环境课件噪声污染与控制

2004年深圳研究生院环境工程概论 籍国东 北京大学环境工程系 2004年03月21日 噪声污染与控制 内容设置 l1 概述 l2 噪声对人的影响 l3 等级评估系统 l4 社区噪声源及其标准 l5 室外声音的传播 l6 噪声控制 1. 1. 概述概述 l噪声通常定义为“不需要的声音不需要的声音”(unwanted sound)，是一种环境现象。人一生都暴露在 有噪声的环境中。噪声也可看成是一种环 境污染物，一种由人类各种活动产生的废 物。它会对个人造成生理或心理上的不良 影响，或可能干扰个人或团体的社会活动 ，包括语言交流、工作、休息、娱乐、睡 眠等活动。 噪声污染与控制 l通过人们的生活方式而产生的废物，一般可 分为两种类型：第一种第一种最为大众熟知，即空气 、水以及固体废物污染所造成的大量残留物， 这些残留物长期滞留于环境中；而第二种类型第二种类型 以残留的能量形式存在，如来自制造过程的废 热将造成河流的热污染，而以声波形式存在的 能量是另一种残留形式的能量，但幸运的是它 们在环境中的存在时间并不长，且这些以声波 形式分散的总能量与其他形式的能量比较起来 并不大。耳朵对噪声极其敏感，少量的声能进 入耳朵后，会对人和其他生物造成不良影响。 l足够强度与持久性的噪声能导致暂时的或永久性的 听力损失，从轻微的听力减弱到几乎完全耳聋。一 般而言，当暴露于强度足够高的声源时会造成暂时 性的听力损失。若暴露持续一段时间，则会导致永 久性的听力减弱。噪声对人们造成的短暂的、但通噪声对人们造成的短暂的、但通 常较严重的影响包括：常较严重的影响包括：干扰语言交流和对其他听觉 信号的认知，妨碍睡眠和休闲，降低人们进行复杂 工作的能力，导致生活质量降低。 l噪声直到近些年才被广泛认为是一种的严重的环境 污染物，且具有潜在的危险，原因有以下几点： （1 1）将噪声定义为“不需要的声音”是很主观的，被 某人认为是噪声的声音，却可能被另外一人喜爱。 （2 2）噪声衰退的时间短）噪声衰退的时间短，不像空气污染物和水污染 物那样长期存在于环境中，因此当人们设法去降低 、控制或抱怨环境噪声时，该噪声可能已不再存在 。 （3 3）噪声对人们生理和心理的影响经常是错综复杂）噪声对人们生理和心理的影响经常是错综复杂 的、隐伏的，的、隐伏的，其影响结果的出现是渐进的，以致于 很难将原因与结果联系在一起。实际上，一些听觉 可能已经受到噪声影响的人，却不认为有什么问题 。 （4 4）普通公民均以国家科技的进步为荣，他们都很 高兴看到快速运输工具、节省人力的设施和新的娱 乐设施的出现。不幸的是，科技进步却往往伴随着科技进步却往往伴随着 环境噪声的增加，而大部分人往往容易接受额外增环境噪声的增加，而大部分人往往容易接受额外增 加的噪声，将其作为技术进步代价的一部分。加的噪声，将其作为技术进步代价的一部分。 1.1 1.1 声波的性质声波的性质 l固体的振动产生声波，或当流体越过、环绕或穿过固 体孔洞时流体分离产生声波。空气压缩使空气局部密 度和压力增加；相反，膨胀则使密度和压力减小。这这 些交替的压力变化即是人耳所听到的声音。些交替的压力变化即是人耳所听到的声音。 l空气交替压缩与膨胀产生的正弦波: l连续两个波峰或波谷间的时间间隔称为周期（周期（P P）。周 期的倒数为频率（频率（f f）：1秒的振动中波峰到达的次数。 P P与与f f之间的关系为：之间的关系为：P = 1/fP = 1/f。 l相邻两个波峰或波谷之间的距离称为波长（波长（ ），波长 与频率之间的关系为： =c/f=c/f。 l波的振幅振幅(amplitude，A)是 指通过零压力线测得的波峰 或波谷的高度。在一个振动 周期内，平均压力为零，与 振幅无关。当然这不能反映 事物的真实状态。因此，人 们采用均方根声压均方根声压 (root mean square sound pressure ，p prms rms) 来克服这个困难。 