第二章-噪声污染及其控制(第2节-声学基础)

1第二章噪声污染及其控制2第一节概述一、声音和噪声声音是一种物理现象，声音以不同的方式和途径传递着信息，在人类活动中起着非常重要的作用。“声音”一词有两个意思：客观的声振动和主观的声感觉(后者也叫响声)。3第一节概述了解：声学的发展历程有关建筑声学的记载最早见于公元前1世纪罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》。我国古代是对声学有突出贡献的国家之一。东汉王允把声音与水波类比；宋朝张载：“声者形气相轧而成”，“声成文谓之音”，“音和乃成乐”；古时对噪声的理解是“群呼烦扰”；16世纪，中国建成了著名的天坛皇穹宇(回音壁)，这是对建筑声学的一大贡献。中世纪，欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面，易产生较长的混响声。天坛皇穹宇到19世纪末，古典理论声学发展达到最高峰。4第一节概述了解：声学的发展历程20世纪初，美国赛宾提出了著名的混响理论，奠定了现代声学研究的基础。从20世纪20年代开始，电子管和放大器的应用，为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测。20世纪50年代以来，噪声污染日益严重，逐渐形成了一门新兴综合性学科—环境声学5噪声简介狭义：从物理学观点来说，振幅和频率杂乱断续或统计上无规则的声振动称为噪声。广义：从环境保护的角度来说，一般认为，凡是干扰人们工作、学习和休息的声音即不需要的声音统称为噪声。噪声对周围环境造成不良影响，就形成噪声污染，特点是局部性、无后效性（※），属于“感觉公害”，为四大公害之一。第一节概述目前，噪声污染投诉在环境投诉中所占比例是最高的。6噪声的种类按来源：分为自然噪声和人为噪声；按频率分布可把噪声分为低频（＜500Hz）、中频（500～1000Hz）和高频（＞1000Hz）噪声；工业噪声按发声机理可分为机械噪声（纺织机、球磨机、电锯等）、空气动力性噪声（鼓风机、空压机等）、电磁噪声（发电机、变压器等）。按城市环境噪声的来源可分为交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声、社会生活噪声；第一节概述按噪声源的时间特性分为稳定噪声和非稳定噪声；7城市环境噪声交通运输建筑施工城市环境噪声70％的来源。汽车噪声一般为89～92dB；电喇叭为90～110dB；汽喇叭（火车）105～110dB。建筑用的混凝土搅拌机、打桩机、推土机、钻机、风动工具等产生巨大的噪声，常在80dB以上。8工业生产社会生活来自生产过程中机械振动、摩擦、撞击以及气流扰动产生的声音。一般纺织厂噪声为90～106dB，机械工业80～120dB，大型球磨机120dB，风铲、风镐、大型鼓风机130dB以上。生活噪声一般强度不大。在80分贝以下，但它使人心烦意乱，干扰人的正常工作与生活。城市环境噪声9街道上显示噪声等级的装置123410听力损伤（听觉适应、暂时性听阈迁移或听觉疲劳、噪声性耳聋）；对睡眠（30~50dB）、交谈、通讯、思考及工作效率的影响；引起人体生理机能不良反应;（神经系统、消化系统、心血管系统）影响心理状态；影响胎儿及儿童的发育；损害视力；对动物的影响；对仪器设备、建筑结构的影响。噪声级/dB主观反映保持正常的谈话距离/m通讯质量45安静11很好55稍吵3.5好65吵1.2较困难75很吵0.3困难85巨吵0.1Noway三、噪声的危害第一节概述111、控制途径声音从产生到引起听觉三个阶段声源的振动空气等介质的传播人耳接收（鼓膜的振动）从声源上降低噪声从传播途径上降低噪声（※）在接受点进行防护四、噪声控制第一节概述122、噪声控制的程序在实际工作中噪声控制一般可分为两类情况：一类是现有的企业噪声超过国家有关标准，需采取噪声控制措施；另一类是新建、扩建和改建的企业，在规划、设计时就应考虑噪声的污染情况、以便确定合理的噪声控制方案，减少噪声污染。