環(huán)境物理學(xué).doc

環(huán)境物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究聲環(huán)境及其同人類活動(dòng)的相互作用。 人類生活的環(huán)境里有各種聲波，其中有的是用來傳遞信息和進(jìn)行社會(huì)活動(dòng)的，是人們需要的；有的會(huì)影響人的工作和休息，甚至危害人體的健康，是人們不需要的，稱為噪聲。為了改善人類的聲環(huán)境，保證語言清晰可懂，音樂優(yōu)美動(dòng)聽,20世紀(jì)初,人們開始對建筑物內(nèi)的音質(zhì)問題進(jìn)行研究，促進(jìn)了建筑聲學(xué)的形成和發(fā)展。50年代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)难该桶l(fā)展，城市人口急劇增長，噪聲源也越來越多，所產(chǎn)生的噪聲也越來越強(qiáng)，造成人類生活環(huán)境的噪聲污染日益嚴(yán)重。因此，不僅要在建筑物內(nèi)改善音質(zhì)，而且要在建筑物內(nèi)和在建筑物外的一定的空間范圍內(nèi)控制噪聲，防止噪聲的危害。這些問題的研究涉及物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)、音樂、通信、法學(xué)、管理科學(xué)等許多學(xué)科，經(jīng)過長期的研究，成果逐漸匯聚，形成了一門綜合性的科學(xué)環(huán)境聲學(xué)。在1974年召開的第八屆國際聲學(xué)會(huì)議上，環(huán)境聲學(xué)這一術(shù)語被正式使用。 研究內(nèi)容主要是研究聲音的產(chǎn)生、傳播和接收，及其對人體產(chǎn)生的生理、心理效應(yīng)；研究改善和控制聲環(huán)境質(zhì)量的技術(shù)和管理措施。 噪聲控制：聲是一種波動(dòng)現(xiàn)象，它在傳播過程中，遇到障礙物會(huì)產(chǎn)生反射和衍射現(xiàn)象，在不均勻的媒質(zhì)中或由一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)，也會(huì)發(fā)生折射和透射現(xiàn)象。聲波在媒質(zhì)中傳播，由于媒質(zhì)的吸收作用等，會(huì)隨傳播距離增加而衰減。對于聲的這些認(rèn)識(shí)，是改善和控制聲環(huán)境的理論基礎(chǔ)。在噪聲控制中，首先是降低噪聲源的輻射。工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)可選用低噪聲的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，或是改變噪聲源的運(yùn)動(dòng)方式（如用阻尼、隔振等措施降低固體發(fā)聲體的振動(dòng)，用減少渦流、降低流速等措施降低液體和氣體聲源輻射）。其次是控制噪聲的傳播,改變聲源已經(jīng)發(fā)出的噪聲的傳播途徑,如采用吸聲降噪、隔聲等措施。再次是采取防護(hù)措施，如處在噪聲環(huán)境中的工人可戴耳塞、耳罩或頭盔等護(hù)耳器。 噪聲控制在技術(shù)上雖然已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是由于現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)規(guī)模很大，要采取噪聲控制的企業(yè)和場所為數(shù)甚多，因此在處理噪聲問題時(shí)，須要綜合權(quán)衡技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、效果等問題。 音質(zhì)設(shè)計(jì)：劇場、電影院、音樂廳、會(huì)議廳等建筑物，是人群聚集進(jìn)行文化娛樂和社會(huì)活動(dòng)的場所。這些建筑物中的音質(zhì)問題，既同混響時(shí)間有關(guān)，也同所謂“聲場擴(kuò)散”有關(guān)（見聲場）。音質(zhì)控制一方面要加強(qiáng)聲音傳播途徑中有效的聲反射，使聲能量在建筑物內(nèi)均勻分布和擴(kuò)散，以保證接收者所收聽的直達(dá)聲有適當(dāng)?shù)捻懚?；另一方面要采用各種吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，消除建筑物內(nèi)的不利的聲反射、聲能集中等現(xiàn)象，并控制混響時(shí)間。此外還要降低內(nèi)部和外部的噪聲干擾（見室內(nèi)聲學(xué)）。 噪聲的影響:頻率為 2020000Hz的聲波,傳入人耳可引起聽覺，稱為可聽聲。人需要有一定響度的聲音。但是噪聲會(huì)干擾睡眠，造成神經(jīng)緊張和心情煩惱（見噪聲的生理效應(yīng)）；會(huì)影響語言清晰度，干擾人的社會(huì)活動(dòng)(見噪聲對語言清晰度的影響)；強(qiáng)噪聲還會(huì)影響人體健康,引起暫時(shí)性的聽閾遷移,甚至造成耳聾（見噪聲對聽力的影響）。此外，強(qiáng)噪聲還可能造成精密儀器、儀表失靈等（見噪聲對儀器設(shè)備的影響）。頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲。較強(qiáng)的超聲目前應(yīng)用于清洗、鉆孔、乳化等生產(chǎn)工藝過程中。如強(qiáng)度在160dB以下,對人體健康沒有影響。