l l p p rmsrms的计算步骤为：先计算平均时间区段内每一瞬间 振幅值的二次方，然后将此二次方值加起来，再除以 平均时间，最后开二次方求得： 公式中符号上方横线表示对时间加权平均，而T是测 量的时间周期。 1.21.2声功率和声强声功率和声强 l l 功：物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积功：物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积。 因此声波沿着声波传播的方向传送能量。其作功的速 率定义为声功率(sound power，W)。 l l 声强声强(sound (sound intensityintensity，I) I)：垂直于声波传播方向单位 面积上声功率的时间加权平均值。I与W的关系为： l l I=W/AI=W/A l l A A是指垂直于声波运动方向的面积。声强、声 压与声功率之间的关系： 式中：I-声强，W/m2；-介质的密度，kg/m3； c-声音在介质中的速度，m/s。 l空气密度与声音速度均为温度的函数，当温度 与压力确定后，空气密度则可查得。在压力为 101.325kPa的空气中，声音速度可由下列公式计 算： 式中：T-热力学温度，K。 1.3 1.3 声级和分贝声级和分贝 l一个正常的健康人所能听到的最弱声压约为0.00002Pa。 土星火箭(Saturn rocket)离地升空时产生的声压大于200Pa 。即使在科学纪录史上，这也是一个“天文数字”。为处理 这个问题，使用一种基于测量数字间比例的对数值的尺 度来表示噪声，并将所测量的数值称为级(1evels)，其单 位则根据Alexander Graham Bell的名字命名为贝尔(bel) ，单位符号为B，用公式表示如下： !式中：L-声级，B；Q-测量数值；Q0-基准数值。 l由于贝尔是一个相当大的单位，为了方便起见，又将 其分成10个小单位，此小单位称为分贝此小单位称为分贝(decibel，dB)。声 级用分贝表示时计算公式如下： （1 1）声功率级）声功率级 l若基准声功率(Q0)已指定，则dB具有物理意义。对于噪 声的测量，基准声功率规定为1pW，因此声功率级可以 表示为： l由上式计算得到的声功率级的单位为dB。 （2 2）声强级声强级 l为了测量噪声，基准声强取lpW/m2，因此声强级可按 下式计算： （3 3）声压级）声压级 l规定基准压力为20Pa。 l l 常见的声压级范常见的声压级范 围如右图所示：围如右图所示： （4 4）声压级计算）声压级计算 l由于声压级的对数特性，所以分贝值之间的加和不能按分贝值之间的加和不能按 照加减运算法进行照加减运算法进行。其计算过程为：将各个分贝值先转 化成声功率，然后相加，相加后再将其转回分贝单位。 “图7-4”提供了一个计算噪声值的图解方法。 分贝和的增值表：分贝和的增值表： l对于噪声的测量，结果应该记录到最接近的整数位 。当有多个声压级相加时，应该每次两个相加，且 由最小数值开始。 l计算: 68dB、79dB和75dB三个分贝值相加，其声功 率级是多少？ l解答：首先选择68dB和75dB两个较低的值，二者 相差为7dB，利用“图7-4”（分贝相加的图解法）， 由横坐标7.0查得增加的分贝值为0.8，因此， 68dB 和75dB相加得到75+0.8=75.8dB。该题的计算方式可 以图示如下： l取最接近的整数值，得到答案为81dB。 l此题也可先转换成声功率，相加后再转换成分贝而计算 ： 声压级分贝相加的公式： 6.1.4 6.1.4 噪声的特征噪声的特征 （1 1）平均声压级）平均声压级 l由于分贝具有对数特性，因而对声压级的测量值不能用 正常的求和方式计算其平均值。可利用下列的公式进行 计算： l ：平均声压级，dB; ln：测量次数 lLi：第i个声压级 l同样，平均声功率级： （2 2）声音的类型）声音的类型 l噪声的类型可以用以下术语之一进行定性的描述： 稳态(steady-state)或连续式(continuous)；间断式 (intermittent)；脉冲式(impulse)或冲击式(impact)。 