人机工程学 第七章 2声环境

第二节 声环境,一、声音及其度量二、噪声及其对人的影响三、噪声对作业效率的影响 四、噪声测量五、噪声控制,第二节 声环境,随着生产技术的迅速发展，噪声干扰范围之广，危害之深有增无减。据联合国统计，目前城市的噪声与1956年相比增加了4倍。在我国，约有二千万人在90分贝以上的环境下工作，有约2亿人在超过环境噪声标准下生活。 噪声的危害是多方面的，最直接受到损害的是听觉系统。此外，噪声还能影响胃肠道的正常分泌，使肠蠕动功能改变，引起代谢过程的紊乱，造成多种疾病。噪声对人的视力，对妊娠和胎儿发育都会造成不良影响。所以噪声已被认为仅次于大气污染和水污染的第三大公害。,第二节 声环境,一、声音及其度量声波是一种交变的压力波，属于机械波。频率、波长和声速是描述声波的三个重要参数。,1、声的基本知识,第二节 声环境,三个重要的物理量(1) 频率传声媒介质点每秒钟振动的次数称为频率，用f表示。媒介质点振动一次所需要的时间称为周期，用T表示。频率和周期成倒数关系，即 f1T通常将频率低于300Hz的声音称为低频声；3001000Hz的声音称为中频声；1000Hz以上的声音称为高频声。,第二节 声环境,(2) 波长声波在媒介中振动一次所经过的距离称为波长，用表示。(3) 声速声波在媒介中传播的速度称为声速，记作v，单位为米秒（ms），波长、频率和声速三者的关系为 f声速的大小主要与介质的性质和温度的高低有关。在20时，空气中声速为340ms，空气的温度每升高1,声速约增加0.607ms。,空气中 V=331.45+0.61t,第二节 声环境,1、声强度的物理度量区别噪声的不同强度，可用下列物理指标：(1) 声压与声压级：声压是声波通过传播媒介时产生的压强，以P表示，单位为Pa。正常人耳的听阈声压为210-5Pa，而痛阈声压为20Pa，两者相差百万倍，由于此范围太大，故用声压来表示声音的强弱极不方便，于是引入声压级： LP=20lg（P/P0） 式中，LP表示声压级（dB）；P表示声压（Pa）；P0基准声压，国际上规定选用听阈声压210-5Pa 。,第二节 声环境,(2) 声强与声强级：在单位时间内通过与声波传播方向垂直的单位面积的平均声能称为声强，以I表示，单位为W/m2。声强级L I等于某一频率的声强与基准声强的比值的常用对数乘以I 0，其表达式为： L I =10lg（ I / I 0 ）式中： L I声强级（dB）； I声强（W/m2）；I 0基准声强，为人耳刚刚能听到的声音的强度，即听阈声强10-12 W/m2。痛阈声强等于1 W/m2。,第二节 声环境,声强与声压的关系 当在1atm，38.9时，空气的c 400Pas/m， LI Lp 在一般情况下，空气中的声波LI与 Lp 的值相差0.2dB，故LILp,空气密度 kg/m2 p声压 N/m2 c音速 m/s,第二节 声环境,(3) 声压级的合成在实际问题中，往往同时存在多个声源，因而需要计算各个声源的声压级与总声压级的关系。 求总声压级：设在某点测得的几个声压级为 Lp1,Lp2,，Lpn，则 Lp总10lg（100.1Lpi） （i1,2,，n） 求声源的声压级：某一声源的声压级，总是在一定背景声源下测得。要准确地了解声源的声压级，必须从总声压级中剔除背景声源的影响， Lp源10lg（100.1Lp总100.1Lp背）,第二节 声环境,计算例题例1 强度为80dB的噪声，其相应的声压为多少？解：Lp20lg（p/p0），则，pp010 Lp/20所以，p210510 80/200.2Pa例2 声强为106 W/m2时的声强级是多少？解：L10lg（I/I0）10lg（ 106 /1012 ）所以，L60dB,第二节 声环境,例3 室内洗衣机工作时，测得噪声声压p0.02Pa；电冰箱单独开动时声压级是54dB，试计算两者同时开动时的合成声压级。解：洗衣机单独工作时声压级为：L120lg0.02/（2105）20360dB电冰箱声压级L254dB因为 : L10lg（ 10 0.1L110 0.1L2） 10lg 10 6 10 5.4）60.9732=61则两者同时工作时L61dB,第二节 声环境,(4) 频程与频谱分析频程 声音的可听频率范围很宽（20-20000Hz）,在环境噪声评价中，一般将可听频率划分成若干个频带，然后把每一频带的总噪声值与相应频带的中心频率对应起来。环境噪声常用的有1/1倍频程和1/3倍频程。