第一章噪声的声学特性

第一节声音的产生 1 声源声音是由物体的振动产生的发出声音的物体称为 声源 声源发出的声音必须通过中间媒质才能传播出去 2声音的传播根据传播的媒质的不同 可以将声分成空气声 水声和固体声等类型 在空气中 声波是一种纵波 这时的媒质质点振动方向是与声波的传播方向相一致 反之 将质点振动方向与声波传播方向相垂直的波称为横波 纵波和横波都是通过质点间的动量传递 来传播能量的 而不是有物质的迁移来传播能量的 物体振动的幅度随时间的变化如正弦曲线 则这种振动称为简谐振动 物体离开静止位置的距离称为位移 最大位移称为振幅a 振幅a的大小取决于声音的强弱 描述声波的基本物理量声压p P P0 帕斯卡 Pa 波长 c f米 m 周期T秒 s 频率f 1 T赫兹 Hz 声速c米每秒 m s 空气中c 331 45 0 61t340m st为空气温度 331 45为0度时的声速 第二节噪声的声学特性 为了对噪声进行控制和治理 必须对噪声的声学特征 噪声频谱进行分析 本节主要内容 声压 声强 声功率 声压级 声强级 声功率级 分贝 响度 响度级 计权声级 噪声污染级 交通污染指数 昼夜等效声级等基本概念 噪声叠加的计算 分贝的相减等 1 噪声的物理量度 1 1声压和声压级声压 用声扰动在空气中所产生的逾量压强p来表述声波的状态 p P P0 这个逾量压强p称为该点的瞬时声压 单位是帕斯卡 PA 区分有效声压 听阈 Yu 为 2 10 5Pa痛阈为 20Pa表示不方便引出声压级 声压级 声压的平方与一个基准声压平方比值的对数再乘10 单位分贝 计作dB 其中p0 2 10 5pa 1 2声强和声强级声强 单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量叫声强 一般用I表示 单位为W m2 声强级 声强级常用LI表示 定义为 声压级和声强级之间的关系 1 3声功率和声功率级声功率 声源在单位时间内辐射的声能量叫声功率 声功率用W表示 单位为瓦 声功率级 声强与声功率之间的关系 1 4噪声的频谱与频带 频谱 线状谱线状谱由频率离散的一些单音组成 一般波形呈周期性的声音的频谱为线状谱 一些乐器所发出声音的频谱也为线状谱 连续谱连续谱是由频率在一定范围内的连续的分音组成 在这样的频谱中 声能连续地分布在频率很广的一个范围内 组成一条连续的曲线 环境噪声的频谱一般多为连续谱 复合谱 由线状谱和连续谱叠加而成 倍频程 频带 中心频率 2 噪声的主观评价 对噪声进行评价是一个比较复杂的问题 主要是由于各种不同的噪声有各自的物理性质 并且不同环境下 人们进行噪声控制的目的不同 要根据不同情况 拟定不同的噪声评价量 以制定不同的噪声控制标准 现在国际上已经提出的各种噪声评价量已有上百种 大部分的评价量是在某些基本评价量的基础上作些变化或修正 2 1响度 响度级和等响曲线响度 响度的单位是 宋 sone 定义1000Hz纯音声压级为40dB时的响度为1sone 响度级 把1000Hz纯音时声强的dB数称为这条等响曲线的以 方 为单位的响度级 响度级LN和响度N之间的关系N 2 LN 40 10LN 40 10log2N 40 33 22lgN 2 2计权声级从等响曲线看出 人耳对低频声不敏感 对高频声敏感 为模拟人耳的听觉特性 在测量仪器中安装一套滤波器 亦称计权网络 对不同频率的声音进行一定的衰减或放大 一般设A B C D四种计权网络 D计权网络主要用于航空噪声的评价 A计权网络称为A声级 单位dB A 或分贝 A B计权网络称为B声级 单位dB B 或分贝 B C计权网络称为C声级 单位dB C 或分贝 C D计权网络称为D声级 单位dB D 或分贝 D 2 3等效连续A声级 Leq 定义 在某段时间内随时间起伏变化的各个A声级的平均能量 并用一个在相同时间内声能与之相等的连续稳定的A声级来表示该段时间内噪声的大小 这一连续稳定的A声级为该不稳定噪声的等效连续声级 