第四章-噪声检测

噪声检测1概述•噪声是一种紊乱、断续或统计上随机的声震荡。从生理学的观点看，凡是人们不需要的声音就称为噪声。•随着工业的发展，噪声已成为一种主要公害，它影响人们的生活和工作，使人感到烦躁，严重时会引起神经、内分泌等系统的疾病及职业性耳聋。高强度噪声还能影响仪器设备的正常工作。因此排除或减少噪声污染已日益被人们重视。•按噪声源的不同，噪声主要分为：•(1)空气动力噪声。它是由于气体振动产生的。当气体中有了涡流或压力发生突然变化时，因气体的扰动，气体与物体的相互作用而产生噪声。如喷气式飞机、鼓风机等产生的噪声。•(2)机械性噪声。因机器设备中撞击、摩擦和交变应力的作用引起的振动所产生的噪声。如电锯、锻锤冲击的噪声。•(3)电磁性噪声。由于电磁相互作用，产生周期性的交变力，引起电磁振动而产生的噪声，如电磁铁、交流接触器、变压器铁芯等所引起的噪声。2噪声的物理量度和主观量度•2．1噪声的物理量度•噪声是声音的一种，具有声波的一切特性。对噪声的物理量度用声压级、声强级、声功率级表示其强弱，用占有的频率和频谱表示其高低。•2．1．1声压、声强和声功率•声波引起空气质点的振动，使大气压力产生迅速的波动，这种波动称为声压p。也可以说，在声场中单位面积上，由于声波而引起的压力增量称为声压，其单位是Pa(帕)。通常都用声压来衡量声音的强弱。•声音在传播过程中，声压p是随时间波动变化的，通常以一段时间T内声压的有效值，亦即声压随时间变化的方均根值来衡量声压的大小：•(8—1)•声波作为一种波动形式，它是将声源振动的能量向空间辐射的过程。因此，也常用能量大小表示声辐射的强弱。•声强I就是垂直指定传播方向的单位面积上平均每单位时间内传播的声音能量，其单位是W/㎡。•声功率W就是声源在一个周期内，平均每单位时间内辐射的总声能，其单位是W。TtdtpTp021•声强I是衡量声音强弱的标志，声音的大小和离开声源距离远近有关。如果在一个没有反射声存在的自由声场，有个向四周均匀辐射声音的点声源，在相距r处的声强I与声功率W之间的关系是：••(8—2)•声压与声强之间有着内在联系，当声波在自由声场中传播时，在传播方向上声强I与声压p有下列关系：•(8—3)•式中I—声强，W/㎡；p—声压，Pa；•ρ—空气密度，kg／m3；c—声速，m／s；•ρc—特性阻抗，Pa·s／m。24rWIcpI2•从式(8—3)可以看出，声强与声压的平方成正比，因此，测量出声压p，进而可以求出声强I和声功率W。•2．1．2声压级、声强级和声功率级•声压的变化范围很广，从人耳刚能听到的声音一直到感觉耳膜疼痛的声音声压为2×10-5～20Pa，相差百万倍。在这样宽广的范围内，用声压或声强的绝对值来衡量声音的强弱很不方便，而且人耳对声音的感觉并不是与声压成比例，而是与声压的对数相关性较好。因此，声学工程中引出“级”的概念。声压、声强、声功率的级的划分，采用数学中常用对数标度来表达，单位称作dB(分贝)。•声压级Lp的定义用数学式表示为•（8—4）•式中p—声压，Pa；•P0—基准声压，取值2×10-5Pa。•在引入声压级的概念后，原来声压相差一百万倍的变化范围，就只有0～120dB的变化区间了，这样做既方便又明了，同时也符合人耳的听觉特性。目前国内外声学仪器上都采用分贝刻度，从仪器上可以直接读出声压级的分贝数。•与声压级一样，声强级LI可用下式表示••(8—5)•式中I0—基准声强，通常取1000Hz时声波能够引起人耳听觉的最弱声强(10-12W/㎡)。0lg20)(ppdBLp0lg10)(IIdBLI•按式(8—3)，，以此式代入式(8—4)得••可见声压级与声强级在一定条件下是相同的。•声功率级Lw的数学表达式••（8—6）•式中W0——基准声功率，取值10-12W(频率为1000Hz时)。•2．1．3噪声的复合•在现场测量时，噪声源往往不止一个，有时就是一个噪声源，其噪声级也因频率成分不同而异，所以常常要进行总噪声级的分贝计算。pILppppIIL02020lg20lg10lg100lg10)(WWdBLW2020//ppII•设n个声源同时发声，它们在某处形成的总声强，相当于n个能量的叠加，即有•(8—7)•则总声强级为：•(8—8)•设第i个声源在该处产生的声强Ii，由式(8—5)得：••则•(8—9)inIIIII2100lg10lg10IIIILiIIiLiII1.010)101010lg(101.01.01.021InIILLLIL•因LI=Lp，故••(8—10)•式(8—9)和式(8—10)计算麻烦，可用下式进行近似计算：••(8—11)•式中Lp——总噪声级，dB；•Lpb——噪声源中较大的一个声压级，dB；•△Lp——复合增值，根据两个噪声源声压级之差，由表8—1查出。)101010lg(101.01.01.021pnppLLLpLppbpLLL•表8—1噪声复合增值•若有n个相同的声压级Lp1，则•两个噪声级之差012345678910附加增值3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.4nLnLpLpplg10)10lg(1011.012．2噪声的主观量度•2．2．1响度级和响度•声压和声强都是客观物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱。但是它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。•人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。一般对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，这样就引出了响度级的概念。•使用等响实验方法，可以得到一组不同频率、不同声压级的等响度曲线。实验时用1000Hz的某一强度(如40dB)的声音为基准，用人耳试听的办法与其他频率(如100Hz)声音进行比较，调节此声音的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级(如50dB)。再用其他频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。