物理性污染控制(第二章 噪声).ppt

1 第二章噪声污染及其控制 2 第一节概述 一 声音和噪声声音是一种物理现象 声音以不同的方式和途径传递着信息 在人类活动中起着非常重要的作用 声音 一词有两个意思 客观的声振动和主观的声感觉 后者也叫响声 3 第一节概述 了解 声学的发展历程 有关建筑声学的记载最早见于公元前1世纪罗马建筑师维特鲁威所写的 建筑十书 我国古代是对声学有突出贡献的国家之一 东汉王允把声音与水波类比 宋朝张载 声者形气相轧而成 声成文谓之音 音和乃成乐 古时对噪声的理解是 群呼烦扰 16世纪 中国建成了著名的天坛皇穹宇 回音壁 这是对建筑声学的一大贡献 中世纪 欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面 易产生较长的混响声 天坛皇穹宇 到19世纪末 古典理论声学发展达到最高峰 4 第一节概述 了解 声学的发展历程 20世纪初 美国赛宾提出了著名的混响理论 奠定了现代声学研究的基础 从20世纪20年代开始 电子管和放大器的应用 为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路 在第二次世界大战中 开始把超声广泛地用到水下探测 20世纪50年代以来 噪声污染日益严重 逐渐形成了一门新兴综合性学科 环境声学 5 噪声简介狭义 从物理学观点来说 振幅和频率杂乱断续或统计上无规则的声振动称为噪声 广义 从环境保护的角度来说 一般认为 凡是干扰人们工作 学习和休息的声音即不需要的声音统称为噪声 噪声对周围环境造成不良影响 就形成噪声污染 特点是局部性 无后效性 属于 感觉公害 为四大公害之一 第一节概述 目前 噪声污染投诉在环境投诉中所占比例是最高的 6 噪声的种类 第一节概述 7 城市环境噪声 交通运输 建筑施工 城市环境噪声70 的来源 汽车噪声一般为89 92dB 电喇叭为90 110dB 汽喇叭 火车 105 110dB 建筑用的混凝土搅拌机 打桩机 推土机 钻机 风动工具等产生巨大的噪声 常在80dB以上 8 工业生产 社会生活 来自生产过程中机械振动 摩擦 撞击以及气流扰动产生的声音 一般纺织厂噪声为90 106dB 机械工业80 120dB 大型球磨机120dB 风铲 风镐 大型鼓风机130dB以上 生活噪声一般强度不大 在80分贝以下 但它使人心烦意乱 干扰人的正常工作与生活 城市环境噪声 9 街道上显示噪声等级的装置 1 2 3 4 10 听力损伤 听觉适应 暂时性听阈迁移或听觉疲劳 噪声性耳聋 对睡眠 30 50dB 交谈 通讯 思考及工作效率的影响 引起人体生理机能不良反应 神经系统 消化系统 心血管系统 影响心理状态 影响胎儿及儿童的发育 损害视力 对动物的影响 对仪器设备 建筑结构的影响 三 噪声的危害 第一节概述 11 1 控制途径 声音从产生到引起听觉三个阶段 声源的振动 空气等介质的传播 人耳接收 鼓膜的振动 从声源上降低噪声 从传播途径上降低噪声 在接受点进行防护 四 噪声控制 第一节概述 12 2 噪声控制的程序在实际工作中噪声控制一般可分为两类情况 一类是现有的企业噪声超过国家有关标准 需采取噪声控制措施 另一类是新建 扩建和改建的企业 在规划 设计时就应考虑噪声的污染情况 以便确定合理的噪声控制方案 减少噪声污染 基本程序 调查 测试噪声污染情况 选择噪声允许标准 确定噪声控制方案 进行工程评价 论证控制方案能否达标 控制措施的鉴定与评价 第一节概述 13 第二节声学基础 一 声波的形成 声源的振动 弹性媒介振动 声波 空气 固体 液体 14 声音的产生和传播 声源振动时 带动相邻的空气质点 使之交替进行压缩膨胀运动 这种压缩 膨胀 疏密相间 交替运动由近及远向前推进的空气振动称为声波 第二节声学基础 15 声音的传播是实质上是振动的传播 传播出去的是物质能量而不是物质本身 纵波 振动方向与声波的传播方向一致 在空气中的声波是一种纵波 横波 质点振动方向与波的传播方向相垂直的波 在固体和液体中可能是纵波 也可能是横波 第二节声学基础 16 二 声波的基本物理量 声压 p14 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 