环境监测课件-第五章噪声电子教案

知识目标： 了解声学的基本知识 了解噪声的危害 掌握噪声的评价方法和标准 掌握环境噪声测量的方法能力目标： 能够利用噪声测量仪器测量城市区域、道路交通噪声、工业企业环境噪声。,第五章 噪声监测,一、声的基础知识 物体在空气中振动，使周围空气发生疏密交替变化并向外传播，当振动频率在2020000HZ之间，人可以感觉的到，称为可听声，简称声音， 声音是波的一种，叫声波。频率低于20HZ的声音叫次声波，高于20000HZ的叫超声波。,第一节 声学基础,声音传播的空间称为声场。典型的声场有自由声场和混响声场两种。 声音在一秒钟内振动的次数叫频率，记作f，单位为HZ. 弹性媒质在平衡位置附近完成振动一次所经历的时间叫周期，记作T，单位为s。频率和周期互为倒数，即T=1/f。在声波的传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间的距离称为波长，记为，单位m.,波速C:又称声速是指单位时间内声波传播的距离。单位m/s。频率、波长和声速三者的关系是： C = f （5-1） 声速与传播声音的媒质和温度有关，在空气中，声速（C）和温度（t）的关系可简写为： C = 331.45 + 0. 61 t 5-2） 常温下，声速为345m/s。,二、 声压、声强和声功率 声压 P 声压是指介质中的压强相对于无声波时的压强改变量，通常用P表示，单位为帕斯卡（Pa）。由于耳膜的惯性作用辨别不出声压的起伏变化，即声压变化的平均值为零，故平均声压无意义。通常所说的声压指的是有效声压。有效声压是指瞬时声压对时间取均方根值。即,听觉正常的人耳，对1kHz的纯音，当其声压值为 210-5Pa 时，称为听阈声压；当其值达到 20Pa 时，称为痛阈声压值。 （二）声强 声强是指在垂直于声波的传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能量，用I 表示。单位是J/（s.m2） 或 w/m2。正常人耳对1000Hz 纯音的可听声强是10-12 w/m2 ，称为基准声强。对于平面声波和球面声波，声强I等于：,（5-3）（三）声功率 声功率是描述声源性质的。声源的声功率是指单位时间内声源向外辐射的总声能，单位是：焦耳/秒（J/s）或瓦（w）。在自由声场中，声功率与声强的关系为：W=4r2I （5-4）,三、声级和声级的运算（一）声级1、声压级 （5-5） 2、声强级 （5-6）,3、声功率级 声级的单位是分贝（dB）。无量纲，它表示一个量超过另一个量的程度。采用分贝做单位时，必须要知道其比较的基准值，如：基准声压（210-5Pa），基准声强（10-12w/m2），基准声功率（10-12w）等。,（5-7）,（二）级的运算1、声音的叠加 两个或两个以上的独立声源作用于声场中某一点时，就产生了声音的叠加。对应n个声源的一般情况有： Lp总= （5-8）,当有多个声源,且其作用于某一个点时的声压级不相等时,按上式计算较麻烦,可以利用图5-1或表5-1查图(或表)来计算.计算方法是:假设Lp1Lp2,则 Lp= Lp1- Lp2 则有： Lp总 = （5-9）,由公式（5-9）可绘制成图5-1或表5-1的声级相加运算表,从而直接在图5-1或表5-1中查出两声级叠加时的总声级。 L(dB) 图5-1分贝相加曲线,表5-1 声级运算加法表2、噪声的相减 假设背景噪声的声级为LpB，机器设备的噪声为Lps，总声级为LpT，,Lps= （5-10） LPs=LpT LPB=LPT-LPB令 LPs = - 则 LPs = LPT-LPs,以LPB 为横坐标，LPs为纵坐标，可绘制图5-2或表5-2 图5-2 分贝相减曲线,表5-2 声级运算减法表,四、噪声的频谱分析 频谱分析就是对声音的频率成分进行分析，若以频率为横坐标，以反映相应频率处声信号强弱的量为纵坐标，绘制的曲线图称为频谱图。 频谱分析的方法是使噪声信号通过一定带宽的滤波器，滤波器的带宽越窄，频谱展开越详细。具有对声信号进行频谱分析功能的设备称为频谱分析仪或称频率分析仪。,频谱分析仪的核心是滤波器和声级计。滤波器的作用是把复杂的噪声成分分成若干个具有一定带宽的频带（或称频程），测量时只允许某个特定的频率声音通过，此时声级计表头指示的读数是该频带的声压级，而不是总声压级。