清华大学食堂声环境调查报告

清华大学食堂声环境调查报告 建环 0 高恬云 清华大学全校共有十几个食堂，各个食堂的修建时间不同，建筑体形、结构、材料也 各不相同，具有各自不同的特点。近年来学校里一直在进行基础设施建设，返修和新建了 几座食堂，还计划在今后几年拆除几座老食堂，修建新型食堂。新食堂的设计应当是科学、 现代化的，力求使同学们感到方便和舒适，因此对现有新旧食堂的建筑环境进行调查比较， 找出存在的问题，就具有重要的现实意义。 我们针对校内食堂普遍存在的室内环境嘈杂的问题，对几个食堂的声环境进行了科学 测量和比较，并分析了噪声产生的影响因素。 一、食堂声环境评价标准 食堂中的声源主要有就餐者的谈话声，餐具碰撞的声音，炒菜声，设备噪声等，形成 一个相对稳定的持续噪声环境。根据食堂的功能，我们主要关注持续噪声对人在心理和生 理上产生的影响，以及背景噪声对就餐者的语言干扰度。 1、 持续噪声的人体响应 莱曼(Lehmann) 对不同的声级噪声对人体器官的影响进行了综合汇总，并将汇总的结果 分为四个“噪声品级” 。 第一噪声品级：L=30dB(A)65dB(B) ，影响程度仅限于心理的，会造成（1）不舒适 的感觉；（2）受到干扰的感受；（3）有厌烦的感觉；（4）听到噪声就发火；（5）被噪 声激怒；（6）不能集中精力从事脑力劳动；（7）课堂讲课或作报告的信息量降低；（8） 工作能力受损，昏昏欲睡。 第二噪声品级：L=6590dB(B) ，心理影响大于第一品级，另外还有植物神经方面的影 响， （1）唾液分泌减少；（2）胃蠕动的频率及幅度增加；（3）心脏的悸动量减少；（4） 血管收缩，动脉末梢的血液阻力增大；（5）脉冲波增加；（6）呼吸加快（新陈代谢加速） ； （7）脑内液压增高；（8）脑电图频谱中低频增大；（9）大脑皮层功能受到抑制；（10） 大脑下皮层功能受到刺激；（11）瞳孔扩大；（12）内分泌系统反应。 第三噪声品级：L=90120dB(B) ，心理影响和植物神经的影响均大于第二品级，此外 还有造成不可恢复的听觉机构损害的危险。 第四噪声品级：L=120dB(B)，经过相当短时间的声冲击之后，就必须考虑到内耳遭 受的永久性损伤。 在国家民用建筑室内推荐容许噪声级标准中，对于旅馆餐厅的要求背景噪声在 60dB 以下。当噪声达到 80dB 时，对人的消化系统会产生明显的影响。 2、 噪声的语言干扰度 人的正常谈话声为 70dB，当背景噪声增大时，人们就不得不提高声音或缩短谈话距离。 以下图表表示了噪声对语言干扰的情况 关于声音的计量方法详见第二部分 - 2 - 图 1 在有背景噪声时的通讯限( 根据 Webster) 二、实验设计 我们的实验目的是得到食堂中的噪声级，并比较不同食堂的噪声情况。经过试测，我 们了解到食堂声环境具有以下特点：声级受人数影响大；声源密集，情况复杂，声场具有 一定的局部差异在收餐具处，或距离交谈的人很近的地方，声压级明显大于周围；有 较大的随机性，在相同地点，由于附近人员的活动，声级具有较大浮动。 根据以上特点，设计实验如下： （1）逐时记录人数与声级 （2）采用 A 计权 Leq 声级，记录 60 秒平均声压级 （3）避免距离声源太近，一般在房间中央餐桌的间隙中测量，声级计距地面约一人高， 传声器指向上，同时选取几个其他测点作为对比。 在得到食堂中人数和声级变化的规律后，通过测量混响时间比较不同食堂的吸声情况， 考察其与噪声的关系。 下面简要介绍 A 计权 Leq 声级意义和测量原理，以及混响时间的测量方法和意义。 1、A 计权声级 人耳对声音的响应不是在所有频率上都是一样的。下面是人耳对不同频率纯音响应的 等响曲线 - 3 - 图 2 纯音的正常等响线 可以看出，人耳对低频声音的响应不如对中高频段敏感。A 计权声级是参考 40phon 等 响度线，对于不同频段的声压级乘以一个权重因数（权重曲线与 40phon 等响曲线互补偿） ， 以模拟人耳对低频不敏感的特性。除 A 计权声级外，还有参考 70phon 等响曲线的 B 计权 声级，参考 85phon 等响曲线的 C 计权声级等。不同标度关系如下图 图 3 声级计和最新推荐的 E 和 SI 计权的国际标准化的计权曲线 2、 混响时间 当声源达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接收点上的声音并不立即消失，而要 有一个过程。