秒 m s 第二节声学基础 17 气体中的声速为 2 4 空气的 1 4 则式 2 4 有如下形式 或 2 5 0 介质处于平衡态时的密度 kg m3 p0 介质处于平衡态时的压强 Pa 比热比 定压比热 定容比热 T 绝对温度 K 空气中的声速一般可取340m s 第二节声学基础 18 三 声音的频谱1 频率 频程及倍频程 频率 音调是人耳对声音的主观感受 在客观上它决定于声源振动频率 频率是描述声音特性的主要参数之一 人耳可以听到声音的频率范围为20Hz 20000Hz 频程 把可听声的频率变化范围分成若干较小的段落 称为频程或频带或带宽 第二节声学基础 19 n倍频程 或 2 6 式中 f2 f1 任意频程的上限频率和下限频率 Hz n 频程倍数 为正实数 噪声测量中经常使用倍频程 n 1 和1 3倍频程 2 1 4 1 频程的划分 使每一个频程的上限频率和下限频率的比值为确定的常数 例 2个频率相差1个倍频程就是说两个频率之比为 相差2个倍频程就意味着频率之比为 第二节声学基础 20 中心频率值 f0 上 下限频率的几何平均值 即 2 7 带宽 f 上 下限频率之差 即 f与f0的关系式为 2 10 每段频程以中心频率来命名 第二节声学基础 21 例 可听声频率范围用10段倍频程表示如下表所示 每段则以中心频率来命名 例如对于45 90Hz这一段频程的中心频率为63Hz 上限频率为90Hz 下限频率为45Hz 带宽为45Hz 倍频程的中心频率与频率范围 第二节声学基础 22 三 声音的频谱2 频谱及频谱分析频谱 声音的频谱是指组成声音的各种频率的分布图形 频谱分析 噪声通常包含许多频率成分 将噪声的声压级 声强级或声功率级按频率顺序展开 使噪声成为频率的函数 观察频率的分布 分析声压级 声强级 声功率级 所对应的频率 即称为频谱分析 频谱图 通常以频率为横坐标 声压级 声强级 声功率级 为纵坐标 来描述频率与声音强度的关系图 第二节声学基础 23 频谱图 在噪声控制中 频谱图中声压级比较突出的部分及其所对应的频率是重点控制目标 声压级 dB 频率 a 线状谱 b 连续谱 c 复合谱 a 变压器噪声 b 涡轮风扇气流噪声 c 火车转弯尖叫声 第二节声学基础 24 第二节声学基础 四 声音的波动方程定义 声场的特性可以通过声压 弹性介质密度以及质点的振动速度等物理量来描述 通过研究上述物理量随时间和空间的变化规律 建立数学表达式 就称为声音的波动方程 25 四 声音的波动方程1 运动方程 牛顿第二定律 在直角坐标系中 用声压p来描述声波 在均匀理想流体介质中 小振幅声波的运动方程是 或 式中 p 瞬时声压 Pa c 声速 m s t 时间 s 拉普拉斯算符 在直角坐标系中 2 13 第二节声学基础 26 2 连续性方程实质上就是质量守恒定律 参考理想流体的连续性方程 可得直角坐标系中声波的连续性方程 或 式中 0 介质的静态密度 kg m3 介质质点速度u沿x y z方向的分量 m s 2 14 第二节声学基础 四 声音的波动方程 27 3 物态方程介质运动时 其内部的压强 密度和温度都发生变化 由于声波传播过程进行得较快 故用理想气体绝热状态方程可以得到声波传播时的物态方程为 或 2 15 由式 2 15 及理想气体的绝热方程 可推出气体中声速的计算式 2 4 第二节声学基础 四 声音的波动方程 28 活塞在直管中运动所辐射的声波 五 平面声波声波在传播过程中 同一时刻相位相同的轨迹称为波阵面 波阵面与传播方向垂直的波称平面声波 第二节声学基础 声波的传播方向 29 五 平面声波 一 声压波动方程运动方程 2 16 连续性方程 2 17 联立式 2 15 2 17 得声压p的波动方程 2 18 式 2 18 的一般解为 2 19 第二节声学基础 30 五 平面声波 二 瞬时声压和有效声压 声压 受声波的传播扰动 局部空气产生压缩或者膨胀 在压缩的地方压强增大 在膨胀的地方压强减小 这样就在原来的大气压上产生了压强的变化 p P P0 此压强变化 p 是由于声波引起 称为声压 瞬时声压 有声波存在的区域称为声场 声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压 