噪声振动第6章1

1、第6章 噪声污染及控制第6章 环境噪声及其控制随着工业和交通运输的发展，人口迅猛膨胀，噪声对环境质量的影响日趋严重。据不完全统计，近年来向环境保护部门写信或控告的污染事件中，噪声事件所占的比重已上升到第一位。噪声不但会影响人的正常生活、学习和工作，还会危害人体健康。因此，降低周围环境的噪声，防止噪声的危害，已成为人们的迫切愿望。6.1 噪声污染6.1.1 噪声的定义一般认为凡是不需要的，使人厌烦并对人类生活和生产有妨碍的声音都是噪声(noise)。因此，它不单独取决于声音的物理性质，而且和人类的生活状态有关。例如，听音乐会时，除演员和乐队的声音外，其他都是噪声；但当睡眠时，再悦耳的音乐也是噪声

2、。看来，要对噪声下一个确切的定义是较难的，但是，作为感觉公害，归纳起来，噪声大致可分为四类：(1) 过响声。如喷气发动机发出的轰隆声。(2) 妨碍声。此种声音虽不太响，但它妨碍人的交谈、思考、学习、睡眠和休息。(3) 不愉快声。如摩擦声、刹车声均属此类。(4) 无影响声。日常生活中，人们习以为常的声音，如湖外风吹树叶的沙沙声等。由于噪声会妨碍人的休息和健康、降低工作效率，因此它对周围环境造成的不良影响叫噪声污染(noise pollution)。6.1.2 噪声的特征 由于噪声属于感觉公害，所以它与其他由有毒物质引起的公害不同，与大气污染、水污染相比，有以下四个特点。(1) 噪声是人们不需要的

3、声音的总称，因此一种声音是否属于噪声完全由判断者心理和生理上的因素所决定。对于某人喜欢的声音，对于另外一个人是噪声的情况是很多的，例如优美的音乐对于正在思考的人却是噪声。所以，可以说任何声音都可以成为噪声。(2) 噪声具有局部性。声音在空气中传播时衰减很快，它不像大气污染和水污染影响面广，而是带有局部的特点。但是在某些情况下，噪声的影响范围很广，例如发电厂高压排气放空，其噪声可能干扰周围几十公里内居民生活的安宁。(3) 噪声污染属物理污染，在环境中不留下任何物质，也不积累，随声源的停止噪声也随即消失。(4) 噪声污染一般不会直接致命或致病，它的危害是间接的和慢性的。6.1.3 噪声的分类按噪声

4、的来源，可分为工业噪声、交通噪声和生活噪声。按噪声产生的机理，工业交通噪声又可分为空气动力性噪声、机械性噪声和电磁性噪声；生活噪声又可分为电声性噪声、声乐性噪声和人类语言性噪声。 (1) 空气动力性噪声：这类噪声是高速气流、不稳定气流中由于涡流或压力的突变引起了气体的振动而产生的。例如通风机、鼓风机、空压机、燃气轮机、锅炉排气放空等所产生的噪声都属于这一类。 (2) 机械性噪声：这类噪声是在撞击、摩擦和交变的机械力作用下部件发生振动而产生的。例如织布机、球磨机、破碎机、电锯、汽锤、打桩机等产生的噪声都属于这一类。 (3) 电磁性噪声：这类噪声是由于磁场脉动、磁场伸缩引起电器部件振动而产生的。例

5、如电动机、变压器等产生的噪声属于此类。(4) 电声性噪声：此类噪声是由于电-声转换而产生的。例如广播、电视、收录机、电话机、电子计算机等产生的噪声属于此类。 其余几类噪声是我们日常生活中经常遇到的，在此不一一介绍了。6.1.4 噪声的危害 40dB是正常的环境声音，一般被认为是噪声的卫生标准。在此以上便是有害的噪声，它影响睡眠和休息、干扰工作、妨碍谈话、使听力受损伤，甚至引起心血管系统、神经系统、消化系统等方面的疾病。归纳起来，噪声的危害主要表现在以下几个方面：1 干扰睡眠 睡眠是人消除疲劳、恢复体力和维持健康的一个重要条件。但是噪声会影响人的睡眠质量和数量，老年人和病人对噪声干扰更为敏感。当

