第十章噪声与振动

第十章噪声与振动第一节声学基础声音（包括噪声）的形成，必须具备三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要有能够传播声波的媒介，最后还要有声的接受器，如人耳、传声器等。一、声音的基本性质声音（sound）是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内（20～20000Hz）的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常我们把振动发声的物体，称为声源（soundsource）。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振动的物体外，还必须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃等固体。物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震动后一定会使人们得到声音的感觉。因为人耳能感觉到的声音频率范围只是在20～20000Hz之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于20Hz的声音称为次声（infrasound），频率高于20000Hz的声音称为超声（ultrasound）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到的。描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的物理量有：声压、声强、声功率以及各自相应的级，描述声音大小的主观评价量是响度、响度级。1．1．声压与声压级声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（soundfield）。当声波在空气中传播时，声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏时密，引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强的差值定义为该点的声压（soundpressure）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压表示。声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳，引起耳内鼓膜振动，刺激听觉神经，产生声音的感觉，声压越大，耳朵鼓膜受到的压力越大，感觉到的声音越强。因为声波作用引起声场中某点介质压缩或膨胀，所以声压有正有负。声压可用瞬时声压和均方根声压（亦称有效声压）表示。声场介质中某点在某瞬时相对于静压强的单位面积上的声压变化即瞬时声压()pt（instantaneoussoundpressure）；瞬时声压在某一时间周期内的均方根值，即均方根声压rmsp(rootmeansquaresoundpressure)。rmsp按下式计算：12122201()()TrmsppptdtT（Pa）(10-1)公式中符号上部横线表示对时间加权平均，而T是测量的时间周期。以下未注明的声压p均指均方根声压rmsp。人耳刚能听到的声压定义为听阈声压，其值为0p＝2×10－5Pa，也称基准声压；使人耳感觉疼痛的声压定义为痛阈声压，其值为p＝20Pa，两者之间相差100万倍，一般声音介于两者之间。由于常用的声音大小相差悬殊，为了度量与记录，采用级的概念，即用声压的倍比关系的对数量来表示，单位为分贝(decibel，dB)，对于均方根声压为p的声波，其相应的声压级（soundpressurelevel）pL为：020lg(/)pLpp（dB）（10-2）常见的声压级范围如图10-1所示。图10-1声压级的相对范围2．声强与声强级声音在介质中传播时，介质本身并不随着声波传播出去，而只是在其平衡位置附近来回振动，可见声音的传播实质上是振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。声强(soundintensity)I定义为垂直于声波传播方向单位时间、单位面积上通过声波的平均声能。I与声功率W的关系为：/IWS（W/m2）（10-3）S指垂直于声波传播方向的面积。声强以能量的方式来度量声音的强弱，声强越大，表示单位时间内耳朵接受到的声能越多，声音就越强。在自由声场中，任一方向上的的声强为：2/Ipc（10-4）式中－介质的密度，kg/m3；c－声音在介质中的速度，m/s。声波在弹性介质中传播的速度称为声速。声速随弹性介质温度的上升而增加，在温度为0℃的空气中声速为331.4m/s，声音在空气中传播时，声速与空气温度的关系为：331.40.607ct(m/s)（10-5）式中c—声速，m/s；t—空气温度，℃。声速在不同的介质中也是不同的，在水中的声速约为1450m/s；在钢铁中约为5000m/s；在玻璃中约为5000～6000m/s；在砖墙中约为2000m/s。为使用方便，通常用声强级（soundintensitylevel）LI代替声强来描述声音的强弱，其表达式为：010lg(/)ILII（dB）（10-6）式中，0I为基准声强，-1220I=10W/m，对应于气温为20℃时的基准声压，由式（10-4）确定。3．声功率和声功率级功定义为物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积，因此把声波沿着声波传播的方向传送能量即作功的速率定义为声功率(soundpower)W。声功率是反映声源特性的物理量，其大小反映声源辐射声能的本领。它与声强I的关系为：sIdSW(W)（10-7）式中S—包围声源的封闭面积，m2。声功率级（soundpowerlevel）LW的数学表达式为：010lg(/)WLWW（dB）（10-8）式中，W为对应于基准声强的基准声功率，12010WW。4．4．声级的运算对于以分贝为单位的各种声级的运算可按下列公式进行：（1）级的相加。