滤波器的通带宽度决定频谱分析仪的类型，常用的频谱分析仪通常分为两类：一类是恒定带宽的分析仪，另一类是恒定百分比带宽的分析仪。,噪声测量多用恒定百分比带宽的分析仪，其滤波器的带宽是中心频率的一个恒定百分比值，因此带宽随中心频率的增加而加大。此类分析仪常用于测量无规噪声。最常用的有倍频程和1/3倍频程分析仪。频程分析仪中，每一带宽通过频程的上限截止频率等于下限截止频率的两倍，即f下:f上=1;2，是倍数关系，f= f上-f下，称为频带宽度,在较精密的频谱分析时，需用1/3倍频程。1/3倍频带分析仪使各频带的上限截止频率与下限截止频率的比值为 ，中心频率是上下限频率的几何中值，频带宽度f= f上-f下 。,一、噪声及其危害 环境噪声是来源有四种：交通噪声。工厂噪声。建筑施工噪声。社会生活噪声等。 噪声可能是由自然现象产生的，也可能是由人们活动形成的，噪声可以是杂乱无序的宽带声音，也可以是节奏和谐的音乐声，当声音超过人们生活和社会活动所允许的程度就成为噪声污染。,第二节 噪声及其评价,噪声对人体的危害是多方面的,主要有以下几方面.（一）噪声对听力的影响 调查资料表明，当人们长期在强噪声环境下工作，会使听觉组织受到损伤，出现听力下降，造成耳聋。国际标准化组织规定，听力损失用500Hz、1000Hz和2000Hz三个频率上的听力损失的平均值来表示。,（二）噪声对人体其它部分的影响 1、噪声对神经系统的影响 2、噪声对心血管系统的影响 3、噪声对消化系统的影响（三）噪声对人的工作、学习、睡眠语言交谈和通讯的影响（四）强噪声对仪器设备和建筑结构的危害二、噪声标准（一）环境噪声标准,表5-3 城市各种区域环境噪声标准 单位：dB (A) （GB3096-93）,（二）室内环境噪声允许标准 国际标准化组织（ISO）在1971年提出的环境噪声允许标准中规定：住宅区室内环境噪声的容许声级为3545dB，并根据不同时间、不同地区等条件进行修正，我国民用建筑室内允许噪声级见表5-4。,表5-4我国民用建筑室内允许噪声级,(三)健康保护和听力保护标准 我国颁布的工业企业噪声卫生标准规定，工业企业生产车间和作业场所的噪声标准为接触噪声8h、85 dB(A)，接触时间减半，噪声允许增加3 dB(A)。现有企业经过努力暂时达不到该标准时，可放宽至90 dB(A)，不同接触时间的相应标准见表5-5和表5-6,表5-5 工业企业噪声卫生标准表5-6 现有企业暂时达不到标准的参照表,对于非稳态噪声的工作环境或工作位置流动的情况，根据测量规范的规定，应测量等效连续A声级，或测量不同的A声级和相应的暴露时间，按如下方法计算噪声暴露率D (5-11) 若D1表明8h工作的噪声暴露剂量超过允许标准。,（四）工业企业厂界噪声标准 我国于1990年颁布实施了工业企业厂界噪声标准（GB1248-90）以控制工厂及可能造成噪声污染的企业、事业单位对外界环境噪声的排放。在工业企业厂界噪声标准中规定了四类区域的厂界噪声标准（见表5-7）,表5-7 各类厂界噪声标准值（等效声级Leq）四类标准的适用范围规定如下：类标准适用于以居住、文教机关为主的区域类标准适用于居住、商业、工业混杂区及商业中心区类标准适用于工业区类标准适用于交通干线道路两侧区域,（五）建筑施工场界噪声限值 建筑施工往往带来较大的噪声，国家标准建筑施工场界噪声限值（GB12523-90）中规定了不同施工阶段与敏感区域相应的建筑施工场地边界线处的噪声限值，见表5-8,表5-8 不同施工阶段作业的厂界噪声限值（等效声级Leq）,(六)机动车辆噪声标准 机动车辆噪声标准是控制城市交通噪声的重要基础依据，同时也是城市车辆噪声管理、监测的依据。我国在1997年1月1日实施了汽车定值噪声限值（GB16170-1996）标准。汽车定值是指车辆不行驶、发动机处于空载运转状态。定值噪声反映了车辆主要噪声源排气噪声和发动机噪声的状况。,三、噪声的评价 噪声评价的目的就是为了有效地提出适合于人们对噪声反应的主观评价量。 （一）等响曲线、响度和响度级 响度级是指当某一频率的声音与1000Hz的纯音听起来一样响，这时1000 Hz纯音的声压级就定义为该待定声音的响度级。响度级是表示声音强弱的主观量，它把声压级和频率用一个单位统一起来。把各个频率的声音作上述试听，得出达到同样响度级时频率与声压级的关系曲线，称之为等响曲线.。,响度级是一个相对量，并不能线性地表明不同响度级之间主观感觉上的轻响程度 。