噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)及其量度

1、第二章噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)及其量度第一節(jié)噪聲及其物理雖度一、聲壓、聲功率、聲強(qiáng)1. 聲壓發(fā)聲體的振動(dòng)使周圍的空氣形成周期性的 疏密相問(wèn)層狀態(tài),在空氣中由聲 源向外傳播,形成空氣中的聲波.當(dāng)聲波通過(guò)時(shí),可用聲擾動(dòng)所產(chǎn)生的逾 量壓強(qiáng)來(lái)表述狀態(tài),p P Po 逾量壓強(qiáng)就是聲壓聲場(chǎng)：存在聲壓的空間.瞬時(shí)聲壓：聲場(chǎng)中某一瞬時(shí)的聲壓值.峰值聲壓：在一定時(shí)間間隔內(nèi)最大的瞬時(shí)聲壓值.有效聲壓：當(dāng)聲波傳入人耳時(shí),由丁鼓膜的慣性作用,無(wú)法區(qū)分聲壓的 起伏,起作用的不是瞬時(shí)聲壓值,而是一個(gè)穩(wěn)定的有效聲壓.有效聲壓是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間的均方根值.Pe I； : P2tdt人們習(xí)慣指的聲壓,往往是指有效聲壓,

2、一般的聲學(xué)測(cè)量?jī)x器測(cè)量到的 聲壓就是有效聲壓.在實(shí)際使用中,如沒(méi)有特別說(shuō)明,聲壓就是有效聲壓的簡(jiǎn)稱.人耳對(duì)1000Hz聲音的可 聽(tīng)閾即剛剛能覺(jué)察到它存在的聲壓約為2 10 5 Pa；微風(fēng)輕輕吹動(dòng)樹(shù)葉的聲音約為2 10 4 Pa；普通談話聲相距1m處約為2 10 2 Pa；交響樂(lè)演奏聲相距 510m處約為0.3Pa；大型球磨機(jī)相距2m處約為20Pa 癰閾,即正常人耳感覺(jué)為癰.2. 聲功率聲波傳播到原先靜止的介質(zhì)中,一方面使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近做來(lái)回的振動(dòng),獲得擾動(dòng)動(dòng)能,同時(shí),在介質(zhì)中產(chǎn)生了 壓縮和膨脹的疏密過(guò) 程,使介質(zhì)具有形變的熱能,兩局部能量之和就是由于聲擾動(dòng)使介質(zhì)得 到的聲能能量,以聲的

3、波動(dòng)形式傳遞出去.可見(jiàn),聲波的傳播過(guò)程實(shí)際上伴隨著聲能能量的轉(zhuǎn)移,或者說(shuō)聲波的傳播過(guò)程就是聲能能量的傳播過(guò)程.聲壓作用在體積元上的瞬時(shí)聲功率為W Spu式中：S一體積元截面積；u一聲波傳播速度.人耳對(duì)聲的感覺(jué)是一個(gè)平均效應(yīng)：1 T1 TW T 0 Spudt ST.pudt對(duì)丁平面聲波,有:22W S1P0U0 S& s-22 0 02 c2SPUeP2 sM cSU： cePeUeP0_J2 -聲壓的有效值,U0質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)速度的乂稱為均方根值;有效值,乂稱為均方根值.一個(gè)聲源發(fā)出的聲功率和聲源所發(fā)出的總功率是兩個(gè)不同的概念.聲功率只是聲源總功率中以聲波形式輻射出來(lái)的很小局部.3. 聲強(qiáng)