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲，高強(qiáng)的次聲（100dB以上）可引起人體腔內(nèi)發(fā)生共振現(xiàn)象,造成傷害。 噪聲對人的影響同噪聲的聲級(jí)、頻率、連續(xù)性、發(fā)出的時(shí)間有關(guān)，而且同收聽者的聽覺特性、心理、生理狀態(tài)等因素有關(guān)。所以，研究噪聲對人的影響，既要研究一般影響，也要研究各種特殊的情況，為制定噪聲標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。 噪聲標(biāo)準(zhǔn)：有國際的、國家的和地方的；還有專業(yè)的，如工業(yè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)動(dòng)車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品噪聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)等。城市、工廠、交通運(yùn)輸系統(tǒng)等的噪聲控制都要以噪聲標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩。噪聲標(biāo)準(zhǔn)要能保護(hù)多數(shù)人不受過度噪聲的干擾或傷害（見環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)），因而是防止和消除噪聲污染的重要手段，噪聲控制的技術(shù)措施必須滿足它的要求。 學(xué)科的發(fā)展近年來，噪聲控制研究受到普遍重視，對聲源的發(fā)聲機(jī)理、發(fā)聲部位和特性，以及振動(dòng)體和聲場的分析和計(jì)算，無論在理論方法或?qū)嶒?yàn)技術(shù)方面都有重大發(fā)展，因而有力地促進(jìn)了噪聲控制技術(shù)的發(fā)展。 在機(jī)械振動(dòng)、聲場分布以及二者間耦合的理論方面，處理方法已大大豐富。經(jīng)典的格林函數(shù)已普遍用于振動(dòng)系統(tǒng)的理論分析，使許多復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算有了可能。由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，復(fù)雜的計(jì)算已不成問題。電子計(jì)算機(jī)的使用大大促進(jìn)了振動(dòng)系統(tǒng)（包括聲學(xué)系統(tǒng)）的研究。30年代，聲學(xué)工作者把量子力學(xué)的處理方法用到聲場分析，形成了簡正振動(dòng)方式（或稱簡正波）理論，和傅里葉分析相似，把復(fù)雜系統(tǒng)的振動(dòng)在空間分布和頻率分布上分解為簡正波，以后可分別計(jì)算其特性。這個(gè)理論現(xiàn)在已成為處理振動(dòng)和聲場問題的有力工具，在一些形狀比較規(guī)則的物體或空間的分析上取得了一系列重要成果。此外，發(fā)展了簡正波分析技術(shù)，編寫了簡正波分析的計(jì)算程序，對一些非常復(fù)雜的物體，有時(shí)只要敲擊一下,接收所產(chǎn)生的噪聲或振動(dòng),就可以計(jì)算出其簡正波。在頻率較高時(shí)（物體的尺度大于其中的波長），簡正波的固有頻率（簡正頻率）比較密，為求得平均（不是恰在某個(gè)簡正頻率）振動(dòng)情況，可用統(tǒng)計(jì)方法分析振動(dòng)中的能量關(guān)系,因而發(fā)展了統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA)。這種方法在計(jì)算導(dǎo)彈和飛機(jī)中由外面?zhèn)魅氲脑肼曇约耙话愀袈晢栴}中顯示出威力。具體計(jì)算復(fù)雜物體或系統(tǒng)的簡正頻率是比較困難的。早在 100年前瑞利就提出近似方法(使最大動(dòng)能等于最大位能，因而算出振動(dòng)基頻的方法)，進(jìn)一步發(fā)展這個(gè)概念就創(chuàng)造出有限元方法。這種方法是在物體上選取若干“節(jié)點(diǎn)”，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的質(zhì)量、彈性關(guān)系寫出相應(yīng)的方程式，因此可以把復(fù)雜物體的問題簡化為質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的問題，用計(jì)算機(jī)可求出其振動(dòng)頻率。用這個(gè)方法所得結(jié)果是近似的，但所取單元數(shù)越多，近似的程度越好。在某些情況下,還可以采用邊界元方法,只在表面上取節(jié)點(diǎn)，能大大減少元數(shù)和計(jì)算量。此外，能量流技術(shù)在計(jì)算和降低機(jī)器噪聲方面是新發(fā)展的有力手段。 學(xué)者們對噪聲的時(shí)間函數(shù)作了大量研究，創(chuàng)造了新的手段。多數(shù)噪聲是無規(guī)噪聲，不少噪聲是由簡正波組成的，但在高頻率，簡正波很多，或聲源不只一個(gè)，聲場也是接近無規(guī)噪聲。對噪聲的研究推動(dòng)了數(shù)學(xué)家對概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、隨機(jī)過程等的研究，而這些研究又促進(jìn)了對無規(guī)噪聲的研究。最早是對周期性時(shí)間函數(shù)的傅里葉分析，后來發(fā)展到對非周期性函數(shù)的傅里葉積分，以處理連續(xù)譜。