北京大学环境工程概论-第六章-噪声污染-1课件

6.1引言噪声通常定义为“不需要的声音”(unwantedsound)，是一种环境现象。人一生都暴露在有噪声的环境中。噪声也可看成是一种环境污染物，一种由人类各种活动产生的废物。按后一种观点，噪音与响度(loudness)无关，但它会对个人造成生理或心理上的不良影响，或可能干扰个人或团体的社会活动，包括语言交流、工作、休息、娱乐、睡眠等活动。第六章噪声污染通过人们的生活方式而产生的废物，一般可分为两种类型：第一种最为大众熟知，即空气、水以及固体废物污染所造成的大量残留物，这些残留物长期滞留于环境中；而第二种类型以残留的能量形式存在，最近才引起人们的关注，如来自制造过程的废热将造成河流的热污染，而以声波形式存在的能量是另一种残留形式的能量，但幸运的是它们在环境中的存在时间并不长，且这些以声波形式分散的总能量与其他形式的能量比较起来并不大。耳朵对噪声极其敏感，少量的声能进入耳朵后，会对人和其他生物造成不良影响。足够强度与持久性的噪声能导致暂时的或永久性的听力损失，从轻微的听力减弱到几乎完全耳聋。一般而言，当暴露于强度足够高的声源时会造成暂时性的听力损失。若暴露持续一段时间，则会导致永久性的听力减弱。噪声对人们造成的短暂的、但通常较严重的影响包括：干扰语言交流和对其他听觉信号的认知，妨碍睡眠和休闲，降低人们进行复杂工作的能力，导致生活质量降低。噪声直到近些年才被广泛认为是一种的严重的环境污染物，且具有潜在的危险，原因有以下几点：（1）将噪声定义为“不需要的声音”是很主观的，被某人认为是噪声的声音，却可能被另外一人喜爱。6.1.1声波的性质固体的振动产生声波，或当流体越过、环绕或穿过固体孔洞时流体分离产生声波。空气压缩使空气局部密度和压力增加；相反，膨胀则使密度和压力减小。这些交替的压力变化即是人耳所听到的声音。空气交替压缩与膨胀产生的正弦波:连续两个波峰或波谷间的时间间隔称为周期（P）。周期的倒数为频率（f）：1秒的振动中波峰到达的次数。P与f之间的关系为：P=1/f。相邻两个波峰或波谷之间的距离称为波长（），波长与频率之间的关系为：=c/f。波的振幅(amplitude，A)是指通过零压力线测得的波峰或波谷的高度。在一个振动周期内，平均压力为零，与振幅无关。当然这不能反映事物的真实状态。因此，人们采用均方根声压(rootmeansquaresoundpressure，prms)来克服这个困难。prms的计算步骤为：先计算平均时间区段内每一瞬间振幅值的二次方，然后将此二次方值加起来，再除以平均时间，最后开二次方求得：公式中符号上方横线表示对时间加权平均，而T是测量的时间周期。6.1.2声功率和声强功：物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积。因此声波沿着声波传播的方向传送能量。其作功的速率定义为声功率(soundpower，W)。声强(soundintensity，I)：垂直于声波传播方向单位面积上声功率的时间加权平均值。I与W的关系为：I=W/A6.1.3声级和分贝一个正常的健康人所能听到的最弱声压约为0.00002Pa。土星火箭(Saturnrocket)离地升空时产生的声压大于200Pa。即使在科学纪录史上，这也是一个“天文数字”。为处理这个问题，使用一种基于测量数字间比例的对数值的尺度来表示噪声，并将所测量的数值称为级(1evels)，其单位则根据AlexanderGrahamBell的名字命名为贝[尔](bel)，单位符号为B，用公式表示如下：式中：L’-声级，B；Q-测量数值；Q0-基准数值。由于贝[尔]是一个相当大的单位，为了方便起见，又将其分成10个小单位，此小单位称为分贝(decibel，dB)。声级用分贝表示时计算公式如下：（1）声功率级若基准声功率(Q0)已指定，则dB具有物理意义。对于噪声的测量，基准声功率规定为1pW，因此声功率级可以表示为：由上式计算得到的声功率级的单位为dB。