4、聲強(qiáng)：在某一點(diǎn)上,一個(gè)與指定方向垂直的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的平均聲能能量.2WP22I-U：cPUeSc聲強(qiáng)是有方向的量,它的指向就是聲傳播的方向.可以想象在有反射波存在的聲場(chǎng)中,聲強(qiáng)這一物理量往往不能反映其 能量關(guān)系.例如,同時(shí)存在前進(jìn)波和反射波,其總聲強(qiáng)應(yīng)為111 ,如果兩者相等,那么I 0.這時(shí)只能用聲能密度來(lái)描述能量關(guān)系.聲場(chǎng)中介質(zhì)的單位體積內(nèi)包含的聲能能量,稱為 聲能密度.平均聲能密 度與聲強(qiáng)的關(guān)系為：-L pL2c c對(duì)丁平面聲波,Pe, Ue都是常數(shù),不隨距離變化,所以,平均聲能量密度處處相等.4. 聲功率和聲強(qiáng)的關(guān)系如果聲源均勻地向四周輻射聲能叫做 球面輻射,假設(shè)圍繞聲源

5、半徑為r的球面上的聲強(qiáng)為I,那么聲功率 W與半徑為r的球面上的聲強(qiáng)I有如下關(guān)系：I也4 r2可見(jiàn),當(dāng)聲源的聲功率一定時(shí),球面輻射的聲強(qiáng)i與離開(kāi)聲源的距離的平方成反比.如果聲源放置在剛性平面 上,聲波只能向 半球面空間輻射,假設(shè)距離聲源 半徑為r的半球面上的聲強(qiáng)：1 -W2 r2用指向性因素來(lái)表示,那么|QW2 r2Q 一指向性因素.假設(shè)指向性聲源與無(wú)指向性聲源的聲功率相同,在距兩聲 源相同距離的位置上：1無(wú)指向性點(diǎn)聲源2剛性反射面上點(diǎn)聲源Q4兩壁面邊線中央上點(diǎn)尸源8房間角落上點(diǎn)聲源二、聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)及其運(yùn)算5人耳對(duì)1000Hz聲首的聽(tīng)閾聲壓約為2 10 Pa；癰閾聲壓約為20Pa從聽(tīng)

6、閾到癰閾,聲壓相差100萬(wàn)倍.由此可見(jiàn),聲音的強(qiáng)弱變化范圍是 非常廣的,用聲壓的絕對(duì)值來(lái)衡量聲音的強(qiáng)弱是很不方便的,并且在整個(gè)范圍內(nèi)都采用一定絕對(duì)精度量度的儀器,也是很難實(shí)現(xiàn)的.在聲學(xué)上 普遍采用對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)量度.1. 聲壓級(jí)Lp 20lgB P05P0 -參與聲壓,2 10 Pa,聽(tīng)閾聲壓級(jí)為零分貝.或者為L(zhǎng)p 20lg Pe 94采用對(duì)數(shù)標(biāo)度可以使數(shù)值相關(guān)懸殊的變化縮小到適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi).例如,從人耳的聽(tīng)閾到癰閾,聲壓變化達(dá)100萬(wàn)倍,聲壓級(jí)變化范圍為0120dB<一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音的聲壓大一倍時(shí),聲壓級(jí)約增加6dB,一般人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的分辨水平為0.5 dB2. 聲強(qiáng)級(jí)L|10葉5|0

7、 -參考聲強(qiáng),10-12W/m2,是參考聲壓p0 2 10 Pa對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng),由此, 上式可寫為：LI 10lg I 120綜上所述,聲強(qiáng)可表示為：P；2LI 10lgp 10lg 4 / 2 10 Lp 10lg繡I0crc由丁空氣特性阻抗 c與大氣壓強(qiáng)P成正比,而與絕對(duì)溫度的平方根成反比,6 40010 lgc可改寫為:400101g c1/2_293 P10010lg 273 tt一溫度.通常情況下,大氣壓強(qiáng)與溫度變化范圍不大g 400101g c可以忽略不計(jì),這時(shí)聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)根本相同3. 聲功率級(jí)LwW 10lg - WoW°參考聲功率,1012W,那么上式可寫為L(zhǎng)w 10l

