123噪声测量

12.3噪声测量•随着现代工业、交通运输和城市建设的迅速发展，噪声对环境的污染日益严重，为此，国际标准化组织以及许多国家都纷纷制定了有关标准，用于环境噪声的监测和各类噪声的控制。•在众多的噪声源中，动力机械发出的噪声占着主要位置，例如，对城市环境影响最大的是交通噪声，即车辆噪声，而内燃机作为各类交通运输工具的主要动力，其噪声对环境的污染也就集中地反映在交通噪声方面，且已成为城市环境噪声的主要来源之一。此外，直接影响生活环境的还有空调与通风设备的噪声等。•噪声测量是噪声控制的基础。本节主要介绍与噪声测量有关的基本声学概念、测量与评价方法以及典型的测量仪器。•12.3.1噪声测量中的基本声学概念•噪声是一种声音，因而具有声波的一切特性，物理学中的声学知识均可用于对噪声的理解与分析。这里主要选取与噪声测量有关的声学概念加以简要说明。•1．声场•声波传播的空间统称为声场；•允许声波在任何方向作无反射自由传播的空间叫自由声场；•而允许声波在任何方向作无吸收传播的空间叫混响声场。•显然，自由声场可以是一种没有边界、介质均匀且各向同性的无反射空间，也可以是一种能将各个方向的声能完全吸收的消声空间。与此相反，混响声场是一种全反射型声场。然而，除非人为特别创造，否则在现实的生活环境中并不存在上述两种极端的空间。•如果某一空间仅以地面为反射面，而其余各个方向均符合自由声场的条件，则称半自由声场。•对于房屋等生活空间，其边界(如墙壁、地面、天花板或摆设物等)既不完全反射声波，也不完全吸收声波，这种空间称为半混响声场。第三章电阻应变式传感器第三章电阻应变式传感器第三章电阻应变式传感器•2．声压与声压级•声压是指声波波动引起传播介质压力变化的量值。设介质处于平衡状态时各处的静压为p1，当声波通过时介质中某点的压强变为p2，其变化量p即为声压，即：p=p2-p1•通常，声压的数值要比大气压小得多。例如：•（1）对于一台内燃机的工作噪声，在距离内燃机表面lm处的声压只有1Pa，仅为大气压的1/105。•（2）人的感官对声波的接收不仅有频率范围，也有声压范围。具有正常听力的人能够听到的最弱的声压为2×10-5Pa，称为听阈声压(国际上把频率为lkHz的听阈声压作为基准声压)。当声压达到20Pa时，人耳开始感到疼痛，称之为痛阈声压。虽然从听阈到痛阈是正常听觉的声压范围，但两阈值之间相差100万倍。可见，用声压的绝对值来衡量声音的强弱很不方便。•声学上引入“级”的概念，用成倍比关系的对数量来表示声音的强弱，即用声压级表示声压的大小。•其声压级Lp的定义为：式中：P0为基准声压，P0=2×10-5Pa。•声压级Lp的单位为分贝(dB)，它是一个相对于基准的比较指标，用以反映声音的相对强度。•声压变化10倍，声压级改变20dB。可见，引入级的概念后，听觉范围由原来百万倍的声压变化幅度缩小为0～120dB的声压级变化。•3．声能、声能密度、声功率、声能流密度和声强•1)声能、声能密度和声功率声波的传播过程实质上是声源的振动能量在介质中的传播过程。声波传播时质点受激产生振动，同时也产生压缩及膨胀的形变。显然介质中既有振动的动能又有形变的位能，这两部分相加就是声能。单位体积的声能定义为声能密度，用e表示；单位时间内声源传播的总声能用声功率(W)表示。•2)声能流密度和声强定义单位时间内通过与能量传播方向垂直的单位面积的声能为声能流密度，记做ω(W/mm2)。ω是矢量，指向为声波传播方向，其瞬时值在数量上可表示为相应质点振动速度v和声压p的乘积，即：ω=pv•为了表示声波能量的强度，取声能流密度ω在一个周期T内的时间平均值，称做声强I，即：式中的v和P均取其实部。•记瞬时声强为I(x，t)，声能流密度ω实际上就是I(x，t)。声强I也是矢量，指向也是声波传播的方向。下图表示声场中某一点的声压p、质点振速v、声能流密度ω和声强I随时间的变化关系，声强I是ω的时间平均值。•4．