第二节声学基础 31 单一频率平面波的声压波动方程 2 19 沿x正方向 沿x负方向 2 20 图2 2声压随空间位置和时间的变化曲线 第二节声学基础 32 有效声压 pe 某段时间内瞬时声压的均方根值 2 22 平面波的有效声压 2 23 声压是度量声音大小 强弱的物理量 正常人耳刚刚能听到的声压 听阈声压 是2 10 5Pa 普通房间的声压是0 1Pa 人们喧哗的声压是0 5 1Pa 很强的噪声 如球磨机 凿岩机 风铲等声压达20Pa 这样强的声压会使人耳产生疼痛的感觉叫痛阈声压 当声压达数百帕以上 比如在喷气式飞机发动机 会引起耳膜出血 第二节声学基础 33 五 平面声波 三 质点振动速度和声阻抗率质点振动速度幅值 2 26 2 25 质点振动速度的有效值 2 29 第二节声学基础 34 五 平面声波声阻抗率 或 2 30 Zs仅与介质密度和声速有关 是介质固有的一个常数 当声波从一种介质传播到另一种介质的有效界面时 两种介质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度 单位 Pa s m 第二节声学基础 35 四 声能密度 声强和声功率1 声能密度 单位体积介质所含的声波能量 用D表示 声场中某点总的平均声能密度为 2 声强 在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的平均声能量 通常用I表示 单位为W m2 声强与声能密度的关系为 2 31 2 32 由于声波的扰动使介质得到的能量称为声能 第二节声学基础 36 声强与声压的关系式 2 33 声强是衡量声音强弱的物理量之一 与有效声压和声特性阻抗有关 声强随距声源距离的增加而降低 声强是矢量 其方向就是声波传播方向 第二节声学基础 37 3 声功率 是指声源在单位时间内辐射的声能量 用W表示 单位为瓦 自由声场中 对于均匀辐射的声源 声功率与声强的关系为 2 34 声功率是表征声源特性的不变量 反映了声源的本质 第二节声学基础 注 自由声场是指在均匀的各向同性的介质中 边界影响可以不计时所形成的声场 38 五 平面声波 四 声音的声压级 声强级 声功率级声压级 该声音的声压与基准声压之比 取以10为底的对数 再乘以20 单位为分贝 dB 其表达式为 2 36 式中 pe 有效声压 Pa p0 基准声压 2 10 5Pa 2 37 第二节声学基础 39 日常声压级及其对人的影响 40 41 声强级 2 38 式中I 声强 W m2 I0 基准声强 10 12W m2 2 40 2 39 声功率级 第二节声学基础 42 六 球面声波波阵面为同心球面的波称为球面声波 形成条件 点声源 均匀介质 球面声波的声压与半径和时间的函数关系 波动方程 为 2 41 从式 2 41 可以看出 瞬时声压随距离的增大而减小 故离声源越远 声音越小 质点振动速度 2 44 球面声波的声功率 第二节声学基础 43 七 声压级计算 一 声压级相加 1 总声功率级LW 设W W1 W2 Wn为总声功率和各声源声功率 则 根据声功率级的定义可知 2 46 2 总声强级LI 设I I1 I2 In为总声强和各声源的声强 则 2 48 44 3 总声压级Lp 设p p1 p2 pn为总声压和各声源的声压 有效声压 2 41 代入 得 2 51 由代入 2 49 得 两边取对数 并经整理得 2 49 2 52 若每个声压级都相等 45 例 某车间有两台相同的车床 它们单独开动时 测得声压级均为100dB 求这两台机床同时开动时声压级是多少 解 根据式 2 52 计算得 由上例可以看出 两个特性相同 声压级相等的噪声叠加 其总声压级比单个声源的声压级增加了3dB 第二节声学基础 46 例2 在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB 87dB 90dB 95dB 96dB 91dB 85dB 80dB 求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少 解 由 得 第二节声学基础 47 