连续噪声的声级是不间断的，在观察期间内，其变 化小于5dB，例如家用电风扇产生的噪声。间断噪 声是一种持续与间断时间均超过1s的连续噪声，如 牙医钻牙产生的噪声。脉冲噪声的特点是持续时间 小于1s，且在0.5s内其声压变化大于或等于40dB， 如武器发射炮弹时发出的噪声。 l常见的脉冲噪声一般有两种。脉冲A的特点是 声压级快速升高到尖峰，随后是一个小的负压 波或衰减到背景值之下。脉冲B的特点是呈振荡 衰减，A型脉冲的持续时间就是最初尖峰衰减到 背景值的时间，B型脉冲的持续时间为振动尖峰 衰减20dB所需的时间。因为脉冲的持续时间短 ，所以必须使用一种特别的声级计来测量脉冲 噪声。 l美国职业安全与健康局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)将时间间隔小于 0.5s的重复性噪声，包括脉冲噪声，划分为稳定 噪声。 2. 2. 噪声对人的影响噪声对人的影响 l为了讨论方便，将噪声对人的影响分为以下两种： 听觉影响(auditory effects)和心理-社会影响。听觉上 的影响包括听力损失和语言交流干扰。心理-社会方 面的影响包括烦恼、睡眠干扰、工作效率影响和声 音的隐私性。 2.1 2.1 正常听力正常听力 （1 1）频率范围和敏感性）频率范围和敏感性 l年轻且听力健康的成年男性，其耳朵可感受到频率 范围为2016000Hz的声波。幼童和妇女则经常具有 感受高达20000Hz频率声波的能力。讲话的频率范 围为5002000Hz。耳朵对20005000Hz的频率范围 最敏感，在此频率范围内可以感受到的最小声压为 20Pa。 l在空气中，频率1000Hz、20Pa的声压相当于空气 分子1.0nm的位移。空气分子的热运动相当于约lPa 的声压。如果你的耳朵非常敏感，那么你可以听到 空气分子像海边的波浪一样冲击你的耳朵。 （2 2）响度）响度(loudness)(loudness) l一般而言，两个不同频率但相同声压级的纯声听起 来会有不同的响度级。响度级是一种心理上对声响 大小的量度。 l1933年，Fletcher和Munson进行了一系列的实验， 以确定频率与响度间的关系。基准声和测试声交替 地呈现给被测试者，调整测试声的声级直到听起来 与基准声的响度一样。把以分贝表示的声压级对测把以分贝表示的声压级对测 试声频率作图得到一曲线，该曲线称为试声频率作图得到一曲线，该曲线称为Fletcher-Fletcher- MunsonMunson曲线或等响度曲线。曲线或等响度曲线。参考声频率为1000Hz。 l曲线用“方”(phon)标示，它是用分贝表示的频率为 1000Hz的纯声的响度级。最低的曲线(虚线)表示“听 力阈值” (hearing threshold)。具有正常听力的人，彼 此间的听力阈值约在10dB间变化。 l l （3 3）听力测量）听力测量( (audiometryaudiometry) ) l听力测量可采用听力计(audiometer)。它由具 有不同声压级的各种纯声源组成,并输出到一 对耳机.如果需要仪器自动绘制测试结果图( 听力图),则需安装一个称为听力阈值级 (hearing threshold level,HTL)标尺的计权网络. lHTL是一种标尺,使每一个纯声的响度经过频 率调整后,“0dB”成为一般正常年龄耳朵刚好 听得到的声级.可以ISO R 389-1964 ANSI- 1969 作为参照标准. 2.2 2.2 听力损伤听力损伤 （1 1）机制）机制 l除了激烈的噪声引起鼓膜破裂外，外耳和中耳很少被 噪声伤害。一般情况下，听力损失是由于毛细胞被伤害 引起神经损伤而造成的。有两种理论可用来解释噪声引 起的伤害：第一种理论认为第一种理论认为过大的剪切力使毛细胞受到 机制性损伤；第二种理论认为第二种理论认为强烈的噪声刺激迫使毛细 胞新陈代谢活动加剧，从而使这些毛细胞因负荷过度而 死亡。