噪声振动第6章1

第6章噪声污染及控制143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。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(noisepollution)。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。第6章噪声污染及控制144(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，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第6章噪声污染及控制145一个初步研究发现，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40~185亿美元，1978年约为60~277亿美元。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(m)、频率ƒ(Hz)和声速C(m/s)，它们之间的关系是：C=f(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20~20000Hz，而对频率在3000~4000Hz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(soundintensity)，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10-12~10W/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(soundintensitylevel)：01lg10IIL(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(soundpressure)。声压的单位与压强的相同，在国际单位制中压强的第6章噪声污染及控制146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：CPI2(6-3)式中：—空气密度(kg/m)；C—空气中声速(m/s)。C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(soundpressurelevel)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10-5~20Pa，相应的声压级的范围为0~120dB。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203.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(soundpower)，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(soundpowerlevel)Lw(dB)可用下式表示：0lg10WWLw(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=4r2I(6-6)第6章噪声污染及控制147式中：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(C400)(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。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