6、睡眠受干扰而辗转不能入睡时，就会出现呼吸频繁、脉搏跳动加剧、神经兴奋等现象，第二天会觉得疲劳、易累，从而影响工作效率。久而久之，就会引起失眠、耳鸣多梦、疲劳无力、记忆力衰退，在医学上为神经衰弱症侯群。在高噪声环境下，这种病的发病率可达50%60%以上。2 损伤听力噪声可以使人造成暂时性的或持久的听力损伤，后者即耳聋。一般说来，85dB以下的噪声不至于危害到听觉，而超过85dB可能发生危险。表6-1列出不同噪声级下长期工作时，耳聋发病率的统计情况。表6-1 工作40年后噪声性耳聋发病率(%)噪声级(A)值(dB)国际统计美国统计8000851089021189529281004140 由表可见，

7、90dB的噪声，耳聋发病率明显增加。但是，即使高至90dB的噪声，也只能产生暂时性的病患，休息后即可恢复。因此噪声的危害，关键在于它的长期作用。3 对人体的生理影响 一些实验表明，噪声会引起人体的紧张反应，刺激肾上素的分泌，因而引起心率改变和血压升高。可以说，20世纪生活中的噪声，是心脏病恶化和发病率增加的一个重要原因。噪声会使人的唾液、胃液分泌减少，胃酸降低，从而导致胃溃疡和十二指肠溃疡。一些研究指出，某些喧闹的工业企业里，溃疡症的发病率比安静环境的高5倍。 噪声对人的内分泌机能也会产生影响。在高环境噪声下，会使一些女性的性机能紊乱，月经失调，孕妇流产率增高。近年还有人指出，噪声是刺激癌症的

8、病因之一。有些生理学家和肿瘤学家指出：人的细胞是产生热量的器官，当人受到噪声或各种神经刺激时，血液中的肾上腺素显著增加，促使细胞产生的热能增加，而癌细胞因为热能的增高而有明显的增殖倾向，特别是在睡眠当中。4 对儿童和胎儿的影响 在噪声环境下，儿童的智力发展缓慢。有人作过调查，吵闹环境下，儿童智力发育比安静环境中的低20%。噪声也会对胎儿产生有害影响。研究表明，噪声使母体产生紧张反应，会引起子宫血管收缩，以至影响供给胎儿发育所必须的养料和氧气。有人对机场附近居民的一个初步研究发现，噪声与胎儿畸形有关。此外，噪声还影响胎儿的体重。有人发现，吵闹区婴儿体重轻的比例较高。5 对动物的影响 强噪声会使鸟

9、类的羽毛脱落，不下蛋，甚至内出血，最终死亡。60年代初，美国F104喷气机作超声速飞行实验，地点是俄克拉荷马市上空，飞行高度为10000m，每天飞跃8次，共飞行6个月。结果，在飞机轰隆声的作用下，一个农场的10000只鸡被轰声杀死6000只。6 对建筑物的损害 50年代曾有报道，一架以每小时1100km的速度(亚音速)飞行的飞机，做60m的低空飞行时，噪声使地面的一幢楼房遭到破坏。在美国统计的3000件喷气飞机使建筑物受损害的事件中，抹灰开裂的占43%，损坏的占32%，墙开裂的占15%，瓦损坏的占6%。此外，由于飞机噪声造成的经济损失，1968年约为40185亿美元，1978年约为60277亿

10、美元。 由于汽车、飞机等与日俱增，噪声污染已引起人们的高度重视。控制噪声污染已成为当务之急。这里有两方面的问题需要解决，一是控制到什么程度，二是如何控制。6.2 噪声的评价与测量6.2.1 噪声的物理度量空气中传播的声是一种疏密波，描述波动的三个物理量是波长l(m)、频率(Hz)和声速C(m/s)，它们之间的关系是：C=lf (6-1)声音音调的高低取决于声波的频率，频率高的声音叫高音，频率低的声音叫低音。人能听到的声音的频率范围上2020000Hz，而对频率在30004000Hz的声音最为敏感。 对噪声的量度，主要有噪声强弱的量度和噪声频谱的分析。前者主要包括声强和声强级、声压和声压级、声功

11、率和声功率级。 1. 声强与声强级声波具有能量，声波的传播过程实质就是声振动能量的传播过程。垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能量称为声强(sound intensity)，用符号I表示，单位是W/m2。很显然，声强越大表示声音越强。听力正常的年轻人对频率为1000Hz的纯音的听觉范围是10-1210W/m2，高限(痛阈)和低限(听阈)之间相差1013倍。下面要提到的声压和声功率等参量变化范围也很大，所以，用线性标度来表示这些量是不方便的，而且人的听觉机构对声音大小的感觉不是与声强或声压的绝对值成线性关系，而是成对数关系的。因此，常用对数标度来表示声强、声压或声功率的大小。由于对