8、gW 120因I W/SS一垂直丁聲傳播方向的面積.Lp Li10lg W ±岫四性1g S I. g W° I.將W 1012W,扁10l2W/m2代入上式,得Lp LiLw 10lgS對(duì)丁自由場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)聲源,其聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的關(guān)系為：Lp Li Lw 10lgS Lw 10lg 4 r2Lw 20lg r 11半自由場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)聲源,其聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的關(guān)系為：Lp LiLw 10lgS Lw 10lg 2 r2Lw 20lgr 84. 聲級(jí)運(yùn)算不能把多個(gè)聲級(jí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的代數(shù)相加,能進(jìn)行相加運(yùn)算的只能是聲音的能量.c c由丁一般噪聲不會(huì)發(fā)生丁涉現(xiàn)象,應(yīng)用聲能量疊加的概念,多個(gè)

9、聲源在同一點(diǎn)廣生的總聲壓應(yīng)為：P；nR2i 1由聲壓級(jí)的定義可得：P220.1LpPo 10 P10°.1Lptn100.1LPi那么有i 1nLpt 10lg10O.1LpiPt那么總聲壓級(jí)為：i 1對(duì)于僅有2個(gè)聲源的疊加,總聲壓級(jí)就變?yōu)椋篖pt 10lg 10O1Lp1 10O.1Lp2對(duì)于排除背景噪聲問(wèn)題,即在測(cè)量聲源過(guò)程中,為了得到聲源的真實(shí)聲壓級(jí), 須排除其他外界噪聲的十?dāng)_,假設(shè)在受外界噪聲十?dāng)_情況測(cè)得聲源聲壓級(jí)為 Lpt,在聲源停止發(fā)聲后,同一點(diǎn)測(cè)得聲壓級(jí)為 Lp1,那么可得到聲源聲壓級(jí), 即Lp2 10lg 1001LPT 100.1LP1P 2聲級(jí)的疊加不僅僅局限于兩

10、個(gè)聲源或多個(gè)聲源發(fā)出的聲音.對(duì)同一個(gè)聲源發(fā)聲也有聲級(jí)疊加的問(wèn)題.一般聲源發(fā)聲所包含的不只是 單一頻率的成分,它發(fā)出的是 各種頻率的聲波,而頻率不同的聲波是 不 發(fā)生十涉,它們之間的疊加 遵循能量相加的原那么.所以,如果聲源 所發(fā)出的聲波各頻率成分的聲壓級(jí),可根據(jù)上述公式計(jì)算其總聲壓級(jí).三、噪聲頻譜人耳可以聽(tīng)到的聲音的 頻率范圍2020000Hz,這個(gè)頻率范圍的聲音叫做 可聽(tīng)聲.頻率低于20Hz的聲音叫次聲,高于20000 Hz的聲音叫超聲,次聲和超 聲人耳感覺(jué)不到.在噪聲限制中研究的是可聽(tīng)聲范圍.一般噪聲都是由許多頻率聲波組成的復(fù)合聲,不同的噪聲含有的頻率成分及各個(gè)頻率上的能量分布是不同的,這

11、種頻率成分與能量分布的關(guān)系稱為噪聲的頻譜.噪聲的頻率特性常用噪聲頻譜來(lái)描述.在噪聲限制中,對(duì)噪聲源進(jìn)行頻譜特性分析是非常重要的.在進(jìn)行噪聲頻譜分析 時(shí),一般不需要每一個(gè)頻率上聲能量的詳細(xì)分布.通常在連續(xù)頻率范圍內(nèi)把它分為假設(shè)十個(gè)相連的小段,每段叫做 頻帶或頻 程,每個(gè)小頻帶內(nèi)聲能量被認(rèn)為是均勻 的,然后研究 不同頻帶上的聲能 量分布情況.劃分頻帶的常用方法有兩種：恒定頻帶寬度,常用于噪聲頻譜的窄帶分析;包定相對(duì)帶寬頻帶,即保持頻帶的上下限之比為常數(shù)鑒丁人耳對(duì)頻率的響應(yīng)特性,噪聲中根本上采用 包定相對(duì)帶寬頻帶 的劃 分方法.f22n即f1或.f2n竭 -fi兩種常用方法：n=1,為倍頻程；n=1