毛细胞一旦被破坏便不能再生。 （2 2）影响听力阈值的因素）影响听力阈值的因素 l影响暂时性和永久性听力阈值偏移的重要的因素有以 下几个： （a a）声级：声级：正常人经历暂时性听力阈值偏移之前，声级 必须超过6080dBA。 （b b）声音频率分布：声音频率分布：大多数能量分布在讲话频率 的声音比分布在其他低于讲话频率的声音更有可 能造成听力阈值偏移。 （c c）声音的持续：声音的持续：声音持续时间越长，听力阈值 偏移越大。 （d d）声音暴露的时间分布：声音暴露的时间分布：在声音周期之间，安 静周期的数量和长度影响听力阈值偏移。 （e e）人们对声音的容忍程度很不相同。人们对声音的容忍程度很不相同。 （f f）声音类型：稳态的、间歇式的、脉冲式或冲声音类型：稳态的、间歇式的、脉冲式或冲 击式的：击式的：声音持续时间增加时对于尖峰声压的容 忍程度降低。 （3 3）暂时性听力阈值偏移）暂时性听力阈值偏移(TTS)(TTS) lTTS经常伴随有耳鸣、听不清声音和耳朵不舒服等 现象。大多数TTS在暴露于噪声的两小时内发生。 在出现TTS以后，在暴露于噪声后的第1到2个小时 内开始向HTL基线恢复。在暴露后的1624h内大部 分将会回复。 （4 4）永久性听力阈值偏移）永久性听力阈值偏移(PTS)(PTS) lTTS与PTS之间似乎有直接的关系。如果在某一噪 声级下暴露28h后不会产生TTS，则持续暴露下去 也不会产生PTS。导致听力损失的噪声频率一般在 3000 6000 Hz之间。因噪声导致的永久性听力丧失 ，其开始和发展过程是缓慢的、不知不觉的。暴露 的个人不可能注意到。噪声暴露导致的全部听力丧 失目前尚未发现。 （5 5）听觉创伤）听觉创伤 l外耳和中耳很少被强烈的噪声所伤害。但爆炸的声音会 使鼓膜破裂或使听骨链错位，短暂地暴露于非常强烈的 噪声所导致的永久性听力损失称为“ “听觉创伤听觉创伤” ”。 2.3 2.3 损伤损伤- -危险标准危险标准 l损伤-危险标准指明：在可以避免听力损伤的危险时，在可以避免听力损伤的危险时， 一个人在噪声下的最大允许暴露量。一个人在噪声下的最大允许暴露量。美国眼科和耳鼻喉 科研究院定义的听力损伤是在500，1000和2000Hz下， 超过25dB的平均HTL (ANSI-1969)，这是低限。完全损完全损 伤发生于当平均伤发生于当平均HTLHTL超过超过92dB92dB时。时。年龄增加导致的听力 损失包含在设定的25dB ANSI低限中。已制订了两个标 准，以保护所有的工作人员几乎都可以重复地暴露于噪 声中而不致于对其听力和理解正常讲话的能力造成不利 的影响。 连续或间歇暴露：连续或间歇暴露： lNIOSH (The National Institute for Occupational Safety and Health)建议控制 职业噪声的暴露，使 工作人员暴露的噪声 不会超过下图上B线 所给出的极限。此外 ，NIOSH建议设计新 的隔声装置，以保证 暴露的噪声低于下图 上A线所给出的极限 。 2.4 2.4 语言交流干扰语言交流干扰 l噪声会干扰我们交流的能力。很多噪声即使没有达到创 伤的程度，但仍会干扰语言交流。这种干扰或屏蔽效应 是讲话者与听者间距离及讲话频率等因素的复杂函数。 讲话干扰级用于测量交流的难易程度，它能将不同背景 噪声级关联起来。目前，用A计权背景噪声级和语言交 流质量来描述噪声对语言交流的干扰更为方便。 l练习：一个在安静区域的人，希望与一个相距6m远且 正在驾驶一辆4.5t的卡车司机讲话，他会遇到什么困难? 已知卡车驾驶室的声级为73dBA。（。（dBAdBA表示表示A A计权背计权背 景声级）。景声级）。 l解答：利用“图7-20”，我们可以预见他将必须非常大声 喊叫。但若移动到1m以内，则能使用“期望”的声级，即 在噪声场所使用的声级将不知不觉地轻微增加。 l可以看出，在起居室 或教室内(相距 4.56m)，为了正常交 谈，A计权背景声级 必须低于50dB。 