首先直达声消失，反射声将继续下去，每反射一次，声能被吸收一部分；因 此室内声能密度将逐渐减弱，直至完全消失。这一过程称为“混响过程” ；室内声场达到稳 态，声源停止发声后，声音衰减 60dB 经历的时间为混响时间。 混响时间反映了房间反射声音的情况及吸声能力。测量房间的混响时间，可以由塞宾 公式 A=0.161*V/T 得到室内总吸声量。其中 T混响时间，秒； V房间容积，立方米； A室内总吸声量，平方米。 - 4 - 还可以计算混响半径。混响半径即混响声能密度超过直达声能密度时距离声源的距离。 它与混响时间有如下关系，混响时间越短，混响半径越大 r=0.14(QR)1/2，其中 r混响半径，米 Q指向性因数，自由空间取 1； R房间常数，R=S/1-，S 为室内总面积， 为平均吸声系数。 测量混响时间这一指标为研究降低食堂噪声的方法提供了一种依据。 三、测量报告 1、 声级随人数变化情况 我们选择了七、九、十四三座食堂进行测量，时间都在工作日中午的就餐高峰期，采 用 2225 声级计，60s Leq 档。三座食堂体形和内部构造都比较简单，其中十四食堂是面积 较大的圆形穹顶建筑，七食堂是面积较小的穹顶建筑，九食堂是方盒形建筑。 处理数据时，我们做了人数与声级逐时变化图，以便直观的看出变化趋势；还做了人 数声级曲线，其中人数取对数坐标 。 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 0 100 200 300 400 500 600 700 11:0 4 11:0 8 11:1 2 11:1 6 11:2 0 11:2 4 11:2 8 11:3 2 11:3 6 11:4 0 11:4 4 11:4 8 11:5 2 11:5 6 人数 （人 ） 66 68 70 72 74 76 78 声级 （d B） 人 数 声 级 声级坐标实际上相当于声功率的对数坐标，而声功率与声源数量成线性关系。若把每个人看作食堂声场 中的独立相同声源，则将人数取对数坐标后，曲线应成线性。 - 5 - 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 50 55 60 65 70 75 80 1 10 100 1000 人 数 （ 人 ） 声级 （d B） 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 0 100 200 300 400 500 600 700 11: 00 11: 06 11: 12 11: 18 11: 24 11: 30 11: 36 11: 42 11: 48 11: 54 12: 00 12: 06 12: 12 12: 18 12: 24 12: 30 12: 36 人数 （人 ） 64 66 68 70 72 74 76 78 声级 （d B） 人 数 声 级 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 50 55 60 65 70 75 80 1 10 100 1000 人 数 （ 人 ） 声级 （d B） - 6 - 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 0 100 200 300 400 500 600 700 11: 00 11: 06 11: 12 11: 18 11: 24 11: 30 11: 36 11: 42 11: 48 11: 54 12: 00 12: 06 12: 12 12: 18 12: 24 12: 30 12: 36 12: 42 人数 （人 ） 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 声级 （d B） 人 数 声 级 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 50 55 60 65 70 75 80 1 10 100 1000 人 数 （ 人 ） 声级 （d B） 2、 混响时间测量 利用 SpectraRTA 软件，外接音箱做信号源，麦克风接收，由笔记本电脑自动记录声级 衰减曲线。