噪声的评价和标准

第三章　噪声的评价和标准　　噪声对人的危害和影响包括各个方面。噪声评价的目的是为了有效地提出适合于人们对噪声反应的主观评价量。由于噪声变化特性的差异以及人们对噪声主观反应的复杂性，使得对噪声的评价较为复杂。多年来各国学者对噪声的危害和影响程度进行了大量研究，提出了各种评价指标和方法，期望得出与主观响应相对应的评价量和计算方法，以及所允许的数值和范围。在这方面，大致可概括为：与人耳听觉特征有关的评价量；与心理情绪有关的评价量；与人体健康有关的评价量；与室内人们活动有关的评价量等几方面。以这些评价量为基础，各国都建立了相应的环境噪声标准。这些不同的评价量及标准分别适用于不同的环境、时间、噪声源特征和评价对象。由于环境噪声的复杂性，历来提出的评价量（或指标）很多，迄今已有几十种，在本章中主要介绍一些已被广泛认可和使用比较频繁的一些评价量和相应的噪声标准。3畅1　噪声的评价量　　噪声评价量的建立必须考虑到噪声对人们影响的特点。不同频率的声音对人的影响不同，如中高频噪声比低频噪声对人的影响更大，人耳对不同频率的主观反应也不同；噪声涨落对人的影响存在差异，涨落大的噪声及脉冲噪声比稳态噪声更能引起人的烦恼；噪声出现时间的不同对人的影响不一样，同样的噪声出现在夜间比出现在白天对人的影响更明显；同样的声音对不同心理和生理特征的人群反应不同，一些人认为优美的音乐，在另一些人听来却是噪声，休闲时的动听歌曲在你需要休息时会成为烦人的噪声。噪声的评价量就是在研究了人对噪声反应的方方面面的不同特征提出的。3畅1畅1　等响曲线、响度级和响度　　当外界声振动传入我们耳朵内，在我们的主观感觉上形成听觉上声音强弱的概念。根据前面的介绍，人耳对声振动的响度感觉近似地与其强度的对数成正比。深入的研究表明，人耳对声音的感觉存在许多独特的特性，以至于即使到目前为止，还没有一个人工仪器能达到人耳的奇妙的功能。　　人耳能接受的声波的频率范围从２０Hz～２０kHz，宽达１０个倍频程。在人耳听觉范围以外，低于２０Hz的声波通常称为次声波，而高于２０kHz的声波通常称为超声波；同时，人耳又具有灵敏度高和动态范围大的特点，一方面，它可以听到小到近于分子大小的微弱振动，另一方面又能正常听到强度比这大１０１２倍的很强的声振动；与大脑相配合，人耳还能从有其他噪声存在的环境中听出某些频率的声音，也就是人的听觉系统具有滤波的功能，这种现象通常称其为“酒会效应”；此外人耳还能判别声音的音色、音调以及声源的方位等。　　人对声音的感觉不仅与声振动本身的物理特性有关，而且包含了人耳结构、心理、生理等因素，涉及到人的主观感觉。例如，同样一段音乐在你期望聆听时会感觉到悦耳，而在你不想听到时会感觉到烦躁；同样强度不同特点的声音会给你悠闲或危险等截然相反的主观感觉。　　人们简单地用“响”与“不响”来描述声波的强度，但这一描述与声波的强度又不完全等同。人耳对声波响度的感觉还与声波的频率有关，即使相同声压级但频率不同的声音，人耳听起来会不一样响。例如，同样是６０dB的两种声音，但一个声音的频率为１００Hz，而另一个声音为１０００Hz，人耳听起来１０００Hz的声音要比１００Hz的声音响。要使频率为１００Hz的声音听起来和频率为１０００Hz、声压级为６０dB的声音同样响，则其声压级要达到６７dB。　　为了定量地确定声音的轻或响的程度，通常采用响度级这一参量。当某一频率的纯音和１０００Hz的纯音听起来同样响时，这时１０００Hz纯音的声压级就定义为该待定声音的响度级。响度级的符号为LN，单位为方（phon）。例如，１０００Hz的纯音的响度级等于其声压级，对于其他频率的声音，通过调节１０００Hz的纯音的声压级，使它和待定纯音听起来一样响，这时１０００Hz纯音的声压级就等于该待定声音的响度级。对各个频率的声音作这样的试听比较，得出达到同样响度级时频率与声压级的关系曲线，通常称为等响曲线。图３－１是正常听力对比测试所得出的一系列等响曲线，每条曲线上各个频率纯音听起来都一样响，但其声压级则又差别很大。