12、/3,稱為1/3倍頻程.頻帶內(nèi)中央頻率是上限頻率和下限頻率的幾何平均值,即:0= f上f下表1倍頻程和1/3倍頻程:倍頻程1/3倍頻程中央頻率下限頻率上限頻率中央頻率下限頻率上限頻率1611.222.412.511.214.11614.117.82017.822.431.522.4452522.42831.52835.54035.54563459050455663567180719012590180100901121251121401601401802501803552001802242502242803152803555003557104003554505004505606305607101

13、00071014008007109001000900112012501120140020001400280016001400180020001800224025002240280040002800560031502800355040003550450050004500560080005600112006300560071008000710090001000090001120016000112002240012500112001410016000141001780020001780022400第二節(jié)振動(dòng)及其物理雖度一、 位移、速度、加速度簡(jiǎn)諧振動(dòng)的瞬時(shí)位移為x Asin( D ,v Asin(

14、t瞬時(shí)速度：從上式可看出速度振幅比位移振幅大倍,振動(dòng)速度相位超前位移2.瞬時(shí)加速度：2Asin( t )簡(jiǎn)諧振動(dòng)加速度的振幅比位移振幅大2 -倍,比速度振幅大倍.振動(dòng)加速度的相位超前位移為,超前速度為2.在這三個(gè)振動(dòng)量中,位移在研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形 時(shí)較為有用；速度主要用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)大小振動(dòng)烈度,與噪聲大小有直 接關(guān)系；加速度常常在研究機(jī)械的疲勞、沖擊等方面被采用,現(xiàn)在也普遍用丁評(píng) 價(jià)振動(dòng)對(duì)人體的影響.在涉及影響人體的振動(dòng)問(wèn)題和環(huán)境振動(dòng)中,說(shuō)明振動(dòng)大小的量常用加速 度,而不用位移和速度.振動(dòng)加速度是一個(gè)隨時(shí)間變化的量,表示振動(dòng)加速度值的大小通常使用峰值、平均值和有效值設(shè)瞬時(shí)加速度為

15、 at Ksin t那么其峰值為 ？ K ,即加速度振幅.a(t)平均值為一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)瞬時(shí)絕對(duì)值的平均量.2a - dt 2K 0 T有效值為一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)瞬時(shí)平方值的平均量的平方根:armst a2Kdt 0 T、2有效值直接與振動(dòng)強(qiáng)度有關(guān),所以,在環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題上, 振動(dòng)加速度有 效值是說(shuō)明振動(dòng)大小最重要的量.除非特別指明,振動(dòng)加速度均指有效值.振動(dòng)加速度級(jí)、振動(dòng)級(jí)、Z振級(jí)從人體剛剛覺(jué)察到振動(dòng)振動(dòng)的加速度約為10-3m/s2到人體能夠承受的 最強(qiáng)振動(dòng)約為103m/s2,振動(dòng)加速度變化高達(dá)100萬(wàn)倍,這給振動(dòng)的 測(cè)量、運(yùn)算和表達(dá)帶來(lái)極大的不便.為方便起見(jiàn),國(guó)家及國(guó)際上有關(guān)振 動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),采用振動(dòng)

16、加速度級(jí)代替振動(dòng)速度級(jí).振動(dòng)的加速度級(jí)定義為Val20 lg -a0(dB)a-振動(dòng)加速度有效值,m/s2;a°-基準(zhǔn)加速度,10-6 , m/s2.振動(dòng)級(jí)是按GB/T1344.1-2007規(guī)定的全身振動(dòng)不同頻率加權(quán)因子修正后 得到的振動(dòng)加速度級(jí),振級(jí)的符號(hào)為 Vl,單位為分貝dB.Z振級(jí)是按按GB/T1344.1-2007規(guī)定的全身振動(dòng)Z加權(quán)因子修正后得到 的振動(dòng)加速度級(jí),Z振動(dòng)記為VLz,單位為分貝dB.第三節(jié)響度與響度級(jí)在噪聲的物理評(píng)價(jià)中,聲壓和聲壓級(jí)是衡量聲音強(qiáng)度的量.聲壓級(jí)越高,聲音越強(qiáng)；聲壓級(jí)越低,聲音越弱.但人耳對(duì)聲音的感覺(jué)不僅和聲壓有關(guān),而且也和 頻率有關(guān),對(duì)高頻聲音