基本程序：①调查、测试噪声污染情况②选择噪声允许标准③确定噪声控制方案；④进行工程评价，论证控制方案能否达标⑤控制措施的鉴定与评价。第一节概述13第二节声学基础一、声波的形成声源的振动弹性媒介振动声波空气、固体、液体14声音的产生和传播声源振动时，带动相邻的空气质点，使之交替进行压缩膨胀运动。这种压缩、膨胀（疏密相间）交替运动由近及远向前推进的空气振动称为声波。第二节声学基础15※声音的传播是实质上是振动的传播，传播出去的是物质能量而不是物质本身。纵波：振动方向与声波的传播方向一致。在空气中的声波是一种纵波。横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波。在固体和液体中可能是纵波，也可能是横波。第二节声学基础16二、声波的基本物理量声压（p14）p=(P-P0)帕斯卡（Pa）波长λ=c/f米（m）周期T秒（s）频率f=1/T赫兹（Hz）声速c米/秒（m/s）第二节声学基础17气体中的声速为：00pc（2-4）空气的γ=1.4，则式（2-4）有如下形式：(?)05.20Tc或tc6.045.331（2-5）ρ0——介质处于平衡态时的密度，kg/m3；p0——介质处于平衡态时的压强，Pa；γ——比热比(定压比热／定容比热）T——绝对温度，K。空气中的声速一般可取340m/s。第二节声学基础18三、声音的频谱1、频率、频程及倍频程（※)频率：音调是人耳对声音的主观感受，在客观上它决定于声源振动频率，频率是描述声音特性的主要参数之一。人耳可以听到声音的频率范围为20Hz~20000Hz。频程：把可听声的频率变化范围分成若干较小的段落，称为频程或频带或带宽。第二节声学基础19n倍频程：或（2-6）式中：f2、f1—任意频程的上限频率和下限频率，Hz；n—频程倍数,为正实数。噪声测量中经常使用倍频程（n=1）和1/3倍频程。nff212122logffn2:14:1频程的划分：使每一个频程的上限频率和下限频率的比值为确定的常数。[例]2个频率相差1个倍频程就是说两个频率之比为（），相差2个倍频程就意味着频率之比为（）。第二节声学基础20中心频率值（f0）：上、下限频率的几何平均值，即120fff（2-7）带宽（△f）：上、下限频率之差，即△f与f0的关系式为：12fff0)212(ffnn（2-10）每段频程以中心频率来命名。第二节声学基础21[例]可听声频率范围用10段倍频程表示如下表所示。每段则以中心频率来命名。例如对于45~90Hz这一段频程的中心频率为63Hz，上限频率为90Hz，下限频率为45Hz，带宽为45Hz。倍频程的中心频率与频率范围第二节声学基础22三、声音的频谱2、频谱及频谱分析频谱：声音的频谱是指组成声音的各种频率的分布图形。频谱分析：噪声通常包含许多频率成分，将噪声的声压级、声强级或声功率级按频率顺序展开，使噪声成为频率的函数。观察频率的分布，分析声压级（声强级、声功率级）所对应的频率，即称为频谱分析。频谱图：通常以频率为横坐标，声压级（声强级、声功率级）为纵坐标，来描述频率与声音强度的关系图。第二节声学基础23频谱图：在噪声控制中，频谱图中声压级比较突出的部分及其所对应的频率是重点控制目标。声压级/dB频率（a）线状谱（b）连续谱（c）复合谱（a）变压器噪声（b）涡轮风扇气流噪声（c）火车转弯尖叫声第二节声学基础24第二节声学基础四、声音的波动方程定义：声场的特性可以通过声压、弹性介质密度以及质点的振动速度等物理量来描述。通过研究上述物理量随时间和空间的变化规律，建立数学表达式，就称为声音的波动方程。25四、声音的波动方程1、运动方程（牛顿第二定律）在直角坐标系中，用声压p来描述声波。在均匀理想流体介质中，小振幅声波的运动方程是：2222222221tpczpypxp或2222222zpypxp22221tpcp式中：p—瞬时声压，Pa；c—声速，m/s；t—时间，s；—拉普拉斯算符，在直角坐标系中（2-13）第二节声学基础262、连续性方程实质上就是质量守恒定律，参考理想流体的连续性方程，可得直角坐标系中声波的连续性方程：)(0zuyuxutzyx或ut0式中：ρ0—介质的静态密度，kg/m3；—介质质点速度u沿x、y、z方向的分量，m/s。