这条曲线用1000Hz时的声压级数来表示它们的响度级值，单位为方(phon)，这里就是40方。同样以1000Hz其他声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其他的等响度曲线。经过大量试验得到的纯音的声压级与频率关系等响度曲线如P、182图8—1所示。•响度级虽然定•量地确定了响度•感觉与频率和声•压级的关系，但•是却未能确定这•个声音比那个声•音响多少。如一•个80方的声音比•另一个50方的声•音究竟响几倍，为此人们引出了响度的概念。响度与响度级的关系如P、183图8—2所示。•1947年国际标准化组织采用了一个新的主观评价量—宋(son)，并以40方为1宋。响度级每增加10方，响度增加一倍，如50方为2宋，60方为4宋等。其表示式为：••或(8—12)•式中，S为响度(宋)；LN为响度级(方)。•用响度表示声音的大小可以直接计算出声音响度增加或降低的百分数。如果声源经过隔声处理后响度级降低了10方，相当于响度降低了50％；响度级降低20方，相当于响度降低了75％等。1040LN2(宋）SSlg33.340LN（方）•2．2．2声级和A声级•声压级只反应声音强度对人响度感觉的影响，不能反映声音频率对响度感觉的影响。响度级和响度解决了这个问题，但是用它们来反映人们对声音的主观感觉过于复杂，于是又提出了声级，即计权声压级的概念。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电网络，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。当然我们不可能做无穷多个电网络来模拟无穷多根等响度曲线，一般设置A、B和C三种计权网络。声级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级。•其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段(1000Hz以下)有较大的衰减。B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。•而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频•率范围内•有近乎平•直的响度•。A、B、•C计权的•频率响应•曲线(计权•曲线)已由•国际电工•委员会(IEC)定为标准，并示于P、183图8—3。•利用具有一定频率计权网络的声学测量仪器对声音进行声压级测量，所得到的读数称为计权声压级，简称声级，单位为dB。使用什么计权网络应在测量值后面注明，如70dB(C)或C声级70dB。•表8—2列出了几种常见声源的A声级。•表8—2几种常见声源的A声级•（测点距离声源1~1.5m）A声级/dB（A）声源20~30轻声耳语40~60普通室内60~70普通交谈声、小空调机80大声交谈、收音机、较吵的街道90空压机站、泵房、嘈杂的街道110~120凿石机、球磨机、柴油发动机120~130风铆、高射机枪、螺旋桨飞机130~150高压大流量放风、风洞、喷气式飞机、高射炮160以上宇宙火箭•在实际测量时到底用哪一种计权网络呢?以前曾有规定，声级小于70dB时用A网络测量，声级大于70dB但小于90dB时用B网络测量，声级大于90dB时用C网络测量。近年来研究表明，不论噪声强度多少，利用A声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响。因此，现在基本上都用A声级作为噪声评价的基本量。C声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用，B声级基本上不用了，有时只是为了判断噪声的频率特性，才附带测量C声级和B声级。在有些声学测量仪器中还具有D计权网络，它主要用于航空噪声的测量。用D计投网络测得的D声级再加上7dB，就直接得到飞机噪声的感觉噪声级。•2．2．3等效连续声级Lep•A声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉，对于一个连续的稳定噪声，它是一种较好的评价方法，但是对于起伏的或不连续的噪声，则很难确定A声级的大小。如测量交通噪声，当有汽车通过时噪声可能是85dB，但当没有汽车通过时可能只有60dB，这时就很难说交通噪声是85dB还是60dB，为此提出了用噪声能量平均的方法来评价噪声对人的影响，这就是等效连续声级，用Lep表示。这里仍用A计权，故亦称等效连续A声级。•等效连续A声级定义为：在声场中某一定位置上，用某一段时间能量平均的方法，将间歇出现的变化的A声级以一个A声级来表示该段时间内的噪声大小，并称这个A声级为此时间段的等效连续A声级，即：••(8—13)•式中，pA(t)为瞬时A计权声压；p0为参考声压(2×10-5Pa)；LA为变化A声级的瞬时值。单位dB；T为某段时间的总量。•实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量，假如采样时间间隔相等，则••(8—14)•式中，N为测量的声级总个数；LAi为采样到的第i个A声级。•对于连续的稳定噪声，等效连续声级就等于测得的A声级。dtTdtptpTLTLTAepA01.0200101lg10])([1lg10niLepANL11.0101lg10•2．2．4昼夜等效声级•通常噪声在晚上比白天更显得吵，尤其对睡眠的干扰更是如此。评价结果表明，晚上噪声的干扰通常比白天高10dB。为了把不同时间噪声对人干扰不同的因素考虑进去，在计算一天24h的等效声级时，要对夜间的噪声加上10dB的计权，这样得到的等效声级为昼夜等效声级，以符号Ldn表示。••(8—15)•式中Ld——白天的等效声级；•Ln——夜间的等效声级。•15为白天小时数，9为夜间小时数。白天与夜间的定义可依地区的不同而异。]1091015[241lg1010/)10(10/ndLLdnL•2．2．5噪声暴露量(噪声剂量)•一个人在一定的噪声环境下工作，也就是暴露在噪声环境下时，噪声对人的影响不仅与噪声的强度有关，而且与噪声暴露的时间有关。为此，提出了噪声暴露量，并用LE表示。•噪声暴露量LE定义为噪声的A计权声