为此，引入响度的概念。其定义为正常听力的人耳判断一个声音比响度级为40方的参考声音响的倍数。规定：响度级为40方时的响度为1宋。响度级LN和响度N之间存在下列关系： （5-12）,（二）计权声级 由于人耳对不同频率的声音敏感程度是不同的。在声级不高的情况下，人耳对高频声比对低频声要敏感得多。在许多声学仪器中，考虑到人耳的这种频率特性，设计了一种特殊的滤波器，称为计权网络。通过计权网络测得的声级就是计权声级。计权网络是近似以人耳对纯音的响度级频率特性而设计的，通常采用的有A、B、C、D四种计权网络，,由于A计权声级能较好地反映人耳对噪声强度与频率的主观感觉，因此，对于一个连续的稳态噪声，A计权声级是一种较好的评价方法，A计权声级已成为国际标准化组织和绝大多数国家用作评价噪声的主要指标。表5-9为A计权响应与频率的关系,利用此表可计算出噪声的A声级。,表5-9 计权响应与频率的关系,（三）等效连续A声级和昼夜等效声级 A声级对于一个稳态噪声是一种较好的评价方法。对于非稳态噪声，用A声级进行评价是不合适的。因此人们用等效连续A声级代替A声级来评价非稳态噪声。 所谓等效连续A声级是在某个规定的时间段内的非稳态噪声的A声级，用能量平均的方法，以一个连续不变的A声级来表示该段时间内的噪声级。用Leq表示，其数学表达式为：,(5-13) 当测量是采样测量，采样时间间隔相同时，上式可简化为： （5-14）,由此可见，对于连续的稳态噪声等效连续A声级就是测得的A计权声级。在噪声的测量中计算等效连续A声级可采用如下的方法：以每天工作8h为基准。在某个测点，测出的声级按由小到大的顺序排列，每5dB(A)为一个段落，每段落的中心声级为80、85、90、95，80dB(A)表示7882dB(A)的中心声级，85 dB(A) 表示8387dB(A)的中心声级,低于78dB(A)的声级不予考虑，则每天的等效连续A声级可按下式计算：,(5-15) 由于同样的噪声在白天和在夜晚对人的影响是不一样的，而等效连续A声级并不能反应人对噪声主观反应的这一特点。为了考虑噪声在夜间对人们烦恼的增加，规定在夜间测得的所有声级加上10dB(A)作为修正值，再计算昼夜噪声能量的加权平均，由此构成昼夜等效声级这一评价量，用符号Ldn表示，其定义式为：,(5-16) 式中： Ld昼间（07:00-22:00）测得的噪声能量平均A声级，dB Ln夜间(22:00-07:00) 测得的噪声能量平均A声级，dB （四）累积百分声级（统计声级） 在评价区域环境噪声和交通噪声时 ，常用的是累积百分声级又称统计声级。它主要表示噪声随机的起伏程度。目前采用的评价量为累积百分数声级Lx。,累积百分数声级一般只用于有较好正态分布的噪声评价，对于统计特征符合正态分布的噪声，其累积百分数声级与等效连续A声级之间的近似关系为： （5-17）,（五）交通噪声指数(TNI) TNI的测量是在24h周期内进行大量的A声级取样，取样时间不连续，将取样后的声级从大到小排列，求得累积百分声级L10 和L90，由下式计算交通噪声指数： TNI = 4(L10-L90) + L90 30 (5-18),噪声测量是噪声监测、控制及研究的重要手段。为了对噪声进行正确的测量分析，必须了解测量仪器的性能和用途，明确测量分析的目的，选择合适的测量方法和规范。 一、噪声测量仪器 常用的噪声测量仪器有：声级计、频谱分析仪、 电平记录仪、磁带记录仪和计算机控制测量仪器等。,第三节 噪声监测,（一）声级计 1、声级计的组成 声级计一般由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器和指示器等组成。如图5-3所示，是声级计的典型结构框图,图5-3 声级计组成,2、声级计的分类 国际电工委员会（IEC651）和国家标准GB3785-83将声级计按精度分为O型、型、型和型四种类型，见表5-10。在环境噪声测量中，主要使用型（精密型）和型（普通型）。,表5-10 声级计的分类,3、声级计的工作原理 声压由传声器膜片接收，将声压信号转换成电信号，经前置放大器作阻抗变换后送到输入衰减器将较强信号衰减。由衰减器衰减的信号，再由输入放大器定量放大，放大后的信号由计权网络模拟人耳对不同频率有不同的灵敏度的听觉响应，在计权网络处可外接滤波器，可作频谱分析。