记为Leq 例1 某人一天工作8h 其中4h在90dB A 的噪声下工作 3h在85dB A 的噪声下工作 1h在80dB A 的噪声下工作 计算等效连续A声级 解 82 4dB 2 4日夜等效声级Ldn日夜等效声级用来评价区域环境噪声 表示一日夜 24h 噪声的等效作用 日间一般指6h到22h 夜间指22h至次日6h 若日间等效声级为Ld 夜间等效声级为Ln 则定义日夜等效声级Ldn为 统计声级一般用Lx表示 指x 的测量时间所超过的声级 如L90 70dB 表示整个测量时间内有90 的测量时间噪声都超过70dB 通常把它看作背景噪声 L50 74dB 表示整个测量时间内有50 的测量时间噪声都超过74dB 通常把它看作中间值噪声 平均噪声 L10 80dB 表示整个测量时间内有10 的测量时间噪声都超过80dB 通常把它看作峰值噪声 求统计噪声的方法将测得的声压级从大到小排列 若100个数据 第10个为L10 第50个为L50 第90个为L90 若200个数据 第20个为L10 第100个为L50 第180个为L90 Leq和L50之间的关系 Leq L50 d2 60 其中d L10 L90 2 4噪声污染级噪声污染级用来评价噪声对人体的影响 它用等效声级和标准差表示 综合了能量平均值和变动特性两者的影响 标准偏差越大 表示噪声离散程度越大 即噪声起伏越大 噪声污染级用LNP表示 表达式为LNP Leq k Leq 指定的测量时间内A计权声级的等能量声级值 声级的标准偏差k 常数 为2 56 2 5交通噪声指数 交通污染指数TNI 4 L10 L90 L90 30 dB 噪声评价指数PNI Li 75 环境噪声影响等级 2 6昼夜等效声级 昼夜等效声级是考虑到噪声夜间对人的影响比白天严重 而对夜间噪声进行增加10dB加权处理后的等效连续A声级 昼夜等效声级自使用以来 获得很大成功 人们发现 受噪声烦扰的居民百分数与昼夜等效声级有很好的相关性 第三节声波的传播特性 1 声场 声波在其中传播的那部分媒质范围 是指有声波存在的弹性媒质所占的空间 媒质可以是气体 液体 固体 环境声学涉及的媒质主要是大气 传播声波的空间称为声场 1 1自由声场 声波在介质传播时 在各个方向上都没有反射 介质中任何一点接受的声音都只是来自声源的直达声 这种可以忽略边界影响 由各个同性均匀介质形成的声场称为自由声场 自由声场是一种理想化的声场 严格的说 在自然界中不存在这种声场 但人们可以近似将空旷的野外看成是自由声场 1 2扩散声场 扩散声场与自由声场完全相反 在扩散声场中 声波接近全反射状态 在室内 人们听到的声音除来自声源的直达声外 还有来自室内各表面得反射声 如果室内各表面非常光滑 声波传到壁面上会完全反射回来 如果室内各处的声压几乎相等 声能密度也处处均匀相等 那么这样的声场就叫做扩散声场 混响声场 1 3半自动声场 在实际工程中 遇到最多的情况既不是完全的自动声场 也不是完全的混响声场 而是介于二者之间 这就是半自动声场 2 声波的反射干涉 折射 绕射 2 1声波的反射噪声声波在传播过程中经常会遇到障碍物 这时声波将从一个媒质 空气 入射到另一媒质中去 由于这两种媒质的声学性质不同 一部分声波从障碍物表面上反射回去 另一部分声波则透射到障碍物里面去 反射声强Ir与入射声强Io之比称为声强反射系数r1 r1 Ir Io透射声强It与入射声强Io之比叫透射系数 若有两种媒介互相接触 媒介的密度与其声速的乘积即特性阻抗 分别为p1c1与p2c2 由此可知 反射系数取决于介质的特性阻抗p1c1与p2c2 当两种媒质特性阻抗接近时 即p1c1 p2c2 则r1 0 声波没有反射而全部透射至第二种媒介 当两种媒介的特性阻抗相差很大 p1c1 p2c2 r1 1时 声波的能量将从分界面全部反射回原媒质中去 p1c1 p2c2 r1 1时 声波几乎全部反射 但反射波与入射波相位相反 根据以上原理 利用介质不同的特性阻抗 