设fa , fb 分别为相邻频带的中心频率 则： n log2(fa/fb) 若 n1 即为1/1倍频程 n1/3 即为1/3倍频程 频程带的上下限频率与中心频率的关系为：式中： fc频程带中心频率， fh频程带上限频率 fl频程带下限频率,一倍频程的中心频率和频率范围,1/3倍频程的中心频率和频率范围,第二节 声环境,频谱分析各频率成分与能量分布关系的图形称为频谱图 以频率为横坐标，以声压级(或声功率级)为纵坐标进行绘图。,第二节 声环境,2、噪声的主观量度由于人耳对声音的主观感觉不仅与声压或声强有关，而且与频率有关，如对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝。因此，声压级相同而频率不同的声音，听起来可能不一样，即噪声的物理量度并不能表征人对声音的主观感觉。有必要将声压与频率统一起来，作为人对噪声进行评价的主观感觉量。,第二节 声环境,(1) 响度与响度级 当某一频率的纯音和1000Hz的纯音听起来同样响时，这时1000Hz的纯音的声压级就定义为该待定声音的响度级。响度级的符号为LN，单位为方（phon）. 假如一个噪声听起来和频率1000Hz、声压级70dB的标准纯音一样响，那么这个噪声的响度级就是70方（phon）。,第二节 声环境,响度以N表示，单位为宋（Sone）。一宋定义的声压级为40dB，频率为1000Hz。如果另一个声音听起来比这个大n倍，即声音的响度为n宋。响度与响度级的关系为： N = 2 (LN-40)/10 或 N响度（ 宋, some） LN响度级（方, phon）40phon为1sone，50phon为2sone，60phon为4sone，即响度级每改变10phon，响度相应改变1倍。,第二节 声环境,响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。例如，两个不同频率而都具有60方的声音，合成后的响度级不是6060120（方），而是先将响度级换算成响度进行合成，然后再换算成响度级。本例中60方相当于响度4宋，所以两个声音响度合成为448,而宋按数学计算可知为70方，因此两个响度级为60方的声音合成后总响度级为70方。,第二节 声环境,(2) 等响曲线 利用与标准纯音比较，可得出整个可听频率范围的纯音响度级，绘成曲线即为等响曲线。,第二节 声环境,(3) 计权声级为使噪声测量结果与人对噪声的主观感觉量一致，通常在声学测量仪器中，引入一种模拟人耳听觉在不同频率上的不同感受特性的计权网络，对被测噪声进行测量。通过计权网络测得的声压级称为计权声级，简称声级。 在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权，使接收的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。一般设置A、B 和C 三种计权网络。 D计权声级是对噪声参量的 模拟，专用于飞机噪声的测量。,第二节 声环境,A 计权网络是模拟人耳对40 方纯音的响应，当信号通过时，其低频段（500Hz 以下）的声音有较大的衰减；B 计权网络是模拟人耳对70 方纯音的响应，它使接收、通过的低频声音有一定的衰减；C 计权网络是模拟人耳对100 方纯音的响应，在整个可听频率范围内有近乎平直的特性。使所有频率的声音近乎平直通过。 不同计权网络测量的结果，分别标以dB（A）、dB（B）或dB（C），称为A 声级、B声级或C声级。 原来规定70dB以下用A声级计，7090 dB用B声级计，90 dB以上用C声级计。后来研究表明，无论声强多大，A声级都能较好地反映人耳的响应特征，所以，如无特殊说明，基本都用A声级表示噪声评价指标。,第二节 声环境,几种常见声源的A 声级,第二节 声环境,二、噪声对人的影响1、噪声对听力的影响 长期在强噪声环境下工作，会使内耳听觉组织受到损伤，造成耳聋；慢性的噪声性耳聋听力损失用500Hz、1000Hz和2000Hz三个频率上听力损失的平均值来表示。听力正常（听力损失在15dB以内)；接近正常（听力损失1525dB)；轻度耳聋（听力损失2540dB)；中度耳聋（听力损失4065dB)；重度耳聋（听力损失65dB以上）。噪声级在80dB以内，才能保证人们长期工作不发生耳聋。在90dB以下，只能保证80的人工作40年后不会耳聋；85dB仍会有10的人产生噪声性耳聋。强噪声性耳聋，或爆震性耳聋,第二节 声环境,2、噪声对语言通讯的影响 （1）语言干扰级噪声级与干扰谈话的关系，可用不能被听到的话占全部讲话的百分数来表示。