用傅里葉積分由時(shí)間函數(shù)求頻譜函數(shù)或由頻譜函數(shù)求時(shí)間函數(shù)的傅里葉變換，即使使用電子計(jì)算機(jī)，計(jì)算量還是非常大，因而進(jìn)展緩慢。利用三角函數(shù)的特性可以設(shè)計(jì)出計(jì)算方法，使計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間減小到幾十分之一、幾百分之一，從而發(fā)展了快速傅里葉變換(FFT)?，F(xiàn)在已有了FFT計(jì)算機(jī)程序（軟件）和聯(lián)接好的專用設(shè)備（硬件），稱為實(shí)時(shí)分析儀。這種設(shè)備雖然不一定是隨著信號(hào)輸入,當(dāng)時(shí)就得到頻譜,但是速度很快。衡量噪聲的前后聯(lián)系用自相關(guān)系數(shù)，求得兩個(gè)噪聲間的聯(lián)系用互相關(guān)系數(shù)，用這個(gè)概念可分辨噪聲源。在相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上還可以求得相干系數(shù)。這些不僅使人更快地認(rèn)識(shí)噪聲源的性質(zhì)，還可以完成很多過去不可能進(jìn)行的測量工作。FFT和相關(guān)系數(shù)有單獨(dú)的或統(tǒng)一的設(shè)備。在測量手段方面最新發(fā)展是強(qiáng)度測量。在使用現(xiàn)場，任何噪聲源的周圍都不是空無一物，所發(fā)噪聲在墻壁、物體間作多次反射，僅作聲壓測量是不能反映聲能的傳播的。用聲強(qiáng)測量可以直接求得聲源發(fā)出的總聲功率及其各部分的發(fā)聲情況,還可以測得某一部分或墻壁反射聲音,透過聲音等的具體情況和性質(zhì)，這都是過去作不到的。以上這些發(fā)展方興未艾，雖然還沒有充分發(fā)揮作用，但已取得很顯著的實(shí)際效果?，F(xiàn)在可以舉幾個(gè)例子說明。 在氣流噪聲的研究中弄清了噪聲與壓力、噴口等的關(guān)系，從而使降低氣流噪聲成為可能。在撞擊噪聲的研究中，求得加速噪聲、自振噪聲等的特性及其在總噪聲中的地位，從而使降低沖床、壓力機(jī)、印刷機(jī)、打字機(jī)等的噪聲成為可能。在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究中，發(fā)現(xiàn)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)重量的關(guān)系，從而使降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲成為可能。用傳統(tǒng)方法控制噪聲也有很大發(fā)展，取得一定的效果。在建筑音質(zhì)上，也有很大發(fā)展，不僅對擴(kuò)散問題有更深入的理解，而且音質(zhì)與建筑藝術(shù)也已逐漸結(jié)合起來。 在降低現(xiàn)有噪聲的手段方面，空心加氣混凝土砌塊在國外已廣泛使用，在中國發(fā)展的微穿孔板在消聲管道中也已逐漸推廣，在廳堂建筑中也開始使用。最近受到注意的是有源降噪的技術(shù)。這種技術(shù)雖然是50年代的產(chǎn)物，但過去一直未能充分發(fā)展?，F(xiàn)在由于電子計(jì)算技術(shù)的日趨成熟，解決一些技術(shù)問題已無困難，所以又受到比較廣泛的注意。在英國，一個(gè)大型加壓站的噪聲，由于加了一個(gè)反聲（大小相近,相位相反的聲音）系統(tǒng),而降低11dB，改善了周圍環(huán)境。不過現(xiàn)在注意較多的還是小系統(tǒng)，在頭盔內(nèi)使用有源降聲可把噪聲降低1520dB，而所需費(fèi)用不高，這方面還正在發(fā)展。 控制噪聲污染已受到國際和一些國家的注意。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已接受A分貝為評價(jià)噪聲的標(biāo)準(zhǔn),并規(guī)定90dB為保護(hù)人體健康和聽力的最高限，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已為世界各國普遍接受。中國已在工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中正式加以肯定。為了控制城市噪聲，城市噪聲分區(qū)辦法已逐漸推行。中國把城市分為六種區(qū)，以保證城市居民的安寧。在各種產(chǎn)品的噪聲控制方面，各國除了對一般最高噪聲采取限制措施外并要求生產(chǎn)者在銘牌上標(biāo)明噪聲指標(biāo)，以鼓勵(lì)生產(chǎn)者在降低產(chǎn)品噪聲工作中的主動(dòng)性。此外，國家和地方環(huán)境保護(hù)管理部門的督促檢查，以及環(huán)境聲學(xué)知識(shí)的普及等，也都是對普遍改善聲環(huán)境工作的重大措施。 改善聲環(huán)境要求加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、技術(shù)措施和組織管理。在采取措施時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)放在聲源上，但在很多情況下聲源改變較為困難甚至不可能，要更多注意到傳輸通道和接受者，此外，還要注意經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和要求（或標(biāo)準(zhǔn)）問題，有時(shí)還要注意建筑藝術(shù)和設(shè)計(jì)藝術(shù)問題。 參考書目 L.