曲线如下： 十四食堂声级衰减曲线 七食堂声级衰减曲线 九食堂声级衰减曲线 - 7 - 四、实验结果分析 将三座食堂测试结果列表如下： 实验地点 十四食堂 七食堂 九食堂 实验时间 5 月 14 日 中午 11：0012：40 5 月 29 日 中午 11：0012：40 6 月 3 日 中午 11：0012：40 特点 圆形穹顶 方形穹顶 方盒形 室内面积 约 700 平方米 约 500 平方米 约 540 平方米 房间体积 约 4000 立方米 约 3000 立方米 约 2200 立方米 体形 描述 座位数 满座 552 人 满座 368 人 满座 496 人 背景噪声 71dB 67.5dB 61dB 人数 550 人 370 人 580 人 人数密度 0.79 人/平方米 0.74 人/平方米 1.1 人/平方米 就餐 高峰 噪声级 76dB 76dB 74.5dB 混响时间 7 秒 6 秒 1.6 秒 吸声量 （A=0.161*V/T） 90 平方米 80 平方米 220 平方米 1、声级人数曲线图分为三个区 10 平方米/人以下为第一区（即十四食堂少于 70 人，七食堂少于 50 人，九食堂少于 54 人）：此区内声级维持在比背景噪声高 3、4 分贝的水平，声功率随人数增多变化不显 著，图上表现为平直的趋势线。这主要因为在人数很少的情况下声源的随机性比较大，在 时间上不连续，而声级计测出的是一段时间的平均值，与人数的关系不大。在这一区，声 场随位置不同也有一定差异（如在炒菜窗口附近，声级高 1、2 分贝） 。 10 平方米/人2 平方米/人为第二区（即十四食堂 70350 人，七食堂 50250 人，九 食堂 54270 人）：此区内声功率随人数增多而变大，图上表现为上行的趋势线。这说明 人数增多到一定程度时，声源的随机性可以忽略，人数越多，发声体越多，因此声功率变 大。声级增大值在九食堂达到 10dB，十四和七食堂在 5dB 左右。 2 平方米/人以上为第三区：此区内声级稳定在一定范围之内，声功率不再随人数变化， 只是由于随机性有一些浮动。从人数声级随时间变化曲线中可以看出，几个食堂在此区 内的人数浮动都达到 200 人左右，而声级变化基本在一分贝以内。 - 8 - 上述第三区，即人数达到 2 平方米/人后，声级稳定在特定数值的情况引起了我们的注 意。我们分析原因可能有两方面： 一是人员本身有吸声作用，当人员密集达到一定程度时，声波传递受人员的阻碍，一 部分声能被吸收。 二是心理方面的原因，当就餐者处在一个十分嘈杂的环境中时，语言被干扰的程度很 大，可能会因此不想说话，而当环境噪声降低时，说话人的比例增加，因此声源不与人数 成正比。我们注意观察了食堂中人们就餐时的情况，发现在就餐高峰期过后，不少人还在 座位上聊天，在人数减少很多时声级仍没有降低。这说明我们的推想是有一定道理的。 2、不同食堂的比较 （1）背景噪声：可以看出，不同食堂的背景噪声差异很大。十四食堂和九食堂相差达 10dB。背景噪声的声源在学校的食堂中无非是通风系统，制冷系统，抽油烟机等，不同食 堂没有太大差异，因此造成背景噪声差异大主要是房间性质的原因。十四食堂是圆形穹顶 房间，并且屋顶为抹灰表面，吸声系数小，因此声波在其中传播时反射聚焦，使自身加强， 声能衰减缓慢，混响时间长达 7 秒，反射声加强了直达声，造成设备噪声高达 71dB。在七 食堂，由于是穹顶建筑，也有同样的问题。而九食堂是矩形房间，有多孔吊顶，一方面平 屋顶没有声聚焦的现象，同时吊顶也能起到一些吸声的作用，因此设备噪声很小。 （2）最大噪声级：虽然不同体形的食堂对设备噪声级的影响如此之大，但最大噪声级 相差却不到 2dB。我们在仔细测量过上述三座食堂后有在就餐高峰期测量了其他食堂的噪 声级。八食堂 76dB，西区饮食广场 7476dB ，十五食堂 75dB，结果显示体形差异很大的 不同食堂最高噪声级都在 7476dB 之间。 我们分析 7476dB 可能与人谈话时的心理承受极限有关。人的正常谈话声为 70dB， 食堂中对面座位的距离约 0.5 米，由图 1 可知，在环境噪声为 75dB 时，对面两人谈话需要 提高声音，环境噪声达到 78dB 时，要用很响的声音才能让对方听见。