2.5 2.5 烦恼烦恼 l噪声引起的烦恼是一种对听觉经历作出的反应。在被 噪声扰乱或打断的活动中，在对噪声的生理反应以及 在对由噪声所带来信息含义上的反应方面，产生的烦 恼均有一定的规律可循。 l例如，同样的声音在晚上听起来可能比白天更令人烦 恼。未被注意到且不会很快移除的声音可能比短暂的 声音更令人烦恼。 l烦恼的程度以及烦恼是否导致抱怨，抵制产品或抗议 一个既存的或预期会产生的噪声源等行动取决于很多 因素。某些因素已被确定，其相对的重要性也已进行 过评估。很多现存的噪声评估或预测系统被应用于预 测烦恼反应。 2.6 2.6 睡眠干扰睡眠干扰 l l 睡眠干扰是一种特别的烦恼。睡眠扰人问题非常复杂。睡眠干扰是一种特别的烦恼。睡眠扰人问题非常复杂。 农村人可能难于在喧闹的市区入睡，而一个都市人在 乡村地区可能被安静所困扰。为什么父母亲会因为自 己小孩身体的轻微转动而惊醒，却不会被雷雨所惊醒 呢？这些现象表明暴露于声音和晚间的睡眠质量二者 间的关系是十分复杂的。 l对于相对简短的 噪声(3min以内) 在安静环境中对 人的睡眠的影响 已有过深入的研 究。 2.7 2.7 对工作效率的影响对工作效率的影响 l当工作需要用到听觉信号、语言或非语言时，任何强 度的噪声，当其足以妨碍或干扰人们对这些信号的认 知时，该噪声将影响工作效率。 l在不需要听觉信号的地方工作时，噪声对工作效率的 影响难于评估。人类的行为是复杂的，因此很难准确 地弄清楚不同种类的噪声如何影响进行不同种类工作 的不同种类的人。 l l 虽然如此，仍然可以得出一般性的结论：虽然如此，仍然可以得出一般性的结论： （1 1）没有特别意义的稳定噪声似乎不干扰人类的行为 ，除非A计权噪声级超过90dB。 （2 2）不规律的噪声爆发比稳定的噪声更具分裂破坏性 ，即使低于90dB，有时仍会影响工作效率。 （3 3）高于10002000Hz的高频噪声对工作效率的影响 比低频噪声更严重。噪声似乎并不影响工作的整体进 度，但高声级的噪声可能增强工作进度的改变。 （4 4）“噪声停顿”可能会使工作速度加快。噪声更可能 减少工作的准确性而不是减少总的工作量。比起简单 工作，复杂工作更可能受到噪声的不良影向。 2.8 2.8 声音的隐私性声音的隐私性 l如没有隐密的机会，每个人将必须严格地遵守严格 的社会规范，或每个人必须采取高度随意的态度。隐 私的机会避免了上述任何一种极端情况的出现。特别 是当没有声音隐私机会时，人们可能会经历前述所有 的噪声影响，此外，个人会因自己的行动可能干扰他 人而受到限制。 3. 3. 等级评估系统等级评估系统 3.1 3.1 噪声评估系统的目标噪声评估系统的目标 l一个理想的噪声评估系统应该将声级计(sound level meter)或分析仪所测量的结果简单明了地加以总结， 并用一种有意义的方式将噪声暴露表示出来。在前面 对响度和烦恼的讨论中，可以注意到人们对噪声的反 应与噪声的频率关系很大。更进一步，我们注意到， 噪声的形式噪声的形式( (连续、间歇或脉冲式连续、间歇或脉冲式) )和每天发生的时间和每天发生的时间( ( 夜晚比白天更糟糕夜晚比白天更糟糕) )是引起烦恼的重要因素。是引起烦恼的重要因素。 l因此，理想的噪声评估系统必须考虑噪声的频率， 并区分白天与夜晚的噪声。而且，评估系统必须能够 描述累积的噪声暴露。而统计系统能够满足这些需要 。 l一个统计评估系统实际应用的困难在于对每个测量 位置都会有一组十分庞大的参数，需要应用一组相当 大的数列去描述周围环境的特征。但在实际执法中想 有效地利用这样一组数列几乎是不可能的。因此，必 须确定一种适合测量噪声暴露的单一数值的测量方法 。以下的内容将描述目前正在使用中的一个评估系统 。 l l 3.2 L3.2 L N N 概念概念 l参数LN是一个统计测量值，表示超过某一特定声级 的频率。例如，当我们写出L40=72dBA，即可知道在 测量时间中，超过72dB(A)的频率为40，LN对N（N 1，2，3，等等）作图可得到一个累积分布 曲线，如“ “图图7-237-23” ”所示。 