zyuu、、xu（2-14）第二节声学基础四、声音的波动方程273、物态方程介质运动时，其内部的压强、密度和温度都发生变化。由于声波传播过程进行得较快，故用理想气体绝热状态方程可以得到声波传播时的物态方程为：tctp2或2cp（2-15）由式（2-15）及理想气体的绝热方程（）可推出气体中声速的计算式（2-4）常数pV第二节声学基础四、声音的波动方程28活塞在直管中运动所辐射的声波五、平面声波声波在传播过程中，同一时刻相位相同的轨迹称为波阵面。波阵面与传播方向垂直的波称平面声波。第二节声学基础声波的传播方向29五、平面声波（一）声压波动方程运动方程：（2-16）连续性方程：（2-17）联立式（2-15）~（2-17），得声压p的波动方程：（2-18）式（2-18）的一般解为：xptu0xutp0222221tpcxp)()(21xctxctp（2-19）第二节声学基础30五、平面声波（二）瞬时声压和有效声压（※)声压：受声波的传播扰动，局部空气产生压缩或者膨胀，在压缩的地方压强增大，在膨胀的地方压强减小，这样就在原来的大气压上产生了压强的变化（p=P-P0）。此压强变化（p）是由于声波引起，称为声压。瞬时声压：有声波存在的区域称为声场，声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压。第二节声学基础31单一频率平面波的声压波动方程：)cos(),(kxtptxpA（2-19）)cos(),(kxtptxpA（沿x正方向）（沿x负方向）（2-20）图2-2声压随空间位置和时间的变化曲线第二节声学基础32有效声压（pe）：某段时间内瞬时声压的均方根值：TedtpTp021（2-22）※平面波的有效声压：2Aepp（2-23）声压是度量声音大小，强弱的物理量。正常人耳刚刚能听到的声压(听阈声压)是2×10-5Pa；普通房间的声压是0.1Pa；人们喧哗的声压是0.5~1Pa。很强的噪声．如球磨机、凿岩机、风铲等声压达20Pa。这样强的声压会使人耳产生疼痛的感觉叫痛阈声压。当声压达数百帕以上，比如在喷气式飞机发动机，会引起耳膜出血。第二节声学基础33五、平面声波（三）质点振动速度和声阻抗率质点振动速度幅值：（2-26）cpuueAe02cpuAA0（2-25）)cos(0kxtcpuAx)cos(kxtuA质点振动速度的有效值：（2-29）第二节声学基础34五、平面声波声阻抗率（※）：或（2-30）Zs仅与介质密度和声速有关，是介质固有的一个常数。当声波从一种介质传播到另一种介质的有效界面时，两种介质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度。upZScZS0单位：Pa·s/m第二节声学基础35（四）声能密度、声强和声功率1、声能密度：单位体积介质所含的声波能量，用D表示。声场中某点总的平均声能密度为：2、声强（※）：在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的平均声能量，通常用I表示，单位为W/m2。声强与声能密度的关系为：202cpDe（2-31）cDtxDtSVDI（2-32）x由于声波的扰动使介质得到的能量称为声能第二节声学基础36声强与声压的关系式：2002eecucpI（2-33）声强是衡量声音强弱的物理量之一；与有效声压和声特性阻抗有关；声强随距声源距离的增加而降低；声强是矢量，其方向就是声波传播方向。第二节声学基础373、声功率（※）：是指声源在单位时间内辐射的声能量，用W表示，单位为瓦。自由声场中，对于均匀辐射的声源，声功率与声强的关系为：20ecuSISW（2-34）声功率是表征声源特性的不变量，反映了声源的本质。第二节声学基础注：自由声场是指在均匀的各向同性的介质中，边界影响可以不计时所形成的声场。38五、平面声波（四）