第四章 声学基础概述(2).ppt

声学基础概述,船艇振动与噪音,4.3 声波传播的特性,声波在传播过程中由于声源本身、离声源的距离、声源与测点之间的物体、空气等因素的影响，使得声波在传播过程中具有一定的指向、衰减、吸收、折射、反射、衍射、干涉等现象发生。为了有效地控制噪声，必须对声波的传播特性进行分析。,一、声源的指向性,声源发声时，在声源四周各方向上，声能的分布并不一定均匀。声源的声音强度在各个方向上分布的不均匀性就称作声源的指向性特性。声源的指向性与声源的种类、尺寸及辐射声波的波长等有关。,设声波在一个无界的空间中传播，若声波波长比声源尺寸大得多时（多在低频时发生），声波就以球面波的形式均匀地向四周辐射，这种声源称为点声源，而点声源不存在指向性。,当声波波长比声源尺寸小得多时，声源发出的声波就以发散的“声束”向正前方传播； 声波的波长与声源尺寸的比值越小，则辐射声束的发射角就越小，指向性越强； 当二者比值非常小时，声音便以几乎不发散的“声束”呈平面形状由声源向外传播。,二、声波的衰减,声波在媒介中传播时，其声压或声强随离开声源距离的增加而逐渐衰减。造成这种衰减的原因为：一是传播衰减，二是空气吸收。,1传播衰减,（1）点声源。如果声源尺寸比声源波长小得多，可以认为声源为点声源。点声源像一个球心，声波从球心以同样速度向四周辐射，其波前面积随传播距离的增加不断扩大，通过波前单位面积的声能不断减少。所以，声音的强度一般随传播距离的增加而衰减。对于点声源，声音的强度随距离的平方成反比规律衰减。如距声源增加2、3、4倍时，声音的强度将相应减为1/4、1/9、1/16。,（2）线声源。线声源可以认为是由大量的分布在同一直线上，且十分靠近的点声源所组成的，如马路上连续不断行使的汽车噪声，一长串火车噪声、输送管道噪声等，都可以看成是线声源。,2空气吸收,声音在空气中传播时，由于空气的粘滞阻力、热传导等影响，声能不断被空气吸收转化为其他形式的能。例如空气分子间的摩擦可使部分声能转化为热能，形成声衰减。 空气吸收声能而引起的声衰减与声音频率、空气温度、空气湿度有关。其原因有两个方面，一是由于空气的粘性与热传导使部分声能转变成热能而损耗；二是由于声波通过空气时引起气体分子碰撞导致能量交换而产生附加吸收作用。,三、声波的反射、折射和投射,声波在传播过程中，遇到不同介质的物体时，一部分声波反射回来的现象，称作声波的反射；一部分声波进入第二介质，产生折射，称作声波的折射；一部分透过物体，产生透射，称作声波的透射；还有一部分声波在物体内部损耗掉。,声波在传播过程中的能量变化 入射声能； 反射声能； 吸收声能； 透射声能,1声波的反射,声波在传播过程中发生反射现象，是由于遇到了特性阻抗不同的界面。声波反射现象的强弱可用反射系数的大小来表示，反射系数等于反射声能与入射声能之比。,从特性抗阻为 的介质到特性抗阻为 的介质，垂直入射声波的反射系数 可由下式计算。反射系数值越大，则反射出的声能越多。,声波的反射还与声波的波长、障碍物的大小以及表面光滑程度有关。当声波波长比障碍物表面尺寸小时，可将声音反射回去。声波波长比障碍物的表面尺寸小的越多时，反射越容易，并可在障碍物后面形成一个声影区。,2声波的折射,声波在传播过程中，遇到不同特性阻抗的界面时，除部分声波发生反射外，有一部分声波在传播方向上发生改变，称为声波的折射。如图所示。折射定律为：入射线、折射线和法线在同一平面内，且不管入射角大小如何，入射角 的正弦值与折射角 的正弦值之比等于在第一种介质中的声速 与第二种介质中声速 之比。,声波的反射与折射,式中 第一介质对于第二介质的相对折射率； 第一介质中的声速，m/s； 第二介质中的声速，m/s；,3声波的透射,设单位时间的入射声能为 ，反射声能为 ，在物体内损耗的的声能为 ，透射声能为 ，则它们有如下关系：,反射声能与入射声能之比，称为反射系数：,透射声能与入射声能之比，称为透射系数： 人们把反射系数 小的材料称为吸声材料，把透射系数 小的材料称为隔音材料。,四、声波的衍射,声波在传播途径上遇到障碍物或孔洞时，如果波长比障碍物或孔洞大得多，部分声波的传播方向发生改变，可以绕过障碍物边缘前进的现象，称作声波的衍射或绕射。影响衍射的主要因素是声波波长和障碍物的尺寸。声波波长比障碍物尺寸大得越多时，衍射现象越明显，如图所示。