12、数的自变量是无量纲的，用对数标度必须先选定基准量(或称参考量)，然后取被量度的量与基准量比值的对数值，这个对数值被称为被量度量的“级”。“级”的单位是贝尔，贝尔的1/10称为分贝，用符号dB表示。下式表示的量L1就称为声强级(sound intensity level)： (6-2)式中：I0基准声强，I0=10-12W/m2。 2. 声压与声压级 声波是疏密波，声波传播时，使空气发生压缩和膨胀的变化，压缩时使压强增加，膨胀时使压强减小。设某体积元内，平衡时的静压强为P0，声波作用下变化的压强为P，则压强增量P=P-P0叫做声压(sound pressure)。声压的单位与压强的相同，在国际单

13、位制中压强的单位是Pa，1Pa=1N/m2。 声波在空气中传播时，声压P实际上随时间迅速变化，对应于某一瞬时的声压叫做瞬时声压。瞬时声压对时间取均方值(把瞬时声压平方，再对时间取平均，然后开方)称为有效声压。在实际问题中，如不做说明，所谓声压指的是有效声压。声压与声强的区别在于一个是压强，一个是能量。在自由声场中，某点的声强I与该点的有效声压P间有如下关系： (6-3)式中：r空气密度(kg/m)；C空气中声速(m/s)。rC为空气的特性阻抗，其值随媒质的性质而异。在P=1.013´105Pa及15oC时，空气的特性阻抗为400N×s/m3左右。在噪声控制中，常用声压级(s

14、ound pressure level)衡量声音的强弱。声压级Lp可用下式表示：Lp=20lg(P/P0) (6-4)式中：Lp对应于声压P的声压级(dB)；P0基准声压，P0=2´10-5Pa。人类的听觉对于1000Hz的纯音，能感觉到的声压范围为2´10-520Pa，相应的声压级的范围为0120dB。一些典型噪声源产生的声压级的大概值列于表6-2中。表6-2 一些典型噪声源产生的声压级噪声源位置声压级dB锅炉排气放空离喷口1m140大型柴油机增压器离进气口0.3m130汽车喇叭距离1m120大型风机房离风机1m110织布机车间织机间走道104冲床车间离冲床1m100发电

15、机车间离电机1m95大型卡车车厢内90大声讲话距离1m80住宅噪声厨房内60轻声耳语距离0.3m40环境噪声郊区静夜20 3. 声功率与声功率级每秒从声源放射出的声波能量叫声功率(sound power)，用符号W表示，单位是瓦(W)。声功率的大小反映声源辐射声波本领的高低，是从能量角度描述噪声特性的重要物理量。 对应于声功率W的声功率级(sound power level)Lw(dB)可用下式表示： (6-5)式中：W0基准声功率，W0=10-12W。对于点声源发出的球对称的球面声波，如果声源的声功率为W，距离声源r(m)处的声强为I(W/m2)，可得：W=SI=4pr2I (6-6)式中：

16、S距离r处的球面面积(m2)。 由此可得声功率级Lw和声强级LI之间的关系：Lw=LI+20lgr+11.0 (6-7)根据式(6-3)和式(6-4)可得声功率Lw和声压级LP间的关系：Lw=LP+20lgr+11.0+10lg() (6-8)6.2.2 噪声的评价声压和声压级是衡量声音强度的物理量，声压级越高，声音越强。但人耳对声音的感觉不仅与声压有关，还与频率有关。人耳对高频声感觉灵敏，对低频声感觉迟钝，频率不同而声压级相同的声音听起来感觉不一般响。因此，声压级并不能表示人对声音的主观感觉。我们研究噪声的目的是要防止噪声对人类的影响，所以，评价噪声必须以人的主观感觉程度为准。不同的目的有不

17、同的评价方法，下面仅就最常用的评价量作一介绍。1响度、响度级和等响曲线噪声强弱的主观感觉可用响度和响度级表示。图6-1 等响曲线在一定条件下，根据人的主观感觉对声音进行测试，以声音的频率为横坐标，声压级为纵坐标，把在听觉上大小相同的点用曲线连接起来，这样得到的一组曲线就叫等响曲线。图6-1为国际标准化组织(ISO)采用的等响曲线。在同一条等响曲线上，反映声音客观强弱的声压级一般并不相同。 等响曲线上，横坐标为1000Hz点的纵坐标值(声压级)就叫做这条等响曲线的响度级，用符号LN表示，单位为方(phon)，并标注在曲线上。例如，声压级为85dB的50Hz纯音，65dB的400Hz纯音，62dB