声功率级和声强级•与声压和声压级之间的关系相似，声功率和声强的相对大小也可用“级”来度量。声功率级和声强级的定义分别为：•式中：Lw为声功率级，dB；W为声源辐射的声功率，W；W0=l0-12W，为基准声功率；L1为声强级，dB；I为声波声强，W/mm2；I0=l0-12W/mm2为基准声强。•表12-7给出了点声源的声功率级与声压级的换算关系，式(12-16)则反映了声强级与声压级之间的对应关系：•式中：ρ0为传播介质的密度；c为声波传播速度；ρ0c为传播介质的特性阻抗，由于修正项10lg(400/ρ0c)很小，故声压级与声强级的数值基本相等。•5．噪声频谱•1)频程振幅(强度)、频率和相位是描述波动现象的特性参数，声波也不例外。通常，噪声由大量不同频率的声音复合而成，有时噪声中占主导地位的可能仅仅是某些频率成分的声音，了解这些声音的来源和性质是确定降噪措施的基本依据。在很多情况下，只测量噪声的总强度(即噪声总声级)是不够的，还需要测量噪声强度关于频率分布。但是，如果要在正常听觉的声频范围20～2×104Hz内对不同频率的噪声强度逐一进行测量，不仅很困难，而且也不必要。对此，通常是将声频范围划分为若干个区段，这些区段称为频程或频带。测量时，通过改变滤波器通频带的方法，逐一测量出每段频程上的噪声强度，这就是所谓的分频程测量。•噪声测量中最常用的是1倍频程和1/3倍频程。（1）1倍频程：指频带的上、下限频率之比为2：1的频程；（2）1/3倍频程：对1倍频程3等分后得到的频程，即其频带宽度仅为1倍频程的1/3。表l2-8和表l2-9分别是1倍频程和l/3倍频程中常用的中心频率及相应的频率范围。•表12-81倍频程的中心频率及其频率范围中心频率31.563125250500频率范围22～4545～9090～180180～355355～710中心频率100020004000800016000频率范围710～14001400～28002800～56005600～1120011200～22400fci+1=2fci,2cLUULfffff•表12-91/3倍频程的中心频率及其频率范围中心频率506380100125160频率范围45～5656～7171～9090～112112～140140～180中心频率200250310400500630频率范围180～224224～280280～355355～450450～560560～710中心频率80010001250160020002500频率范围710～900900～11201120～14001400～18001800～22402240～2800中心频率3150400050006300800010000频率范围2800～35003550～45004500～56005600～71007100～90009000～1120中心频率1250016000＼＼＼＼＼＼＼＼频率范围11200～1400014000以上＼＼＼＼＼＼＼＼每个倍频程频带再按等比级数（1：21/3:22/3:2)分成三份。2)频程声压级和频谱能级•在噪声频谱中，声压级分布在350Hz以下的噪声称为低频噪声；•声压级分布在350～l000Hz范围内的噪声称为中频噪声；•声压级分布在1000Hz以上的噪声称为高频噪声。•图12.15为某一增压柴油机(24缸，转速l050r/min)的1/3倍频程噪声频谱图。由图12.15可见，在整机噪声中，中、低频部分以柴油机噪声为主，而高频部分则以废气涡轮增压器的噪声为主。•噪声测量中的声级计算•1．声级的合成当声场中同时存在几个互相独立的声源时，根据能量的叠加性，可得这些声源的合成总声功率Wt为Wt=W1+W2+…+Wn式中：W1、W2、…、Wn分别为各声源的声功率。根据声功率级的定义可得由各声源的合成的总声功率级LWt为可见，声功率级的合成并非是各声源功率级的直接相加，而是在遵循能量叠加原则下的对数运算，这是由“级”的对数量性质所决定的。•声功率级的数值常常用声压级的测量值换算得到。