,显然，低频声波较高频声波的波长要长，容易发生衍射；若障碍物的尺寸远大于波长，虽然还有衍射，但在障碍物背后的边缘附近将形成一个声影区，如图c所示。,五、声波的干涉和驻波,当两个声源发出的声波在同一介质中传播，且两个频率相同的声波以同样相位到达某一点时，则两个声波加强，合成振幅为两个振幅之和；当两波相位相反时，则相互减弱或完全抵消，合成振幅为两波振幅之差。这种现象称作声波的干涉。在两波源连线上的相邻加强点之间或相邻减弱点之间的距离总是半波长，而相邻加强点与减弱点之间的距离总是1/4波长。加强点称作波腹，减弱点称作波节，波腹和波节总是不变的，这种现象称作驻波。,六、声音的掩蔽,一个声音为另一个声音所掩盖，即一个声音的听阈因另一个声音的存在而提高的现象，称为声音的掩蔽。听阈提高的分贝数称为掩蔽量。如果大声源超过小声源10dB，则小声源可以忽略不计，就认为大声源掩蔽了小声源。由于噪声的干扰，使人们谈话吃力，甚至提高声音，也难以清晰地听清对方的声音，这就是噪声对语言的掩盖效应。因此，由于噪声的掩盖效应，必将影响安全生产。,4.4 噪声的基本概念,一、噪声的概念从物理学观点来看，凡是振幅和频率杂乱、断续或统计上无规律的声振动和听起来不和谐的声音，都称为噪声。 心理学则认为噪声的概念是主观的、相对的，把凡是使人讨厌的、烦躁、不需要的声音均称为噪声。,噪声是声波的一种，具有声波的一切特性。但从噪声给予人们的感觉与影响来讲，即从“噪声控制”这一学科来说，所谓噪声就是人们不需要的声音的总称。所以，凡是妨碍交谈和回忆、妨碍学习、睡眠等有损于人的欲求、愿望和目的的声音统称为噪声。,二、噪声的分类,噪声的分类方法大致有三种：（1）按照噪声的发生原因，可将噪声分为三大类：空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声。（2）噪声是复音，按其频率成分，噪声又可分为：有调噪声和无调噪声。 （3）按照噪声的来源可将噪声分为生活噪声、交通噪声、工业噪声。,4.5 噪声的危害及其评价,4.5.1 噪声的危害一、噪声危害人体健康 噪声对人体健康的危害与影响是多方面的，表现最明显的是对听觉器官的损伤，长时间在强噪声环境下工作可以导致噪声性耳聋。,人们在较强的噪声环境下，例如机舱，会感到刺耳难受，甚至感到耳朵疼痛；持续在噪声环境中待上一段时间，离开这个环境后，耳朵会嗡嗡作响，听别人说话仿佛声音变小了，休息一段时间后，听觉就会逐渐恢复原状，这种现象称暂时性听阈偏移，也称作听觉疲劳。这种情况属于暂时的功能性变化，内耳听觉器官尚未受到器质性损伤。,听觉器官的适应性是有一定限度的，如果长期在强噪声环境中工作，听觉器官反复经受强烈的噪声刺激作用，久而久之，使内耳发生器质性病变，虽然休息，也不能解除听觉疲劳，使暂时性听阈偏移变成永久性听阈偏移，就形成了噪声性耳聋。因其与所从事的职业有关，又称作职业性耳聋或职业性听力损失。,2噪声影响神经系统,噪声不仅对人耳产生影响，长期暴露于噪声环境中，噪声便会作用于中枢神经系统，久而久之，使大脑皮层的兴奋与抑制平衡失调，导致条件反射异常，脑血管功能受到损害，脑电位发生改变。这些变化在早期尚可恢复，但若长时期暴露在噪声之中，将会形成牢固的兴奋灶，从而影响神经系统，产生头疼、头晕、耳鸣、失眠、失梦、心慌、记忆力减退、恶心、乏力等症状，医学上统称为神经衰弱症。,3噪声影响心血管系统噪声对心血管系统的影响表现在可使心跳加快、心律不齐、血管痉挛、血压增高等。一些医学专家还认为，噪声可以导致冠心病与动脉硬化等。,4噪声影响消化系统由于强噪声刺激中枢神经系统，会使胃功能紊乱，消化液分泌异常，胃液浓度降低，从而造成消化不良，食欲减退、消瘦、体质衰弱等。,二、噪声干扰人们的生活、休息和睡眠噪声妨碍和干扰人们的语言交谈和日常社交活动，干扰人们的休息和睡眠，已经成为社会性的环境公害。噪声不但影响人们睡眠的数量，而且影响睡眠的质量。中、老年人和病人对噪声特别敏感。,三、噪声影响安全生产和降低劳动生产率由于噪声的干扰，容易使人疲劳，注意力不集中、心情烦躁，反映迟钝，使工作效率下降，对精密加工及脑力劳动者的影响更加显著。因为在噪声刺激下，人们的注意力很不集中，难于进行思考，不仅影响效率，而且影响作业的准确性。,四、高强噪声能损害物质结构和建筑物高强噪声与振动还会影响机械设备的使用寿命、损坏仪器、危害建筑物等。