18、的4000Hz纯音与70dB的1000Hz纯音的响度相等，响度级都等于70方。定量反映声音响亮程度的主观量叫做响度，用符号N表示，单位为宋(sone)。响度与人们的感觉成正比，声音的响度加倍时，该声音听起来加倍响。规定响度级为40方时响度为1宋。响度与响度级有如下关系： (6-9)式中：N响度(sone)；LN响度级(dB)；响度级每增加10方，响度增加一倍。2A声级和等效连续A声级图6-2 声级计用的国际标准A、B、C计权曲线以上讲的是纯音的响度级，而一般的噪声是由频率范围很宽的纯音组成的，则它的响度级计算非常复杂。为了能用仪器直接测量噪声评价的主观量，可在声级计放大线路中设置计权网络，以模

19、拟人耳的响度级频率特性，测得的结果称为计权声级。一般声级计有A、B、C三个计权网络，分别模拟人耳对40方、70方和100方纯音的响应，它们的特性曲线如图6-2所示。在声级计中设置A、B、C计权网络后测得的噪声级分别称为A声级、B声级和C声级。A网络对接收通过的500Hz以下低频段的声音有较大的衰减，它与人耳对低频声音感觉迟钝的特点一致，因此，A声级能较好地反映人类对噪声的主观感觉，它与噪声引起听力损害程度的相关性也很好，因此A声级广泛地用于噪声的主观评价中。A声级用于连续稳态噪声的评价，但不适用于起伏或不连续的稳态噪声。这时要用等效连续A声级来评价，它是在时间t范围内噪声的A声级按能量的平均值

20、。计算时按时间划分为n个区间，分别测定各时段的A声级，按下式算出等效连续A声级Leq： (dB) (6-10)式中：LAi第i个A声级测定值。对于不规则大幅度起伏变化的噪声，常用A声级统计量(又称累积百分声级)L10、L50和L90表示，它们分别为测定时间内出现时间为10%以上，50%以上和90%以上的A声级值，其中L10表示峰值噪声，L50表示平均噪声，L90表示背景噪声。 3噪声评价数NR噪声评价数是评价噪声引起的烦恼和危害(听力损失和语言干扰)的参数，是1961年由ISO推荐的评价噪声的方法。噪声评价数和倍频带声压级的关系如图6-3所示。每条曲线的噪声评价数等于频率为1000Hz声音的声

21、压级，用符号NR表示。求噪声评价数时，先将噪声的倍频带声压级画在噪声评价数曲线上，其中最接近而稍高的一条NR曲线就是噪声的评价数。A声级与噪声评价数NR之间有一个换算关系，一般NR数比A声级低38dB，平均低5dB。图6-3 噪声评价曲线6.2.3 噪声的测量 测量噪声最常用的仪器是声级计。声级计由电容传声器、输入级、衰减器、放大器、计权网络、检波网络和读出表头及电源等几部分组成，可在表头上直接读出声压级。声级计按测量精度和稳定性区分为0，1，2，3四种类型：3级声级计只有A计权网络，适用于室外噪声调查；2级普通声级计具有A、B、C三种计权网络，适用于一般现场噪声测量；1级精密声级计除有A、B

22、、C计权网络外，还有外接滤波器插口，可以进行频谱分析，专供声场可以严格控制的实验室用；0级标准声级计具有严格的准确度和容许极限，仅作为实验室标准。 声级计可以用来测量总声压级和计权声级，测量范围大约为35135dB。 我国国家标准GB3222-82城市环境噪声测量方法规定了噪声测定的读数方法和表示方法。在读数变动较少(约1-2dB)时，可读一个估计平均量；若噪声呈周期性或间歇性变化，读n次值，以它的平均值表示；在噪声不规则大幅度变化时，每隔5秒钟读取一个A声级，连续读100个数据(或200个)，按从大到小顺序排队，在规定测量时间内有N%时间的声级超过某一声级值LpA，这个LpA值就叫累积百分声

23、级LN。 在测定不规则大幅度变动噪声时，如果用磁带记录仪是很方便的，它能把每时每刻变化的声压级记录下来。 噪声测量有时需要分析噪声的频率成分，并求出在一定频率区间(频带或频程)的声压极，这就是频谱分析，需要在测量系统中加入对频率有选择特性的仪器，这样组成的仪器叫频率分析仪。 在噪声测量中，频带或频程(即频率区间)的划分最常用的是倍频程和1/3倍频程。所谓倍频程是指频带划分时使后一频程的中心频率是前一频程的2倍；而1/3倍频程是指后一频程的中心频率是前一频程的(即1.25倍)。ISO规定的倍频程和1/3倍频程的中心频率和频带的上下频率见表6-3。以频程中心频率为横坐标，声压级为纵坐标，作出频谱分