输出的信号由输出衰减器减至定额值，送到输出放大器放大，使信号达到相应的功率输出，输出信号经均方根检波电路检波后送出有效值电压推动电表，显示所测的声压级。,（二）频谱分析仪和滤波器 具有对信号进行频谱分析功能的设备称为频谱分析仪（或称频率分析仪）。频谱分析仪不仅可以进行噪声的测量，还可以进行频谱分析。若以频率为横坐标，以反映相应频率处声信号的强弱的量为纵坐标，可绘制出声音的频谱图。,频谱分析仪通常分为两类：恒定带宽分析仪和恒定百分比带宽分析仪，一般测量多用恒定百分比带宽分析仪。其滤波器的带宽是中心频率的一个恒定百分比值，频带宽度随频率的增加而增宽，适用于测量分析非稳态的噪声。最常用的恒定百分比带宽分析仪有倍频程和1/3倍频程频谱分析仪。恒定百分比带宽分析仪，只适用于稳态连续噪声，对于非稳态连续噪声用此类型仪器测量时，可利用记录器记录噪声信号，然后反复重放进行测量。,（三）电平记录仪和磁带记录仪 对于一些非稳态噪声和脉冲噪声等，利用一般的频谱分析仪器分析很不方便，就需要把现场的信号记录和储存起来，再进行分析。 常用的信号记录和储存仪器仪有：电平记录仪和磁带记录仪（又称录音机）。电平记录仪是实验室常用的一种记录仪器，它能把测量结果记录在记录纸上。把声级计与电平记录仪联合使用，可测量和记录噪声随时间的分布，再配合倍频程和1/3倍频程滤波器，可直接记录噪声的频谱，绘制噪声的频谱图。,磁带记录仪是较常用的现场测量信号的记录储存仪器，其工作原理与一般磁带录音机基本相同，但其性能要求较高。噪声测量使用的磁带记录仪，必须在测试频率范围内有较宽的动态范围，抖动要小和有较低的电磁声等。（四）计算机控制测量仪器 1、噪声声级分析仪 噪声声级分析仪适用于各类环境噪声的检测和评价。对于道路交通噪声、航空噪声、环境噪声等随时间变化的非稳态噪声，我国标准规定采用Leq、L5 、L10 、L50 、L90等量作为评价量。,2、实时分析仪 实时分析仪是将瞬时信号全部显示于屏幕上，存储以后可用电平记录仪和计算机等记录或打印下来。经常使用的实时分析仪有两种：一种是1/3倍频带的实时分析仪，另一种是窄带实时分析仪。 1/3倍频带的实时分析仪的工作原理是：输入信号通过前置放大器，输给多个并联的1/3倍频程滤波器，每个滤波器都有自己的检波器、积分器和存储电路，通过开关和逻辑电路在显象管上显示。输出信号可供电平记录仪记录或小型计算机自动进行数据处理。,窄带实时分析仪是利用时间压缩原理，把输入信号存入储存器中，通过模数转换系统高速取样，用模拟滤波器分析，若把窄带实时分析仪和小型计算机连用，可组成一个数据自动采集和处理系统。窄带实时分析仪可对噪声和振动进行详细的分析，可用于语言、音乐等声信号的分析。,二、噪声测量方法（一）城市区域环境噪声的测量 国标GB/T14623-93城市区域环境噪声测量方法规定了具体的方法：对于噪声普查应采用网格测量法，对于常规监测，常采用定点测量法。1、网格测量法 将要普查测量的城市某一区域或整个城市划分成若干个等大的正方形网格，网格要完全覆盖被普查的区域或城市。测量点设在每一网格的中心。测量时分昼间和夜间进行。,每次每个测点测量10min的等效连续A声级Leq，将全部网格中心测点测得的10min的等效连续A声级Leq做算术平均运算，所得到平均值代表某一区域或全市的噪声水平，也可将测量到的连续A声级按5dB一档分级,用不同颜色或阴影线表示每一档等效A声级，绘制在覆盖某一区域或城市的网格上，用于表示区域或城市的噪声污染分布情况。,2、定点测量法 在标准规定的城市建成区中，优化选取一个或多个能代表某一区域或整个城市建成区环境噪声平均水平的测点，进行24h连续监测，测量每小时的Leq及昼间A声级的能量平均值Ld、夜间A声级的能量平均值Ln。某一区域或城市昼间（或夜间）的环境噪声平均水平由下式计算：,（二）城市交通噪声测量 道路交通噪声是城市环境噪声的重要组成部分，测量方法和一般环境噪声测量方法相同，所不同的是测量点应选在市区交通干线一侧的人行道上，距离马路沿20cm处，距交叉路口应大于50m，该测点的噪声可代表两路口间该段马路的噪声。测量结果可按有关规定绘制成交通噪声污染图，并以全市各交通干线的等效声级Leq和统计声级L10、L50、L90的算术平均值、最大值及标准偏差表示全市的交通噪声水平，用于城市间交通噪声的比较：,交通噪声的起伏一般符合正态分布，因此交通噪声的等效声级可用下式表示：,(5-19),(5-20),（三