（2）声强级为了测量噪声，基准声强取lpW/m2，因此声强级可按下式计算：（3）声压级规定基准压力为20Pa。常见的声压级范围如右图所示：分贝和的增值表：对于噪声的测量，结果应该记录到最接近的整数位。当有多个声压级相加时，应该每次两个相加，且由最小数值开始。Example:68dB、79dB和75dB三个分贝值相加，其声功率级是多少？Solution：首先选择68dB和75dB两个较低的值，二者相差为7dB，利用“图7-4”（分贝相加的图解法），由横坐标7.0查得增加的分贝值为0.8，因此，68dB和75dB相加得到75+0.8=75.8dB。该题的计算方式可以图示如下：取最接近的整数值，得到答案为81dB。此题也可先转换成声功率，相加后再转换成分贝而计算：声压级分贝相加的公式：6.1.4噪声的特征计权网络、八度音阶频带、平均声压级（1）平均声压级由于分贝具有对数特性，因而对声压级的测量值不能用正常的求和方式计算其平均值。可利用下列的公式进行计算：：平均声压级，dB;n：测量次数Li：第i个声压级常见的脉冲噪声一般有两种。脉冲A的特点是声压级快速升高到尖峰，随后是一个小的负压波或衰减到背景值之下。脉冲B的特点是呈振荡衰减，A型脉冲的持续时间就是最初尖峰衰减到背景值的时间，B型脉冲的持续时间为振动尖峰衰减20dB所需的时间。因为脉冲的持续时间短，所以必须使用一种特别的声级计来测量脉冲噪声。美国职业安全与健康局(OccupationalSafetyandHealthAdministration，OSHA)将时间间隔小于0.5s的重复性噪声，包括脉冲噪声，划分为稳定噪声。6.2噪声对人的影响为了讨论方便，将噪声对人的影响分为以下两种：听觉影响(auditoryeffects)和心理-社会影响。听觉上的影响包括听力损失和语言交流干扰。心理-社会方面的影响包括烦恼、睡眠干扰、工作效率影响和声音的隐私性。6.2.1正常听力（1）频率范围和敏感性年轻且听力健康的成年男性，其耳朵可感受到频率范围为20~16000Hz的声波。幼童和妇女则经常具有感受高达20000Hz频率声波的能力。讲话的频率范围为500~2000Hz。耳朵对2000~5000Hz的频率范围最敏感，在此频率范围内可以感受到的最小声压为20Pa。在空气中，频率1000Hz、20Pa的声压相当于空气分子1.0nm的位移。空气分子的热运动相当于约lPa的声压。如果你的耳朵非常敏感，那么你可以听到空气分子像海边的波浪一样冲击你的耳朵。（2）响度一般而言，两个不同频率但相同声压级的纯声听起来会有不同的响度级。响度级是一种心理上对声响大小的量度。1933年，Fletcher和Munson进行了一系列的实验，以确定频率与响度间的关系。基准声和测试声交替地呈现给被测试者，调整测试声的声级直到听起来与基准声的响度一样。把以分贝表示的声压级对测试声频率作图得到一曲线，该曲线称为Fletcher-Munson曲线或等响度曲线。参考声频率为1000Hz。6.2.3听力损伤（1）机制除了激烈的噪声引起鼓膜破裂外，外耳和中耳很少被噪声伤害。一般情况下，听力损失是由于毛细胞被伤害引起神经损伤而造成的。有两种理论可用来解释噪声引起的伤害：第一种理论认为过大的剪切力使毛细胞受到机制性损伤；第二种理论认为强烈的噪声刺激迫使毛细胞新陈代谢活动加剧，从而使这些毛细胞因负荷过度而死亡。毛细胞一旦被破坏便不能再生。（2）影响听力阈值的因素影响暂时性和永久性听力阈值偏移的重要的因素有以下几个：（a）声级：正常人经历暂时性听力阈值偏移之前，声级必须超过60~80dBA。（b）声音频率分布：大多数能量分布在讲话频率的声音比分布在其他低于讲话频率的声音更有可能造成听力阈值偏移。（c）声音的持续：声音持续时间越长，听力阈值偏移越大。（d）声音暴露的时间分布：在声音周期之间，安静周期的数量和长度影响听力阈值偏移。（e）人们对声音的容忍程度很不相同。（f）声音类型：稳态的、间歇式的、脉冲式或冲击式的：声音持续时间增加时对于尖峰声压的容忍程度降低。（3）暂时性听力阈值偏移(TTS)TTS经常伴随有耳鸣、听不清声音和耳朵不舒服等现象。