24、析图形，就可以清楚了解噪声的成分和性质。表6-3 倍频程和1/3倍频程倍频程1/3倍频程下限频率Hz中心频率Hz上限频率Hz下限频率Hz中心频率Hz上限频率Hz45639056.270.889.1638010070.889.11129012518011214117812516020014117822418025035522428235525031540028235544735550071044756270850063080056270889171010001400891112214131000125016001122141317781400200028001778223928182000250

25、031502239281835482800400056003548446756234000500063004467562370795600800011200707989131122080001000012500891311220141306.2.4 与声压级有关的计算 前面提到，在声学上常用“级”量度声音，级的单位为dB。当两个不同声压级的声音叠加时，合成声的声压级并不等于它们分贝数的算术和。声音的叠加是能量相加，得出总和后再换算成叠加后声音的总声压级。 二个分别为L1分贝和L2分贝的声音，合成声音的分贝数L合可用下式计算： (6-11)也可用下式计算：L合=L1+DL (L1>L2)

26、(6-12)式中DL值在下表中查取：L1-L20123456789101113DL32.52.11.81.51.21.00.80.60.50.40.36.3 噪声防治技术6.3.1 环境噪声标准 噪声防治的目的是为了降低噪声，以创造一个理想的声环境，使每个人都能在愉快和有效的气氛中工作、学习和休息。为此目的，需要制定一系列的标准和规范，作为噪声防治工作的目标。关于噪声标准的数值，是国际上争论的一大问题，甚至是剧烈争论的问题。因为它不仅与技术有关，而且牵涉到巨额的投资。所以，虽然ISO推荐了国际标准值，但不少国家亦公布了自己的标准。随着人们对噪声危害的认识日益加深和科学技术的进步，已经开始从只注

27、意噪声对听力的影响，过渡到对心血管系统、神经内分泌系统的影响，从而制定出更加科学的噪声标准，这是当前国际上研究噪声标准的重要趋势。 毫无疑问，噪声标准应随地区与时间的不同而异，即工厂中的噪声标准应与农村地区(包括需要安静的疗养院)、交通量少的安静住宅或郊外居住区、城市内的住宅区、靠近干道和运输繁忙的铁路线附近的居住区、城市中心区等应有不同。此外，白天和夜晚亦应有所区别，对环境影响最大的噪声源，亦应有其特定的标准。目前，具体的噪声标准主要分为三类： 1. 听力保护标准 此即指工厂中的噪声标准。调查噪声性耳聋的发病率，是制定听力保护标准的依据。按照ISO的定义，500Hz、1000Hz和2000H

28、z三个频率的平均听力损失超过25dB，称为噪声性耳聋。目前大多数国家听力保护标准定为90dBA，它能够保护80%的人；有些国家定为85dBA，它能够使90%的人得到保护。由表6-4可见，只有在80dBA的条件下，才能保护100%的人不致耳聋。目前我国制定的听力保护标准工业企业噪声卫生标准规定现有企业为90dBA，新建、改建企业要求达到85dBA(详见表6-4)。表6-4 我国工业企业噪声卫生标准燥声级dBA工作时间(小时)现有企业新建、扩建、改建企业90858938849691299941不得超过1152. 机动车辆噪声标准 由于城市噪声的70%来源于交通噪声，如果车辆噪声得以控制，则城市噪声

29、就能大大降低。因此，我国亦指定了相应的试行标准(见表6-5)。表6-5 我国机动车辆噪声试行标准车辆种类1985年以前执行标准dBA1985年以后执行标准dBA载重汽车(3.515t)89928489轻型越野车8984公共汽车(411t)88898386小轿车8482摩托车9084轮式拖拉机(<60马力)9186 3. 环境噪声标准 因为噪声环境复杂多样，所以在所有噪声标准中，环境噪声标准的制订最为复杂。通常，是从噪声引起烦恼的因素来考虑环境噪声的标准。对休息睡眠与交谈思考的干扰是日常生活中最易引起烦恼的因素，因此环境噪声标准的制订，主要是以对睡眠和交谈思考的干扰程度为依据的。例如，对睡眠而言，一个40dB的连续噪声，会使10%的人的睡眠受到影响。因此我国亦把安静住宅区夜间的噪声标准订为35dBA(见表6-6)。表6-6中同时列出其它区域白天与夜间的环境噪声标准。表6-6 我国城市区域环境噪声标准(等效声级Leq(dBA)