l与累积分布曲线相关联的另一种曲线是概率分布曲 线，它表示噪声级在一定声级间隔内的频率，如“ “图图7 7 -24-24” ”所示。 l图中，有22%的时间，测量的 噪声级范围在7072dBA之间， 有17%的时间，其范围在 7274dBA之间，等等。这个图 和LN之间的关系非常简单，将 从右至左连续间隔上的百分比 加起来，即可得到一个相对的 LN值，其中N为百分比的加和， L则是各相加间隔最左边的较低 限制值，因此L40的值为： L(2+7+14+17)72dBA。 3.3 3.3 L Leq eq概念 概念 l等效连续声级(Leq)可应用于任何波动的噪声级。其定 义为：在声场中一定点位置上，用某一段时间内能量 平均的方法，将间歇暴露的几个不同声级的噪声，以 一个声级来表示该段时间内的噪声大小，这个声级即 为等效连续声级，单位仍为dB。等效连续声级可用下 式表示： !式中t为测定Leq的时间，L(t)为随时间变化的噪声级。 l一般而言，L(t)和时间之间没有明确定义的关系，因 此，只能利用一系列不连续样本的L(t)。Leq的表达式 可以修正为 !式中：n-利用的总样本数；Li-第i个样本的声级，dBA ；ti ：总样本的时间分数。 l计算：90dBA的噪声级存在5min，然后60dBA的噪声 级存在50min，请问对于该55min时段的Leq是多少?假 设取样间隔为5min。 l解答：若取样间隔是5min，则样本总数n为11。对每 个样本而言，其所占总样本的时间分数ti为1/11=0.091 。利用这些计算值，我们可计算总和如下： l最后，代入公式计算： 4. 4. 社区噪声源及其标准社区噪声源及其标准 4.1 4.1 运输噪声运输噪声 （1 1）飞机噪声）飞机噪声 l一架大型喷气机(如波音747)的噪声频谱显示，飞机在 起飞时的声压级比降落时高。除了涡轮喷气式飞机和 小型飞机有较低的声压级外，其他的飞机都是如此。 l飞机飞行时令人烦恼的标准是根据大量的现场测试和 意见调查得出的。 （2 2）高速公路汽车噪声）高速公路汽车噪声 l对大多数汽车而言，噪声主要是在时速55km/h以下正 常行驶时产生的。虽然汽车轮胎的噪声相对于卡车来 说小得多，但在时速80km/h以上时却是主要的噪声来 源。尽管汽车没有卡车那样吵人，但因为汽车的数量 远大于卡车，所以汽车对噪声环境总的影响也较大。 扰人与交通噪声指数扰人与交通噪声指数TNITNI之间的关系之间的关系 4.2 4.2 建筑工程噪声建筑工程噪声 l19类常见的建筑施工设备的声级范围如“ “图图7-297-29” ” 所示。虽然所列实例有限，但数据却相当准确。 机器和材料相互作用产生的噪声通常对噪声级的 贡献更大。 l将建筑工程噪声所造成的扰人程度定量化是很 困难的，以下两点可供参考： l（1）在郊区建造一幢房子时，若在边界线8h的 Leq值超过70dBA，则会有轻微的抱怨； l（2）在郊区进行挖掘和施工时，若在边界线8h 的Leq值超过85dBA，将会有合法的抗议活动。 5. 室外声音的传播 5.1 5.1 距离衰减距离衰减 l如果一个半径为r的圆球沿径向均匀膨胀和收缩，则 球的表面会均匀地发散出声波。若将球放在一个不会 将声波反射回声源的地方，且r远小于1(是波数)，则 径向上的声密度与距离的二次方成反比： l上式即为声强与声源距离的二次方成反比的关系式， 又称反二次方定律(inverse square law)。该定律解释了 声强随距离衰减的部分原因是声波发散(“图图7-307-30”)。 l l I I：声强，声强，W/m2W/m2； l l WW：声源的声功率，声源的声功率，WW。 l如果我们测量的是声功率级(Lw，W01pW)，而不是 声功率(W)，则方程式 可改写为： l lL L p p L Lw w -20lgr-11-20lgr-11 !式中：Lp-声压级，dB；Lw-声功率级，dB；r-声源与 接受者之间的距离，m；20lgr-分贝转换，等于10lgr2 ；11-分贝转换而来，等于10lg4。 