可以达到降噪目的 2 2声波的干涉 两列或数列声波同时在一媒质中传播并在某处相遇 再相遇区内任一点的振动将是两个或数个波所引起振动的合成 在一般情况下 振幅 频率和相位都不同的波在某点叠加时比较复杂 但如果两个波的频率相同 振动方向相同 位相相同或位 相差固定 那么这两列波叠加时在空间某些点上振动加强 而在另一些点上振动减弱或互相抵消 这种现象称为波的干涉现象 能产生干涉现象的声波的声源称为相干声源 声波的这种干涉现象在噪声控制技术中被用来抑制噪声 2 3声波的折射 声波在传播途中遇到不同的分界面时 除了发生反射外 还会发生折射 声波折射时传播方向将会发生改变 声波从声速大的介质折射入声速小的介质时声波传播方向折向分界面的法线 反之 声波从声速小的介质折射入声速的的介质时 声波传播方向折离法线 由此可见 声波的折射是由声速决定的 2 4声波的绕射 当声波遇到障碍物时除了发生反射和折射外 还会发生绕射现象 绕射现象与声波的频率波长及障碍物的大小都有关系 如果声波的频率比较低波长较长 而障碍物的大小比波长小得多 这时声波能绕过障碍物 并在障碍物后面继续传播 这种情况为低频绕射 如果声波的频率比较高 波长较短 而障碍物又比波长大得多 这时绕射现象不明显 在障碍物的后面声波到达的就较少 形成一个明显的 影区 这种现象称为高频绕射 绕射现象在噪声控制中很有用处的 隔声屏障可以用来隔离大量的高频噪声 它常被用来减弱高频噪声的影响 3 噪声在传播中的衰减 人们都可以感觉到 离噪声源近时 噪声大 离噪声源远时 噪声小 这是因为噪声在传播过程中会衰减 造成这种衰减的原因有两个 一是扩散引起的衰减 二是空气吸收引起的衰减 3 1扩散引起的衰减 对于点声源声波在传播过程中波阵面要扩展 波阵面面积随离声源的距离增加面不断扩大 这样通过单位面积的能量就相应减小 由于波阵面扩展而引起的声源随距离减弱的现象称为传播衰减 对于平面波 其声强I W S 由于平面波的波阵面S为常数 所以声强I也是常数 即声波传播几乎无衰减 点声源的距离衰减 对于自由空间 球面波 声强 I W 4 r2 声功率级 LW LP 20lgr 11对于半自由空间 球面波 声强 I W 2 r2 声功率级 LW LP 20lgr 8距离r1与r2之间的声级差为 LW LP r1 20lgr1 11 8 LP r2 20lgr2 11 8 即 LP LP r1 LP r2 20lgr2 r1当r2 r1 2 衰减6dB 即距离增加1倍 声压级衰减6dB 线声源的距离衰减 面积S 2 rl 声强 I W 2 rl 声功率级 LW LP 10lg 2 rl 1 当r l1时 距离加倍 声压级衰减6dB LP LP r1 LP r2 20lgr2 r1 实例实例1 距锅炉房2米处测得声压级为80dB 且锅炉房距离居民楼16米 距冷却塔5米处测得声压级为80dB 且冷却塔距离居民楼20米 求两设备噪声对居民楼造成共同影响 解 LP LP r1 LP r2 20lgr2 r1锅炉房对居民楼的影响 L1 80 20lg16 2 80 3 6 62dB 冷却塔对居民楼的影响 L2 80 20lg20 5 80 2 6 68dB 共同影响 L 68 1 69dB 实例2 有一列500米火车正在运行 1 距铁路中心线20米处测得声压级为90dB 距铁路中心线40米处有一居民楼 试求该列火车噪声对居民楼的影响 2 若距铁路中心线500米处测得声压级为75dB 距铁路中心线1000米处有疗养院 试求该列火车噪声对疗养院的影响 解 1 r l 20 40 500 1 10 则按无限长线声源计算 火车对居民楼的影响 L1 LP 20 20lg40 20 90 6 84dB 2 r l 500 1000 500 1 则火车对疗养院的影响 L2 75 10lg1000 500 75 3 72dB 3 2空气吸收的衰减 声波在空气中传播时 因空气的粘滞性和热传导 在压缩和膨胀过程中 使一