例如，图中７０phon曲线表示，９５dB的３０Hz纯音、７５dB的１００Hz纯音以及６１dB的４０００Hz纯音听起来和７０dB的１０００Hz纯音一样响。　　图３－１中最下面的一根曲线表示人耳刚能听到的声音，其响度级为零，零方等响曲线称为听阈，一般低于此曲线的声音人耳无法听到；图中最上面的曲线是痛觉的界限，称为痛阈，超过此曲线的声音，人耳感觉到的是痛觉。在听阈和痛阈之间的声音是人耳的正常可听声范围。从图中可以看出，人耳能感受的声音的能量范围高达１０１２倍，相当于１２０dB的变化范围。　　响度级的方值，实质上仍是１０００Hz声音声压级的分贝值。所不同的是，响度级的方值与其分贝值的差异随频率而变化。响度级仍是一种对数标度单位，并不能线性地表明不同响度级之间主观感觉上的轻响程度，也就是说，声音的响度级为８０phon并不意味着比４０phon响一倍。与主观感觉的轻响程度成９３３畅１　噪声的评价量图３－１　等响曲线正比的参量为响度，符号为N，单位为宋（sone）。其定义为正常听者判断一个声音比响度级为４０phon参考声强响的倍数，规定响度级为４０phon时响度为１sone。２sone的声音是１sone的２倍响，３sone的声音是１sone的３倍响。经实验得出，响度级每增加１０phon，响度增加一倍。例如响度级为５０phon的响度为２sone，６０phon为４sone。响度与响度级的关系为：LN＝４０＋１０log２N　　（phon）（３－１）N＝２０．１（LN－４０）　　　　（sone）（３－２）3畅1畅2　斯蒂文斯响度　　上节中讲到仅是简单的纯音响度、响度级与声压级的关系。然而，大多数实际声源产生的声波是宽频带噪声，并且不同的频率噪声之间还会产生掩蔽效应（见３畅１畅１２节）。斯蒂文斯（Stevens）和茨维克（Zwicker）对这种复合声的响度注意了掩蔽效应，得出如图３－２所示的等响度指数曲线，对带宽掩蔽效应考虑了计权因素，认为响度指数最大的频带贡献最大，而其他频带由于最大响度指数频带声音的掩蔽，它们对总响度的贡献应乘上一个小于１的修正因子，这个修正因子和频带宽度的关系为：频带宽度倍频带１／２倍频带１／３倍频带修正因子F０畅３００畅２００畅１５０４第三章　噪声的评价和标准图３－２　斯蒂文斯等响度指数曲线　　对复合噪声，响度计算方法为：　　①测出频带声压级（倍频带或１／３倍频带）　　②从图３－２上查出各频带声压级对应的响度指数　　③找出响度指数中的最大值Sm，将各频带响度指数总和中扣除最大值Sm，再乘以相应带宽修正因子F，最后与Sm相加即为复合噪声的响度S，用数学表达式可表示为：S＝Sm＋F·∑ni＝１Si－Sm　　（sone）（３－３）求出总响度值后，就可以由图３－２右侧的列线图求出此复合噪声的响度级值，或可按下式计算得出响度级：１４３畅１　噪声的评价量P＝４０＋１０log２S　　（phon）（３－４）　　［例］　根据所测得的倍频带声压级求响度及响度级中心频率／Hz６３１２５２５０５００１０００２０００４０００８０００声压级／dB７６８１７８７１７５７６８１５９响度指数／sone５１０１０８１２１５２５８　　根据所给出的倍频带声压级值，由图３－２中查出相应的响度指数如上表最后一行所示，其中最大值为Sm＝２５，对于频带宽度为倍频带的测量声级，修正因子F＝０．３，于是由式（３－３）可求得总响度为：S＝２５＋０．３×（９３－２５）sone＝４５．４sone根据图３－２右侧的列线图或式（３－４），可以得出响度为４５畅４sone的噪声所对应的响度级为９５phon。3畅1畅3　计权声级和计权网络　　由等响曲线可以看出，人耳对于不同频率的声波反应的敏感程度是不一样的。人耳对于高频声音，特别是频率在１０００Hz～５０００Hz之间的声音比较敏感；而对于低频声音，特别是对１００Hz以下的声音不敏感。即声压级相同的声音会因为频率的不同而产生不一样的主观感觉。