5.2 5.2 声源辐射场声源辐射场 l由噪声源发散出来的声波，其特性会随距声源的距离 变化(“ “图图7-317-31” ”)。在靠近声源的位置，也就是在近场 (near field)，颗粒速度和声压并不同相并不同相。在此区域内， Lp随距离的变化不遵守反二次方定律。 l当颗粒速度和声压同相时，测量声音的位置称为远场(far field)。若声源处在自由空间(fre espace)，即没有任何反射 面，则在远场中的测量也称为自由场测量(free field measurements)。若声源处于高度反射空间，例如一间墙壁 、天花板和地板都是钢板的房间，则在远场中测量也称为 回声场测量(reverberant field measurement)。“ “图图7-317-31” ”中远 场的阴影区表明在回声场中L，并不遵守反二次方定律。 5.3 5.3 方向性方向性 l大部分实际的声源并不是均匀地向各个方向发散声音。 如果在一个固定距离处，测量一个真实声源在某频率段下 的声压级，则会发现在不同的方向有不同的值。如果在极 坐标体系中将这些声压级数据画出来，可得到声源的方向 性模型。 l方向性因子(directivity factor)是声源方向性的数值表示， 方向性因子的对数称为方向性指数(directivity index)。对 一个球形声源而言，方向性指数定义为： l l DIDI = =L Lp p -L-Lps ps ! L Lp p - 发射功率为W的定向声源在一个无回声空间内，在 距离为r，角度为0处所测得的声压级，dB； L Lps ps - 发散功 率为W的非定向声源在一个无回声空间内，在距离为r处 所测得的声压级，dB。 l对于一个位于或接近坚硬、平坦表面的声源，方 向性指数表示如下： l l DIDI =L=L p p -L-Lps ps+3 +3 l式中加上3dB是因为以半球取代圆球进行测量。 若声源发射半圆球而不是理想圆球声波时，则在 半径为r处的同一点，其声强将变为其声强将变为2 2倍倍。每一个 方向性指数只适合用在L L p p 所测量时的角度和测量 时的频率。 l假设方向性模型并不改变其形状，同时忽略与声 源间的距离，这样我们就可以将反二次方定律应 用于方向性声源，只要加上方向性指数即可： l lL Lp p L Lw w +DI+DI -20lgr-11-20lgr-11 5.4 5.4 声音在空气中的传播声音在空气中的传播 （1 1）大气条件的影响）大气条件的影响 l在安静、等方向性的空气中声音能量的吸收是通过分子 激发、氧分子的松弛，在很低的温度下则是通过空气的热 传导和粘性作用进行的。分子激发是噪声频率、湿度、温 度的复杂函数。通常，我们可以说，湿度下降时，声音的 吸收增加。当温度上升到约1020时(与噪声的频率有关 )，声音的吸收会增加，超过25时则吸收下降。在较高 的频率时，声音的吸收也较高。 l温度的垂直分布会极大地改变声音的传播路径。如果有 超绝热递减率存在，则声音传播线会向上弯曲并形成噪声 阴影区。如果有逆温层存在，则声音传播线将折回地面， 这样会导致声级增加。这种效应在短距离内可忽略；但在 距离超过800m时，则声级增加会超过10dB。 l类似地，风速梯度会改变噪声传播的途径。声音 会随风弯曲向下行进，当声音逆风向时则会向上 弯曲。当声波向下弯曲时，声级不增加或增加不 大。但是，当声波向上弯曲时，声级会显著地降 低。 （2 2）基本点声源模式）基本点声源模式 l一个声功率级为Lw的方向性声源对接受体产生声 压级，并可用下列方程式来估算： l lL Lp p = =L Lw w +DI+DI -20lgr-11-A-20lgr-11-A e e l这就是基本点声源方程式。除去最后一项(Ae)后 ，则是修正的反二次方定律。 Ae项是声波除发散 外的附加衰减(excess attenuation)，它由环境条件 引起，单位为dB。 