17、 感覺(jué)靈敏,對(duì)低頻聲音感覺(jué)遲鈍.聲壓級(jí)相同而頻率不同 的聲音,聽(tīng)起來(lái)可能不一樣響,如擊打鋼軌和鼓 的聲音,聲壓級(jí)相同聽(tīng)起來(lái)前者比后者響,就是由于前者是高頻聲,后 者是低頻聲0因此,聲壓和聲壓級(jí)只能表征聲音在物理上的強(qiáng)弱,不能表征人對(duì)聲音 的主觀感覺(jué).而研究噪聲限制最終是為人類效勞的,因此,在一定程度上對(duì)噪聲的主觀評(píng)價(jià)比對(duì)噪聲的客觀評(píng)價(jià)更重要.響度是表征人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱程度的主觀感覺(jué)程度,表示聲響的大小.一、響度級(jí)與等響曲線響度級(jí)是表示聲音響度的量,它把 聲壓級(jí)和頻率用一個(gè)單位統(tǒng)一起來(lái),既考 慮聲音的物理效應(yīng),乂考慮聲音對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)的生理效應(yīng).它是人們對(duì)噪聲主 觀評(píng)價(jià)的根本量之一.響度級(jí)的單位是方p

18、hon.它的定義是以頻率為1000Hz的純音的聲壓級(jí)為 其響度級(jí).等響曲線：利用與基準(zhǔn)聲音比較的方法,就能夠測(cè)量出整個(gè)可聽(tīng)頻率范圍的 純音響度級(jí),把聽(tīng)起來(lái)同樣響的各響應(yīng)聲壓級(jí)按頻率連成一條條曲線.曲線 表示響度級(jí)與聲壓級(jí)頻率的關(guān)系,反映了人耳對(duì)各頻率的靈敏度.KKS3 K最下面的曲線是聽(tīng)閾曲線,最上面的曲線是癰閾曲線,聽(tīng)閾和癰閾之間是正 常人耳能夠聽(tīng)到的全部聲音.從等響曲線可以看出：(1) 人耳對(duì)高頻聲音,特別是30004000Hz的聲音敏感,而對(duì)于低頻聲音,特別是100Hz以下的低頻聲音不敏感.如同樣的響度級(jí)80方,對(duì)于20Hz的聲音,聲壓級(jí)是114dB;而對(duì)于120Hz的聲音,聲壓級(jí)是82

19、dB;對(duì)于1000Hz的聲音來(lái)說(shuō),聲壓級(jí)是 80dB;對(duì)于4000Hz的聲音,聲 壓級(jí)是70dB;它們都在響度級(jí)為80方的等響曲線上.(2) 當(dāng)聲壓級(jí)小、頻率低時(shí),對(duì)于某一聲音,聲壓級(jí)和響度級(jí)的差異很大, 如聲壓級(jí)為40dB的50Hz的低頻聲是聽(tīng)不見(jiàn)(低于聽(tīng)閾線),它的響 度還不到零方.而同樣40dB聲壓級(jí)的80Hz的低頻聲的響度級(jí)為20 方,600Hz的中音為42方,1000Hz的高音為40方.3當(dāng)聲壓級(jí)高于100dB時(shí),等響曲線已逐漸拉平.這說(shuō)明,當(dāng)聲音到達(dá) 一定程度高于100dB,人耳已不易分辨出上下頻聲音,聲音的響度 只決定于聲壓級(jí),而與頻率關(guān)系不太大.二、響度響度級(jí)是個(gè)相對(duì)量,響度級(jí)