利用图表计算多个声源的总声压级 设两声压级Lp1和Lp2 且Lp1 Lp2 则 代入 设 则仅是已知量的函数 故可用Lp1与Lp2计算出 总声压级为 2 53 为分贝和的附加值 48 利用图表计算多个声源的总声压级步骤是 把要相加的分贝值从大到小排列 按由大到小的顺序进行计算 用第1个分贝值减第2个分贝值得 由 查图或表得 然后按 计算出第l 2个分贝值之和 用第1 2个分贝和之值再与第3个分贝值相加 依次加下去 直到两分贝之差大于10分贝 或15 可停止相加 此时得到的分贝和即为所求 第二节声学基础 49 例 某针织厂1位挡车工操作台五台机器 在她的操作位置测得着五台机器的声压级分别为95dB 90dB 92dB 86dB和80dB 试求在她的操作位置生产总声压级是多少 解 先按声压级的大小依次排序 从前面两个开始计算其差值为3 查表2 3或图2 4 得到相应的附加值为1 8 则前两个声压级的分贝值之和为 95 1 8 96 8 然后逐个相加 如下所示 95 92 90 86 80 96 8 1 8 0 8 97 6 0 3 97 9 0 1 98 练习 p95 13 第二节声学基础 50 在噪声控制中 要抓住噪声源中主要的 有影响的噪声源 将这些主要噪声源的噪声降下来 才能取得良好的降噪效果 二 声压级相减 若设背景噪声为LpB 背景噪声和被测对象的总声压级为Lp 被测对象真实的声压级为Lps 根据查表2 4或图2 5得到对应的修正值 得 第二节声学基础 51 例 某车间有一台空压机 当空压机开动时 测得噪声声压级为90dB 当空压机停止转动时 测得噪声声压级为83dB 求该空压机的噪声声压级为多少 解 空压机开动与不开动时的噪声声压级差值为 查表得 则空压机的声压级为 第二节声学基础 52 八 声波的传播特性 一 声波的叠加 声波传播的独立性 几列声波在同一介质中传播时 如果这几列声波在空间某点处相遇 每列波都将保持自己原有的特性 传播方向 质点振动方向 频率 瞬时声压等 不受其它波的影响 声波的叠加原理 在几列声波重叠的区域里 介质的质点同时参与这几列声波引起的振动 即质点的振动是各列波单独传播时在该点引起的振动的合成 第二节声学基础 53 八 声波的传播特性 一 声波的叠加声波的叠加原理 多列声波合成声场的瞬时声压等于每列波瞬时声压之和 即 2 58 式中 p 合成声场的瞬时声压 Pa pi 第i列波的瞬时声压 Pa 第二节声学基础 54 1 相干波 相干条件 振动方向相同 频率相同 相位差固定 相干波 满足相干条件的几列波称为相干波 设声场中某点与两声源的距离分别为x1和x2 则根据声波波动方程 两列波的瞬时声压为 第二节声学基础 55 2 61 这两列波的相位差为 2 64 应用叠加原理 合成声压p为 合成后的声波仍然是一个同频率的声波动 1 相干波 第二节声学基础 56 当时 pA为极大值 表明在声场中任一点上 两列波均以相同相位到达 两列相干波声波加强 当时 pA为极小值 两列声波终以相反相位到达 两列相干波声波减弱 合成声压幅值 1 相干波 相干波的加强或减弱称为干涉现象 第二节声学基础 57 若两相干波在同一直线上沿相反方向进行时 当其相遇由叠加而形成的合成波称为驻波 驻波是干涉现象的特例 当则驻波现象最明显 此时合成声压幅值有一极大值和一极小值 前者称为波腹 后者称为波节 1 相干波 相干波在合成声场中的平均声能密度为 2 67 第二节声学基础 驻波的形成 58 2 不相干波具有相同频率 而相位差无规则变化的声波 叠加后的平均声能密度等于每列声波平均声能密度之和 这表明两列波不发生干涉 称之为不相干波 对于具有不同频率的声波 无论其相位差固定与否 声波之间也不发生干涉 也称为不相干波 不相干波合成声的平均声能密度为 可得合成噪声的总声压与各列波声压的关系式 2 69 2 70 第二节声学基础 59 二 声波的反射 透射和折射1 垂直入射波的反射和透射 pi pr pt 1c1 2c2 0 x 界面 第二节声学基础 60 二 声波的反射 透射和折射1 垂直入射波的反射和透射 pi pr pt 1c1 2c2 0 x p u 分界面无限薄 声压和法向质点振动速度在两种介质的分界面x 0处是连续的 p