lAe项可进一步分为以下六项： Ae1：当环境温度和压力引起c值与400kg/(m2s) 的值明显不同时，例如温度为38.9，压力为 101.325kPa时所引起的c偏离400kg/(m2s)的差值 效应，单位为dB； Ae2：在空气中吸收而造成的衰减，dB； Ae3：由雨水、冰雹、雪或雾所造成的衰减，dB ； Ae4：由障碍物所造成的衰减，dB； Ae5：由草皮、灌木和树木所造成的衰减，dB； Ae6：由风、温度梯度、大气紊流、地面特征等 造成的衰减和波动，dB。 l通过计算由于温度和压力改变所造成的密度改变(见上次 课“气体定律”)，可以计算出 c c值偏离400kg/(m2s)造成的 差异效应。温度变化对声速声速(c)(c)的影响可利用式 计算求得。 lAel可计算如下：A Ae1 e1=10lg( =10lg( c/400)c/400) l温度为20C时，可利用下式计算Ae2： 式中：f f - 波段的几何平均频率，Hz；r r - 声源和受体间的 距离，m； - 相对湿度。 l在其他温度(20C10C)时，可利用下式近似解计算： l lA A e2e2: : 式 式*在在2020 C C和 和 = =5050时的衰减时的衰减, , dB dB； l l : : 对应于对应于T T的单位为的单位为 C C时，其值时，其值=4=4 1010-6 -6； ； l l T T：=T-20=T-20， C C l因雨、雾、冰雹、雪等造成的 过度衰减还没有得到深入研究 。Ae3在雾中为0.5dB/1000m0.5dB/1000m， 但一般保守的估算中视其为零 。 l因障碍物造成的衰减Ae4是路 径长度和声音波长的复杂函数 。草皮、灌木及树木的吸声资 料(Ae5)不易进行简单推算。其 衰减范围为030dB/100m。这 些方面的分析超出本书的范围 。 l风及其稳定度的影响可分为接 受者在顺风处和逆风处来讨论 。在顺风的情形下，可用“ “图图7-7- 3232” ”来估算Ae6。 l在逆风的情形 下，“ “表表7-87-8” ”考 虑一个夜晚和两 个白天的条件。 X0的量是从噪 声源到阴影区边 缘距离的估计值 ，如“ “图图7-337-33” ”所 示。阴影区边缘 表示声波因受风 和温度影响而开 始偏向的位置。 l当X0确定后，可用“ “图图7-347-34” ”来选择衰减值。 （3 3）未知的声功率级）未知的声功率级 l很多噪声源的功率级Lw数据不容易得到 ，而在某些给定距离和角度的声压级数容 易得到，利用现有的测量值，我们可以得 到： l lL L p1p1: : 在距离声源 在距离声源r r 1 1 、角度为角度为 处所测量的处所测量的 声压级，声压级，dBdB； l lL L p2p2: : 在距离声源 在距离声源r r 2 2 、角度为角度为 处所测量的处所测量的 声压级，声压级，dBdB； l lA A e e ：从距离从距离r r 1 1 到到r r 2 2 之间之间的衰减，的衰减，dBdB。 6. 6. 噪声控制噪声控制 l6.1声源-途径-接受者概念 l如果你遇到一个噪声问题，并且要解决这个问题 ，你必须找出噪声形成什么样的干扰，噪声来自 什么地方，噪声的传播方式以及如何控制它。一 个直接的方法就是从三个基本要素，即噪声源、 传播途径和对接受者或听众的影响来调查噪音问 题。 l噪声源可能是一台或多台辐射噪声或振动能的机 械装置。几台家用电器或机器运行时就有可能产 生噪声。噪声最明显的传播途径是在空气中以直 线运动方式直接从声源传送到听众。接受者可以 是一个人，一个班级的学生或整个社区。 l解决一个给定的噪声问题，需要改变或改善以下三个基 本要素或其中之一： （1）改善噪声源以减少噪声的输出； （2）改变或控制传播路径和环境以减小到达听众的噪声级 ； （3）给接受者个人提供防护用具。 6.2 6.2 通过设计控制噪声源通过设计控制噪声源 （1 1）减少冲击力）减少冲击力 l许多机器和设备零件间会因强烈的碰撞而产生噪声，通 常这些碰撞或撞击是机器工作所必需的。 （2 2）降低速度和压力）降低速度和压力 l降低机器和机械