充，使得標準適用面更廣。
對于相對值判據(jù)和絕對值判據(jù)，測試人員在使用前要首先確定測試條件以及明確本次測試的目的，然后才能確定應(yīng)當使用哪種判據(jù)，并且要注意在操作中遵守標準的相應(yīng)要求。
本文作者
珠海格力電器股份有限公司 陳容健
上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 楊振宇
參考文獻
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[7] 全國聲學(xué)標準化技術(shù)委員會. 聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 消聲室和半消聲室精密法：GB/T 6882—2016[S]. 北京：中國標準出版社, 2016.
來源：《家電科技》2020年第五期
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