设n个声源产生的同名级(声功率级、声强级或声压级)分别为L1，L2，…，Ln（dB），则合成的总声级为：)101010lg(1010101021nLLLL（dB）（10-9）（2）级的相减。若已知两个声源的声级之和为L，其中的一个声级为Ll，则求另一个声级L2可通过级的相减，即由下列式子算出：102110lg1101LLL（dB）（10-10）式中，△L＝L-L1（dB）。（3）级的平均。n个声源所产生的声级的平均值可按下式求出：nLLlg10（dB）（10-11）式中L－n个声源的声级(同名声级)之和，由式(10-9)算出。例如在计算一声源的等效（连续）A声级LAeq时就要用到级的平均公式，譬如对该声源采取采样测量，且采样的时间间隔相同，共采样n次，相应的A声级分别为Ll，L2，…，Ln，则可按下式计算出该声源的等效A声级：nLnLLLAeqlg10)101010lg(1010101021（dBA）（10-12）二、声音的传播与衰减声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性。当声波在前进过程中，遇到尺寸比其波长大得多的障碍物时，就会发生反射（reflection）；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就会发生衍射（diffraction，旧称“绕射”），由于衍射现象同障碍物尺寸与声波波长的比值有关，低频噪声更容易发生衍射；当两个或数个声波在传播过程中相遇，其振幅会叠加或削弱，这种现象叫做干涉（interference）。另外，还有声音的共鸣现象和掩蔽效应，等等。由于噪声在传播中要不断地被衰减，因此离噪声源近，噪声大些；离噪声源远，噪声就小。噪声衰减的原因主要：①当声波从声源向四面八方辐射时，波前的面积随传播距离的增加而不断扩大，声波被扩散，通过单位面积上的声能相应减少；②由于传播媒质的粘滞性、热传导和分子驰豫过程等原因，声波被吸收，这两点均使声波在传播过程中声能不断地被转化为其他形式的能量，从而导致声强不断衰减。下面主要分两种情况讨论。1．1．不计空气吸收的声传播与衰减声源类型分点声源、线声源和面声源。声源类型不同，所发出的声波波阵面形状也不同。声波在空间的分布，叫做声场。若声源处于自由空间，即没有任何反射面，则其声场称为自由声场（freefield）；若声源处于高度反射空间，例如一间墙壁、天花板和地板都是钢板的房间，则形成的声场称为混响场或回声场（reverberantfield）。当不计空气吸收时，点声源发出的声波，其测点声压级随测点距声源的距离变化为：)44lg(102RrQLLWp（dB）（10-13）式中Q－考虑点声源在室内位置的指向性因子；r－测点离开声源的距离，m；R－房间常数，1sR，m2；－室内平均吸声系数；s－室内总表面积，m2。（1）当声源在房间中央时Q＝1；在一面墙或地面上时Q＝2；在两墙交线处Q＝4；在三墙交点处Q＝8。（2）在混响场的情况下，各点声压均匀，即与距离无关，此时Q＝0。（3）在自由场情况下，R＝∞，Q＝1；在半自由场的情况下，R＝∞，Q＝2。因此，由式（10-13）可得，点声源在自由场中声压级随测点距声源距离的变化为：11lg20rLLWp（dB）（10-14）由式（10-14）知，若在距声源r1处的声压级为L1时，则在距声源r2处的声压级为L2可用下式计算：212120lg()LLrr（dB）（10-15）即当测点距声源距离加倍时，其声压级则衰减6dB。对于在自由声场中的一个长度为l的线声源，例如马路上接连不断地行驶着的车辆流噪声，它所发出的声波为柱面波，其声压级随距离的衰减可用下式计算，当r≤l/π时：212110lg()LLrr（dB）（10-16）即当测点距声源距离加倍时，其声压级则衰减3dB。r＞l/π时，此时线声源可按点声源考虑，用式（10-15）计算。对于在自由声场中的一个长方形的面声源，设两个边长为a、b（a＜b），则其声压级随离的衰减可按以下三种情况考虑：①当r≤a/π时，衰减值为0dB；②当a/π≤r＜b/π时，则可按线声源考虑，由式（10-16）计算；③r＞b/π时，则可按点声源考虑，由式（10-15）计算。2．2．计及空气吸收的声传播与衰减公式(10-15)中在讨论距离对声压级Lp的衰减时未考虑空气对声波的吸收，而实际在声传播过程中，因空气的粘滞性和热传导，在压缩、膨胀以及运动过程中，使一部分声能被转化为热能而损耗；此外，声能与空气分子的振动能之间转换的滞后也使声能被吸收（这叫弛豫现象），当声波频率接近空气分子的振动固有频率时，能量交换愈多，声能吸收也愈多。在频率范围为125～12500Hz，温度为20℃时，可利用下式来计算上述介质总吸收所引起声压级Lp的附加衰减量Aa：82104.7rfAa（dB）（10-17）式中f一声频率，Hz；r－测点距声源的距离，m；－相对湿度。通常，我们可以发现，湿度下降时，声音的吸收增加；在较高的频率时，声音的吸收也较高。另外，当声波在空气中传播时，除了空气吸收造成的衰减外，还有环境温度和压力、雨雪冰雹、风、大气紊流、地面特征、障碍物等因素造成的衰减，此处不作详细讨论。三、噪声及其评价噪声（noise）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，噪声也是一种由人类各种活动产生的环境污染物。但是噪声有不同于其它污染物象空气污染物、水污染物的特点：①把噪声定义为“不需要的声音”是很主观的，被某人认为是噪声的声音，却可能被另外的人喜爱；②噪声衰退的时间短，不像空气污染物、水污染物等那样长期存在于环境中，因此当人们设法去降低、控制或抱怨环境噪声时，该噪声可能已不再存在；③噪声对人们生理和心理的影响很难评价，其影响经常是错综复杂的、隐伏的，其影响结果的出现是渐近的，以至于很难将原因和结果联系在一起。实际上，一些听觉可能已经受到噪声损害的人，却并不认为自己有什么问题。因此，前述以声压、声强、声功率及其相应的级来表示声音的强弱，只是对声音的客观评价量，而不能准确地反映人对噪声的主观感觉。实验证明，虽然两个声源的声压相同，当其频率不同时，人耳的主观感觉却是高频声比低频声响得多。亦即人耳对声音大小的感觉不但与声压有关，还与频率有直接关系。如何使噪声的客观物理量与人耳感觉的主观量统一起来，这就是噪声评价的重要问题。1．1．响度与等响曲线几十年来，人们对人耳听