某一强度的噪声对谈话的干扰程度可用下式表示：听不到的话（%）=-11.17+0.1989dB(A)例如，在80dB的噪声中谈话，不能被对方听到的话占全部讲话的百分数为4.74%。,第二节 声环境,（2）语言干扰级噪声对语言干扰最大频率成分为500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz为中心频率的4 个倍频程声压级算术平均值SIL，单位是dB。 SIL（Lp500Lp1000Lp2000Lp4000）4为了在噪声环境中正确的获得语言信息，一般要求信噪比大于10dB,即谈话的总声压级比语言干扰级SIL高出10dB，才能听清楚。,第二节 声环境,3、噪声对人体的影响噪声在85dB（A）以下时，对人的生理作用不明显。90dB（A）以上的噪声对中枢神经系统、心血管系统、消化系统、呼吸系统和视觉器官均产生明显的不良影响。 对生理的影响神经系统的影响噪声作用于人的中枢神经系统，使大脑皮层控制失调，导致失眠，多梦，记忆减弱，神经衰弱。,第二节 声环境,心血管系统的影响噪声是心血管疾病的危险因子，噪声会加速心脏衰老，增加心肌梗塞发病率。在平均70分贝的噪声中长期生活的人，可使其心肌梗塞发病率增加30左右，特别是夜间噪音会使发病率更高。调查发现，生活在高速公路旁的居民，心肌梗塞率增加了30左右。20世纪生活中的噪声是造成心脏病的一个重要原因。,第二节 声环境,消化系统的影响 噪声可引起消化系统障碍，使胃的收缩机能和分泌机能降低。研究表明，噪声在80-85dB时，胃在1min内的收缩次数可减少37%。噪声还可使肠蠕动减少和唾液减少。据统计，噪声大的工业行业溃疡症的发病率比安静环境高5倍。,第二节 声环境,视觉功能的影响人们只知道噪声影响听力，其实噪声还影响视力。试验表明：当噪声强度达到90分贝时，人的视觉细胞敏感性下降，识别弱光反应时间延长；噪声达到95分贝时，有40的人瞳孔放大，视模糊；而噪声达到115分贝时，多数人的眼球对光亮度的适应都有不同程度的减弱。所以长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等眼损伤现象。同时，噪声还会使色觉、视野发生异常。,第二节 声环境, 对人的心理的影响 噪声对心理状态的影响主要是烦恼。烦恼是指噪声引起的烦燥、焦虑、讨厌、生气等不愉快的心理情绪。烦恼可用烦恼度来度量其程度，其计算式为：烦恼程度=-4.798+0.1058dB(A)“5”表示极度烦恼；“4”表示很烦恼；“3”表示中等烦恼；“2”表示稍有烦恼；“1”表示没有烦恼。噪声引起的烦恼程度还与噪声的频率、噪声的时间变化有关。,第二节 声环境,三、噪声对作业效率的影响 1、对作业的影响噪声对作业效率的影响，分为思维性作业和体力劳动，一般认为：思维分析作业：5060 dB（A）以上会产生影响；体力作业 ：8590 dB（A）以上会产生影响。噪声对工作的影响主要表现在以下几个方面： 降低工作效率； 易造成差错； 会降低工作质量； 加速疲劳； 易引发事故。,第二节 声环境,2、噪声对作业效率的影响特点 一般高频噪声的影响大于低频噪声； 噪声级越大，影响越大，大于100 dB（A ）以上要认真采取措施进行降噪； 间断性（脉冲性）噪声的影响大于连续性噪声，如：压、冲机械噪声的影响是比较大的。,第二节 声环境,四、噪声测量1、测量仪器随着大规模集成电路和信号处理技术的迅速发展，现代的声学仪器日新月异，品种繁多，本章仅介绍声级计特性和使用方法。,在噪声测量中声级计是常用的基本声学仪器。它是一种可测量声压级的便携式仪器。国际电工委员会1EC651和国标GB378583将声级计分作0、I、四种等级，在环境噪声测量中，主要使用I型(精密级)和型(普通级)。,第二节 声环境,声级计分类 2、电容式声级计工作原理 电容传声器是由一个非常薄的金属膜(或涂金属的塑料膜片)和相距很近的后极板组成。膜片和后极板相互绝缘，构成一个电容器。在两电极上加恒定直流极化电压，使静止状态的电容c。充电，当声波入射到膜片表面时，膜片振动产生位移，使膜片与后极板之间的间隙发生变化，电容量也随之变化，导致负载电阻R上的电流产生变化。这样，就能在负载电阻上得到与入射声波相对应的交流电压输出。,第二节 声环境,第二节 声环境,五、噪声控制 形成噪声干扰过程的三要素是声源、传播途径、噪声接受者。噪声的控制也必须从这三个方面入手而加以解决。1、控制噪声源 ：这是最根本的措施，包括降低激发力，减小系统各环节对激发力的响应以及改变操作程序