当飞机做超声速飞行时，会产生巨大的轰鸣声，称之为轰声。巨大的轰声对物质的结构和建筑物都有很大的损害。,4.5.2 噪声的评价方法,噪声危害的大小不仅与声音的强度、频率成分及作用时间有关，还与人的听觉特性及接受噪声这的情绪有关。 所谓对噪声的主观评价包括两个方面：一是根据噪声的客观强度、频率分布、作用时间长短等因素，从人接受该噪声后的主观感受出发，对噪声状况进行计量与分析；二是研究与判断噪声对人和环境方面造成哪些危害，以及危害的程度如何进行分析。,一、等响曲线、响度级、响度,根据人耳主观感觉的响度大小，不仅与声压级有关而且还和频率有关，仿照声压级的概念，同样可引出响度级，其单位是方。所谓响度级，就是以1000Hz的纯音作标准，使其和某个声音响起来时一样响，那么，1000Hz纯音的声压级就定义为该声音的响度级，记做，单位为Phon（方）。响度级是表示声音响度的主观量，它把声压级和频率用一个单位同意起来了。,用与基准声音比较的方法，可以得到整个可听范围内纯音的响度级。通过大量的生理学试验可得响度曲线，也称等响曲线。这是一簇响度级与声压级和频率关系的曲线，每根曲线是相等响度的声音对应点的连线，它相当于声压级不同，频率不同，但响度级却相同的声音，如图所示。,二、A、B、C计权声级,国际电工委员会标准规定，一般测定噪声的仪器声级计，可分别模拟40Phon、70Phon、100Phon三条等响曲线设置三套网络，称作A、B、C网络，可以分别测定低、中、高三种强度的声音。声压级低于55dB的声音用A网络；5585dB之间的声音用B网络；85dB以上的声音用C网络。,通过多年实践发现，A计权网络不仅可用于测量55 dB以下的声音，也可用于测量55dB以上中、高强度的声音，将所测得到的A声级用于噪声评价时，与其他测量和评价的方法一样可靠。A声级越高，噪声所引起的危害也越大。同时，A级声和其它许多噪声评价量可用换算，使用也很方便。所以，目前已为国际标准化组织和绝大多数国家采用，而作为噪声评价和控制标准的基本量。,三、噪声评价曲线,相同的A声级，其频谱特性往往差异很大。所以，在确定各倍频程带的噪声容许标准时，人们提出了噪声评价曲线(即N曲线)，称为噪声评价数N,4.5.3 噪声控制的标准,1国际标准化组织（ISO）推荐的标准1971年，国际标准化组织公布了职业性噪声暴露和听力保护标准（ISO R1999）。标准（ISO R1999）规定：每天工作8h容许连续噪声的噪声级为8590 dB(A)；工作时间减半，容许噪声级允许提高3 dB(A)，为保护听力，并规定：在任何情况下均不应超过115 dB(A),2.我国颁布的噪声标准我国于1979年8月由卫生部和国家劳动总局颁发了工业企业噪声卫生标准（试行草案），从1980年1月1日起施行。该标准是听力保护标准，它所规定的噪声标准是指人耳位置的稳态A声级或非稳态A声级的等效声级。,我国关于船舶方面的现行噪声标准是按照1986年制定的关于内河船舶和海洋船舶的噪声标准来执行的。国家标准文件GB598086对内河船舶的噪声级作出了规定。该标准规定了内河船舶舱室噪声级的最大限制值，并未船舶的设计、制造、检验和使用部门提供了对噪声的评价依据。该标准适用于货船、油船、客货船、推（拖）船、旅游船和绞吸式挖泥船。,4.5.4 噪声控制的基本途径,在一般情况下，声源停止发声，噪声即刻消失，并且只有当声源、声音传播的途径和接受者同时存在，才对听者形成于扰。人们将噪声声源、传播途径和接受者称为噪声污染“三要素”,根据“三要素”，控制噪声污染的途径可从三个方面考虑：降低声源噪声、限制声的传播与阻断声的接收。在治理噪声时，既要从这三条基本途径出发，分别研究对策，又要将这三方面当做一个系统综合考虑，在满足降噪要求的前提下，兼顾工艺操作性能，寻求出一个经济合理的最佳方案。,一、声源控制根据形成噪声污染的因素可知，消除噪声污染首先应从机器设备本身考虑，通过研制和选用低噪声设备和改进工艺，提高设备的制造精度和安装技术，使发声体变为不发声体或改造为弱发声体，降低发声体的辐射功率。这样使声源不存在或声功率大大降低，就可从根本上消除或降低噪声的污染。,1改善机械产品的声学性能改善机械产品的声学性能可从设计，制造与维修三个环节着手，以求降低机械本身噪声，其中设计是关键。,2材料的选