p u u p pi pru ui ur p ptu ut 界面 p u 第二节声学基础 61 在界面处 声压连续和质点振动速度连续 故有 2 77 2 78 将式 与 2 78 2 78 联立得 定义声压反射系数rp为反射声压幅值pAr与入射声压幅值pAi之比 则 2 80 2 79 62 定义声压透射系数 p为透射声压幅值pAr与入射声压幅值pAi之比 则 2 81 声波在分界面上反射和透射的大小与入射 反射和透射声波声压大小无关 仅与两介质的声特性阻抗 声阻抗率 有关 这说明介质的声特性阻抗对声波的传播有着重要的影响 声压反射系数 第二节声学基础 63 声强反射系数 2 82 声强透射系数 2 83 2 84 2 80 声压反射系数 2 81 声压透射系数 64 当时 声波全部透射 只要声特性阻抗相等 那么对声波的传播就好像不存在分界面一样 当 如声波从空气垂直人射到空气与水 或墙 的界面上 介质 相当于刚性反射体 在介质I中声波发生全反射 并且反射声波与入射声波形成驻波 界面处形成声压波腹 2pA1 速度为零 在介质 中 并不产生疏密交替的透射声波 当 如声波从水中人射到空气与水的界面上 在介质I中 人射声压与反射声压在界面处 大小相等 相位相反 总声压达到极小 近似等于零 而质点速度达到极大 在介质I中也产生驻波声场 这时在介质 中也没有透射声波 65 声波从空气中入射到坚硬的刚性物体表面时 大部分的声能量就会反射回来 反射声的存在会使噪声强度提高 两种介质声特性阻抗的差异决定了声波反射 透射强度 第二节声学基础 66 1c1 2c2 pi pr pt 0 i r t 二 声波的反射 透射和折射2 斜入射声波的反射和折射 斯涅尔定律 1 反射定律 2 折射定律 第二节声学基础 67 二 声波的反射 透射和折射 3 温度及风速对声传播的影响 利用折射定律来解释 声线 声能传播方向的曲线 处处与波阵面垂直 第二节声学基础 68 三 声波的绕射 衍射 a 小孔 小障碍 a 大孔 大障碍 声波在传播过程中如遇到障脂物 或孔 洞 当波长比障碍物尺寸大得多时 会绕过障碍物的边缘前进 而传播方向改变 这种现象称做声波的绕射 衍射 声波衍射示意图 第二节声学基础 思考 低频噪声和高频噪声相比 那种噪声更容易发生衍射 69 四 噪声在传播中的衰减 1 扩散引起的衰减由于波阵面扩展 而引起声强减弱的现象称为扩散衰减 声波的扩散衰减与声源的形状有关 点声源辐射 线声源辐射 设线声源长l 声源中心到测点D距离为r0 当声源为无限长线声源时 即 可按式 2 88 计算 当时 将线声源视为点声源 可按式 2 87 计算 2 87 2 88 第二节声学基础 70 矩形面声源 矩形的面声源 其边长为a b 且a b 设测点D距声源中心距离为r0 当 声源辐射平面波 声压级衰减值为0分贝 即距离声源近时 声压级不衰减 当时 按无限长线声源考虑 即应用式 2 88 计算 当时 按点声源考虑 即应用式 2 87 计算 b a O r0 D 第二节声学基础 71 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 锅炉与冷却塔按点声源处理 锅炉房对居民楼的影响 Lp1 80 20lg16 2 80 3 6 62dB 冷却塔对居民楼的影响 Lp2 80 20lg20 5 80 2 6 68dB 共同影响 L 68 1 69dB 1 扩散引起的衰减 第二节声学基础 72 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 20 40 500m 按点声源处理 则火车对疗养院的影响 Lp2 75 20lg1000 500 75 6 69dB 1 扩散引起的衰减 73 练习题 某工厂有甲 乙两台相同的风机 点声源 相距40m 在甲 乙的中点O测得噪声级为67dB C点距乙为10m 厂界两测点A B分别位于两声源的中垂线 连线上 距甲均为40m 如下图所示 厂界噪声标准限值为60dB 问 1 C点处的声压级是多少dB 2 A B点的厂界噪声是否超标 B A O 甲 乙 C 注意 式 2 87 适用于计算单个点声源声压级的扩散衰减 74 解 1 甲