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8992dB；电喇叭为90110dB；汽喇叭（火车）105110dB。,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90106dB，机械工业80120dB，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（3050dB）、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20Hz20000Hz。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4590Hz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210-5Pa；普通房间的声压是0.1Pa；人们喧哗的声压是0.51Pa。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：Pas/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，210-5Pa,（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Lp1Lp2，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,pu,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=pu=u,p=pi+pru=ui+ur,p=ptu=ut,界面,pu,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