20、不能表示出一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音響的程度.用響度單位宋son確定聲音響度的標(biāo)度.響度與響度級(jí)之間并不呈正比關(guān)系,即響度級(jí)增加1倍,聲音的響亮程度增加了不止1倍.40方的響度一1宋；50方的響度2宋60方的響度4宋；70方的響度-8宋即響度級(jí)每改變10方,響度相應(yīng)改變1倍Ls 40S 2 10S一響度宋；Ls一響度級(jí)方.上式適用范圍2012.方,20方以下不適用.用響度表示聲音的大小,可以直接算出聲響增加或降低的K分?jǐn)?shù).如某聲源 以聲學(xué)處理后,響度級(jí)降低10方,貝U相當(dāng)丁響度降低50%;響度級(jí)降低20 方,相當(dāng)丁響度降低75%;響度級(jí)降低30方,相當(dāng)丁響度降低87%等.這 種表示方法很直觀.第四節(jié)

21、A聲級(jí)和等效連續(xù) A聲級(jí)一、 A聲級(jí)由等響曲線可以看出,人耳對(duì)高頻聲音,特別是對(duì) 30004000Hz的聲音比較 敏感,而對(duì)低頻聲音,特別是100Hz以下的可聽(tīng)聲不敏感,且頻率越低越不 敏感.在測(cè)量聲音的聲級(jí)計(jì)上裝置了對(duì)頻率的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),即加上一個(gè)濾波器.其方 法是在聲級(jí)計(jì)的放大線路中插入計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò).A計(jì)權(quán)-40方的等響曲線倒立后的形狀相接近.使接收、通過(guò)的低頻段聲音 有較大的衰減.B計(jì)權(quán)-70方的等響曲線倒立后的形狀相接近.使接收、通過(guò)的低頻段聲音 有一定的衰減.C計(jì)權(quán)一100方的等響曲線倒立后的形狀相接近.在整個(gè)可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)有 近乎平直的特性,它讓所有頻率的聲音以近乎一樣的程度通過(guò).D計(jì)權(quán)-

22、主要用丁航空噪聲的評(píng)價(jià),目前應(yīng)用較少.不加計(jì)權(quán)dB;加計(jì)權(quán)dB(A)或 dBA ; dB(C)或 dBC表2 A、B、C、D計(jì)權(quán)曲線頻率響應(yīng)特性的修正值相對(duì)響應(yīng)/dB頻率/HzA計(jì)權(quán)曲線B計(jì)權(quán)曲線C計(jì)權(quán)曲線D計(jì)權(quán)曲線10-70.4-38.2-14.3-26.612.5-63.4-33.2-11.2-24.616-56.7-28.5-8.5-22.620-50.5-24.2-6.2-20.625-44.7-20.4-4.4-18.731.5-39.4-17.1-3.0-16.740-34.6-14.2-2.0-14.750-30.2-11.6-1.3-12.863-26.2-9.3-0.8-10

23、.980-22.5-7.4-0.5-9.0100-19.1-5.6-0.3-7.2125-16.1-4.2-0.2-5.5160-13.4-3.0-0.1-4.0200-10.9-2.00-2.6250-8.6-1.30-1.6315-6.6-0.80-0.8400-4.8-0.50-0.4500-3.2-0.30-0.3630-1.9-0.10-0.58000.800-0.61000000012500.6002.016001.00-0.14.920001.2-0.1-0.27.925001.3-0.2-0.310.431501.2-0.4-0.511.640001.0-0.7-0.811.150000.5-1.2-1.39.66300-0.1-1.9-2.07.68000-1.1-2.9-3.05.510000-2.5-4.3-4.43.412500-4.3-6.1-6.21.416000-6.6-8.4-8.5-0.720000-9.3-11.1-11.2-2.7研究發(fā)現(xiàn),不管多大聲級(jí)的聲音,用 A聲級(jí)測(cè)得的結(jié)果與人耳對(duì)聲音的響度 感覺(jué)相近,因此,人們就把A聲級(jí)作為評(píng)價(jià)噪聲的主要指標(biāo).但A聲級(jí)不能代替倍頻程聲壓級(jí).相同的A聲級(jí)其頻譜特性可能有很大的差 異.二、等效連續(xù)A聲級(jí)當(dāng)評(píng)價(jià)噪聲對(duì)人體的影響時(shí),不但要考