大多数TTS在暴露于噪声的两小时内发生。在出现TTS以后，在暴露于噪声后的第1到2个小时内开始向HTL基线恢复。在暴露后的16~24h内大部分将会回复。（4）永久性听力阈值偏移(PTS)TTS与PTS之间似乎有直接的关系。如果在某一噪声级下暴露2~8h后不会产生TTS，则持续暴露下去也不会产生PTS。导致听力损失的噪声频率一般在3000~6000Hz之间。因噪声导致的永久性听力丧失，其开始和发展过程是缓慢的、不知不觉的。暴露的个人不可能注意到。噪声暴露导致的全部听力丧失目前尚未发现。连续或间歇暴露：NIOSH(TheNationalInstituteforOccupationalSafetyandHealth)建议控制职业噪声的暴露，使工作人员暴露的噪声不会超过下图上B线所给出的极限。此外，NIOSH建议设计新的隔声装置，以保证暴露的噪声低于下图上A线所给出的极限。6.2.5语言交流干扰噪声会干扰我们交流的能力。很多噪声即使没有达到创伤的程度，但仍会干扰语言交流。这种干扰或屏蔽效应是讲话者与听者间距离及所将单词频率等因素的复杂函数。讲话干扰级用于测量交流的难易程度，它能将不同背景噪声级关联起来。目前，用A计权背景噪声级和语言交流质量来描述噪声对语言交流的干扰更为方便。6.2.7睡眠干扰睡眠干扰是一种特别的烦恼。睡眠扰人问题非常复杂。一个乡下人可能难于在喧闹的市区入睡，而一个都市人在乡村地区可能被安静所困扰。为什么父母亲会因为自己小孩身体的轻微转动而惊醒，却不会被雷雨所惊醒呢？这些现象表明暴露于声音和晚间的睡眠质量二者间的关系是十分复杂的。对于相对简短的噪声在安静环境中对人的睡眠的影响已有过深入的研究。6.2.8对工作效率的影响当工作需要用到听觉信号、语言或非语言时，任何强度的噪声，当其足以妨碍或干扰人们对这些信号的认知时，该噪声将影响工作效率。在不需要听觉信号的地方工作时，噪声对工作效率的影响难于评估。人类的行为是复杂的，因此很难准确地弄清楚不同种类的噪声如何影响进行不同种类工作的不同种类的人。虽然如此，仍然可以得出一般性的结论：（1）没有特别意义的稳定噪声似乎不干扰人类的行为，除非A计权噪声级超过约90dB。（2）不规律的噪声爆发比稳定的噪声更具分裂破坏性，即使低于90dB，有时仍会影响工作效率。（3）高于1000~2000Hz的高频噪声对工作效率的影响比低频噪声更严重。噪声似乎并不影响工作的整体进度，但高声级的噪声可能增强工作进度的改变。（4）“噪声停顿”可能会使工作速度加快。噪声更可能减少工作的准确性而不是减少总的工作量。比起简单工作，复杂工作更可能受到噪声的不良影向。6.2.9声音的隐私性如没有隐密的机会，每个人将必须严格地遵守严格的社会规范，或每个人必须采取高度随意的态度。隐私的机会避免了上述任何一种极端情况的出现。特别是当没有声音隐私机会时，人们可能会经历前述所有的噪声影响，此外，个人会因自己的行动可能干扰他人而受到限制。6.3等级评估系统6.3.1噪声评估系统的目标一个理想的噪声评估系统应该将声级计(soundlevelmeter)或分析仪所测量的结果简单明了地加以总结，并用一种有意义的方式将噪声暴露表示出来。在前面对响度和烦恼的讨论中，可以注意到人们对噪声的反应与噪声的频率关系很大。更进一步，我们注意到，噪声的形式(连续、间歇或脉冲式)和每天发生的时间(夜晚比白天更糟糕)是引起烦恼的重要因素。因此，理想的噪声评估系统必须考虑噪声的频率，并区分白天与夜晚的噪声。而且，评估系统必须能够描述累积的噪声暴露。而统计系统能够满足这些需要。一个统计评估系统实际应用的困难在于对每个测量位置都会有一组十分庞大的参数，需要应用一组相当大的数列去描述周围环境的特征。但在实际执法中想有效地利用这样一组数列几乎是不可能的。因此，必须确定一种适合测量噪声暴露的单一数值的测量方法。以下的内容将描述目前正在使用中的一个评估系统。6.3.2LN概念参数LN是一个统计测量值，表示超过某一特定声级的频率。