假设已经测得各声源单独发声的声压级为Lpi(i=1，2，…，n)，需要求出它们同时作用时的总声压级Lpt。Lpt≠Lp1+Lp2+…+Lpn。根据声压级的定义，总声压级的表达式为:式中：Pt为各声源合成的总声压。根据能量的叠加性和W∝p2的关系，可以推导出总声压pt的计算式为:式中：pi(i=1，2，…，n)为各声源的总声压。•总声压级：•或写成由定义式(12-11)可以求出因此，总声压级Lpt与各声源声压级Lpi(i=1，2，…，n)之间的关系可表示为：设有两个声源，单独发声时的声压级均为l00dB，即Lp1=Lp2=100dB，可以求出它们同时发声时的合成总声压级Lpt为103dB，而不是200dB。•2．声级的分解•在噪声测量中经常会碰到这样的问题：测量现场除待测声源外，还存在其他声源，例如，在实验室中进行内燃机噪声测量时，周围还存在排风扇、测功机等设备的运转噪声。另外的情况还有：为了判断某一机器设备运转时的主要噪声源，需要从机器中逐一分解出单个运动部件产生的噪声等。•首先测出合成噪声的声级，如总声压级Lpt。对于前一种情况，Lpt是待测部件与其他部件一起工作时的整机噪声声压级，然后让待测的机器停止运转或拆除待测部件，再测量这时的噪声声压级，记为Lpb通常，Lpb称为待测噪声的背景噪声。显然，Lpt与Lpb的差别就是待测噪声声压级Lpm它们之间的关系满足：•由此可以得到待测噪声的声压级为：•3．声级平均值•噪声测量中往往围绕噪声声源在同一测量表面(指与声源距离相同的表面)上布置多个测点，逐点测量噪声级，然后用它们的平均值来表示待测的噪声级。与上述声级的合成与分解一样，声级的平均值也必须按照能量平均的方法来求。根据这一原则容易推导出声压级平均值的计算公式为：式中：为测量表面平均声压级；m为总的测点数目；Lpi(i=1，2，…，n)为第i个测点的声压级。有关声级的计算方法，可归纳出如下几点。•(1)声级的合成、分解等运算不是声级的直接相加或相减，而是在遵循能量叠加原则下的对数运算；•(2)对于两个独立的声源，设它们的声压级分别为Lp1和Lp2，其中Lp1≥Lp2，则它们共同产生的总声压级为：•若记，则在任何情况下，，而且可以推算，随着Lp1与Lp2之间差值的增加，△Lp将减少。•(3)一般情况下，由于同一声源多测点的声压级平均值不等于其算术平均值，因而不能直接采用算术平均的计算方法求取。但是在工程测量中，当各个测点的声级相差不大于5dB时，为了简便，有时也按照算术平均法来计算声级平均值，其误差小于ldB。•噪声评定值•1．响度级人耳对声音的感受不仅与声压有关，而且还与频率有关，例如，声压级相同而频率不同的声音，频率高的听起来就响些。响度级正是根据人耳的这种听觉特性而提出的噪声评定值，它选取l000Hz的纯音为基准声，如果待测的声音听起来与某一基准声一样响，则该基准声的声压级分贝值就是待测的声音的响度级，其单位为phon。举例来说，响度级为85phon的声音听起来与声压级为85dB、频率为l000Hz的纯音一样响。利用上述与基准声进行比较的方法，可以得到如图l2.16所示的整个听觉范围内的等响曲线。等响曲线已被国际标准化组织(ISO)所采用，也称为国际标准等响曲线。•图中同一条曲线上的各个点对应着不同的声压级和频率，但具有同一响度级。等响曲线反映了人耳对高频声音较为敏感的听觉特性，如对于声压级同样为60dB，而频率分别为100Hz和1000Hz的声音，前者的响度级是50phon，而后者的响度级为60phon。•2．计权声级噪声通过一种专门设计的频率修正(听觉特性修正)电路后，某些频率成分将被衰减。在噪声测量中，这种电路叫频率计权网络，用带有频率计权网络的仪器测得的噪声值为计权声级，统称噪声级。常用的计权网络有A、B、C三种，它们的衰减特性曲线如图12.17所示，相应的计权声级分别记为LA、LB和LC，单位为dB。•A计权网络：模拟人耳40phon等响曲线设计，主要衰减人耳不