可能 7476dB 的噪 声环境达到了人们提高声音所能承受的极限，一些人不愿再说话，这样就使最高噪声级维 持在 7476dB 而不再升高。 3、混响时间及背景噪声对主观感觉的影响 在测试之前我们感觉十四食堂的环境明显比其他食堂更嘈杂，但测试的结果是各食堂 最高噪声级差距不大。我们认为这是因为十四食堂的混响时间明显长于其他食堂，室内反 射声大，使人感觉四处都有声音，响成一片，显得特别混乱。另外，十四食堂的持续背景 噪声明显大于其他食堂，背景噪声不含信息量，会给人烦扰的感觉。 五、调查结论与总结 经过上述调查与实验，我们得到了以下结论： 1、清华大学的食堂声环境普遍较差，就餐高峰时都达到了 74dB76dB。 根据已有的研究成果，这样嘈杂的环境会使人心情烦乱，还会产生一系列植物神经反 映。长期在这种噪声环境中会影响人的健康。虽然同学们每天在食堂中停留的时间并不长， 但我们还是应该力求降低食堂中的噪声。 食堂中的噪声级随人数的变化以 10 人/平方米以下，210 人/ 平方米，2 人/平方米以上 分为三区，当达到 2 人/平方米以上便达到稳定。 在此处还想提醒同学们，在食堂用餐时不宜听随身听，因为耳机的响度要比背景噪声 高 10dB 才能听清，在 75dB 的噪声环境中听随身听会损伤听力。 2、在对多座食堂进行了考察后，我们尝试提出一些控制噪声的途径。 （1）控制声源 减少设备噪声及因收餐具等活动引起的人为噪声。在十食堂可以明显感到，门口收餐 具的声音十分刺耳，七食堂的通风系统声音，十四食堂的抽油烟机声音，都很烦扰人。我 们看到西区饮食广场二层不设烹饪区，所有菜都是由垂直通道从上层运下来的，这样既可 - 9 - 以节省空间，又有利于控制噪声。另外，用塑料餐具替代不锈钢餐具，将收餐具处设在出 口隔间中，使用橡胶轮的餐车，都可以减少噪声的产生。 （2）增强吸声 在食堂这种人员密集场所，增强房间的吸声，缩短混响时间，可以起到两方面的作用： 第一、减小反射声能。 第二、对房间中人的影响，这是在类似食堂的场所里比较特殊的现象。 人对在混响半径之内的说话者有心理期望，由于以直达声为主，人能听清说话者所讲 的内容，自己在说话时就会自动地避开对方的说话时间；而对在混响半径以外的说话者， 由于听到的声音以混响声为主，听不清讲话内容，不会注意到要错开时间，而是同时进行 自己的谈话，但音量会被迫提高，一个人的音量提高又会影响到别人，最终形成声音攀比 上升的情况。当混响半径增大时，处于混响半径以外的人数减少了，即对讲话者产生干扰 使之音量提高的声音减少。混响半径增大到整个房间的尺度时，会使房间中人们的谈话声 音整体降低。 对比我们的实验结果可以看到，九食堂的背景噪声明显较低，说明吸声降低了反射声 能，在空场时对降低噪声的作用是比较显著的。然而人员满场时九食堂的噪声与其他食堂 相比降低并不明显，说明它的混响半径还不够大，没有达到上述的第二种作用。在西区饮 食广场的测量能更明显的说明吸声的作用，两块其他情况完全相同，人数相当的区域，上 方天花板做过吸声处理的区域噪声级比没做过的区域低 2dB，前者为 76dB，后者为 74dB，现象十分明显。这直观的说明了吸声对降低反射声能的作用。 由上述分析可以看出，增加房间的吸声量，缩短混响时间，对于控制噪声的作用是很 大的。首先应当避免使用穹顶，可以看到，穹顶的十四食堂和七食堂混响时间都相当长。 使用吊顶可以增强吸声，吊顶吸声的原理类似薄膜吸声轻质板后面有一空气层，板受 声波激发发生共振，可以吸收一部分声能。如果有可能，在天花板、侧墙上布置吸声材料， 增加做过吸声处理的隔墙，将得到更好的吸声效果。 由于精力和时间有限，我们的实验和调查还存在很多不完善的地方，主要有： 1、因为统计一次食堂的人数要两个人同时在门口数上一个多小时，所以我们对于人数 声级的测量在每个食堂只完整的进行了一次。但知道了食堂就餐高峰在 11：40 左右后， 我们又在高峰期对声级进行了多次测量，结果变化不大，这样可以说明最高噪声级的结果 是基本准确的。 2、测量混响时间时由于音箱功率有限，电脑声卡功能不够，结果不很理想，声能衰减 曲线特征不太明显，衰减值也不大。因此我们只能大概估计食