为了使声音的客观量度和人耳的听觉主观感受近似取得一致，通常对不同频率声音的声压级经某一特定的加图３－３　计权网络频率特性权修正后，再叠加计算可得到噪声总的声压级，此声压级称为计权声级。２４第三章　噪声的评价和标准　　计权网络是近似以人耳对纯音的响度级频率特性而设计的，通常采用的有A、B、C、D四种计权网络。图３－３所示的是国际电工委员会（IEC）规定的四种计权网络的频率响应的相对声压级曲线。其中A计权网络相当于４０phon等响曲线的倒置；B计权网络相当于７０phon等响曲线的倒置；C计权网络相当于１００phon等响曲线的倒置。B、C计权已较少被采用，D计权网络常用于航空噪声的测量。A计权的频率响应与人耳对宽频带的声音的灵敏度相当，目前A计权已被所有管理机构和工业部门的管理条例所普遍采用，成为最广泛应用的评价参量。表３－１列出了A计权响应与频率的关系。由噪声各频带的声压级和对应频带的A计权修正值，就可计算出噪声的A计权声级。表3－1　A计权响应与频率的关系（按１／３倍频程中心频率）频率／HzA计权修正／dB频率／HzA计权修正／dB２０－５０．５６３０－１．９２５－４４．７８００－０．８３１．５－３９．４１００００４０－３４．６１２５０＋０．６５０－３０．２１６００＋１．０６３－２６．２２０００＋１．２８０－２２．５２５００＋１．３１００－１９．１３１５０＋１．２１２５－１６．１４０００＋１．０１６０－１３．４５０００＋０．５２００－１０．９６３００－０．１２５０－８．６８０００－１．１３１５－６．６１００００－２．５４００－４．８１２５００－４．３５００－３．２１６０００－６．６　　［例］　从倍频带声级计算A计权声级中心频率／Hz３１．５６３１２５２５０５００１０００２０００４０００８０００频带声压级／dB６０６５７３７６８５８０７８６２６０A计权修正值－３９畅４－２６畅２－１６畅１－８畅６－３畅２０＋１畅２＋１畅０－１畅１修正后频带声级／dB２０．６３８．８５６．９６７．４８１．８８０７９．２６３．０５８．９各声级叠加／dB略略略略８４．０７９．２略略总的A计权声级／dB８５．２３４３畅１　噪声的评价量3畅1畅4　等效连续A声级和昼夜等效声级　　前面讲到的A计权声级对于稳态的宽频带噪声是一种较好的评价方法，但对于一个声级起伏或不连续的噪声，A计权声级就很难确切地反映噪声的状况。例如，交通噪声的声级是随时间变化的，当有车辆通过时，噪声可能达到８５～９０dB，而当没有车辆通过时，噪声可能仅有５５～６０dB，并且噪声的声级还会随车流量、汽车类型等的变化而改变，这时就很难说交通噪声的A计权声级是多少分贝。又例如，两台同样的机器，一台连续工作，而另一台间断性地工作，其工作时辐射的噪声级是相同的，但两台机器噪声对人的总体影响是不一样的。对于这种声级起伏或不连续的噪声，采用噪声能量按时间平均的方法来评价噪声对人的影响更为确切，为此提出了等效连续A声级评价参量。等效连续A声级又称等能量A计权声级，它等效于在相同的时间间隔T内与不稳定噪声能量相等的连续稳定噪声的A声级，其符号为LAeq，T或Leq，数学表达式为：Leq＝１０lg１t２－t１∫t２t１p２A（t）p２０dt　　（dB）（３－５）或Leq＝１０lg１t２－t１∫t２t１１００．１LpA（t）dt　　（dB）（３－６）式中：pA（t）———噪声信号瞬时A计权声压，Pa；p０———基准声压，μPa；t２－t１———测量时段T的间隔，s；LpA（t）———噪声信号瞬时A计权声压级，dB。　　如果测量是在同样的采样时间间隔下，测试得到一系列A声级数据的序列，则测量时段内的等效连续A声级也可通过以下表达式计算：Leq＝１０lg１T∑Ni＝１１００．１LAiτi　　（dB）（３－７）或Leq＝１０lg１N∑Ni＝１１００．１LAi　　（dB）（３－８）式中：T———总的测量时段，s；LAi———第i个A计权声级，dB；４４第三章　噪声的评价和标准τi———采样