例如，当我们写出L40=72dBA，即可知道在测量时间中，超过72dB(A)的频率为40％，LN对N（N＝1％，2％，3％，等等）作图可得到一个累积分布曲线，如“图7-23”所示。与累积分布曲线相关联的另一种曲线是概率分布曲线，它表示噪声级在一定声级间隔内的频率，如“图7-24”所示。图中，有22%的时间，测量的噪声级范围在70~72dBA之间，有17%的时间，其范围在72~74dBA之间，等等。这个图和LN之间的关系非常简单，将从右至左连续间隔上的百分比加起来，即可得到一个相对的LN值，其中N为百分比的加和，L则是各相加间隔最左边的较低限制值，因此L40的值为：L(2+7+14+17)＝72dBA。6.3.3Leq概念等效连续声级(Leq)可应用于任何波动的噪声级。其定义为：在声场中一定点位置上，用某一段时间内能量平均的方法，将间歇暴露的几个不同声级的噪声，以一个声级来表示该段时间内的噪声大小，这个声级即为等效连续声级，单位仍为dB。等效连续声级可用下式表示：式中t为测定Leq的时间，L(t)为随时间变化的噪声级。一般而言，L(t)和时间之间没有明确定义的关系，因此，只能利用一系列不连续样本的L(t)。Leq的表达式可以修正为式中：n-利用的总样本数；Li-第i个样本的声级，dBA；ti：总样本的时间分数。Example：90dBA的噪声级存在5min，然后60dBA的噪声级存在50min，请问对于该55min时段的Leq是多少?假设取样间隔为5min。Solution：若取样间隔是5min，则样本总数n为11。对每个样本而言，其所占总样本的时间分数ti为1/11=0.091。利用这些计算值，我们可计算总和如下：最后，代入公式计算：6.4社区噪声源及其标准6.4.1运输噪声（1）飞机噪声一架大型喷气机(如波音747)的噪声频谱显示，飞机在起飞时的声压级比降落时高。除了涡轮喷气式飞机和小型飞机有较低的声压级外，其他的飞机都是如此。飞机飞行时令人烦恼的标准是根据大量的现场测试和意见调查得出的。（2）高速公路汽车噪声对大多数汽车而言，噪声主要是在时速55km/h以下正常行驶时产生的。虽然汽车轮胎的噪声相对于卡车来说小得多，但在时速80km/h以上时却是主要的噪声来源。尽管汽车没有卡车那样吵人，但因为汽车的数量远大于卡车，所以汽车对噪声环境总的影响也较大。扰人与交通噪声指数TNI之间的关系6.4.2建筑工程噪声19类常见的建筑施工设备的声级范围如“图7-29”所示。虽然所列实例有限，但数据却相当准确。机器和材料相互作用产生的噪声通常对噪声级的贡献更大。将建筑工程噪声所造成的扰人程度定量化是很困难的，以下两点可供参考：（1）在郊区建造一幢房子时，若在边界线8h的Leq值超过70dBA，则会有轻微的抱怨；（2）在郊区进行挖掘和施工时，若在边界线8h的Leq值超过85dBA，将会有合法的抗议活动。6.5室外声音的传播6.5.1距离衰减如果一个半径为的圆球沿径向均匀膨胀和收缩，则球的表面会均匀地发散出声波。若将球放在一个不会将声波反射回声源的地方，且远小于1(是波数)，则径向上的声密度与距离的二次方成反比：上式即为声强与声源距离的二次方成反比的关系式，又称反二次方定律(inversesquarelaw)。该定律解释了声强随距离衰减的部分原因是声波发散(“图7-30”)。I：声强，W/m2；W：声源的声功率，W。如果我们测量的是声功率级(Lw，W0＝1pW)，而不是声功率(W)，则方程式可改写为：LpLw-20lgr-11式中：Lp-声压级，dB；Lw-声功率级，dB；r-声源与接受者之间的距离，m；20lgr-分贝转换，等于10lgr2；11-分贝转换而来，等于10lg4。6.5.2声源辐射场由噪声源发散出来的声波，其特性会随距声源的距离变化(“图7-31”)。在靠近声源的位置，也就是在近场(nearfield)，颗粒速度和声压并不同相。在此区域内，Lp随距离的变化不遵守反二次方定律。当颗粒速度和声压同相时，测量声音的位置称为远场(farfield)。若声源处在自由空间(freespace)，即没有任何反射面，则在远场中的测量也称为自由场测量(free