解决方案噪声控制

噪音的聲學常識

  • 聲音的產生

空氣中的各種聲音,不管它們具有何種形式,都是由於物體的振動所引起的:敲鼓時聽到了鼓聲,同時能摸到鼓面的振動;人能講話是由於喉嚨聲帶的振動;汽笛聲、噴氣飛機的轟鳴聲,是因為排氣時氣體振動而產生的。總之,物體的振動是產生聲音的根源,發出聲音的物體稱為聲源。聲源發出的聲音必須通過中間媒質才能傳播出去,人們最熟悉的傳聲媒質就是空氣,除了氣體外,液體和固體也都能傳播聲音。振動在媒質中傳播的速度叫聲速,在任一種媒質中的聲速取決於該媒質的彈性和密度,因此,聲音在不同媒質中傳播的速度是不同的:在液體和固體中的傳播速度一般要比在空氣中快得多,例如在水中聲速為 1450m/s ,而在銅中則為 5000m/s 。聲音在空氣中的傳播速度還隨空氣溫度的升高而增加。

向前推進着的空氣振動稱為聲波,有聲波傳播的空間叫聲場。當聲振動在空氣中傳播時空氣質點並不被帶走,它只是在原來位置附近來回振動,所以聲音的傳播是指振動的傳遞。如果物體振動的幅度隨時間的變化如正弦曲線那樣,那麼這種振動稱為簡諧振動,物體作簡諧振動時周圍的空氣質點也作簡揩振動。物體離開靜止位置的距離稱位移χ,最大的位移叫振幅α,簡諧振動位移與時間的關係表示為χ=αsin(2πft+φ),其中f為頻率,(2πft+φ ) 叫簡諧振動的位相角,它是決定物體運動狀態的重要物理量,振幅α的大小決定了聲音的強弱。

物體在每秒內振動的次數稱為頻率,單位為赫茲 (Hz)。每秒鐘振動的次數愈多,其頻率愈高,人耳聽到的聲音就愈尖或者說音調愈高。人耳並不是對所有頻率的振動都能感受到的。一般說來,人耳只能聽到頻率為20~20000Hz 的聲音,通常把這一頻率範圍的聲音叫音頻聲。低於 20Hz 的聲音叫次聲,高於 20000Hz 的聲音叫超聲。次聲和超聲人耳都不能聽到,但有一些動物卻能聽到,例如老鼠能聽到次聲,蝙蝠能感受到超聲。

聲波中兩個相鄰的壓縮區或膨脹區之間的距離稱為波長λ,單位為米(m) 。波長是聲音在一個周期的時間中所行進的距離。波長和頻率成反比,頻率愈高、波長愈短;頻率愈低,波長愈長。

  • 噪音及其類型

隨着現代工業、建築業和交通運輸業的迅速發展,各種機械設備、交通工具在急劇增加,噪音污染日益嚴重,它影響和破壞人們的正常工作和生活,危害人體健康,在《中華人民共和國環境噪音污染防治法》中,環境噪音是指在工業生產、建築施工、交通運輸和社會生活中所產生的影響周圍生活環境的聲音。

從物理學角度講,聲音可分為樂音和噪音兩種。表現在聽覺上,有的聲音很悅耳,有的卻很難聽甚至使人煩躁。當物體以某一固定頻率振動時,耳朵聽到的是具有單一音調的聲音,這種以單一頻率振動的聲音稱為純音。但是,實際物體產生的振動是很複雜的,它是由各種不同頻率的許多簡諧振動所組成的,把其中最低的頻率稱為基音,比基音高的各頻率稱為泛音。如果各次泛音的頻率是基音頻率的整數倍,那麼這種泛音稱為諧音。基音和各次諧音組成的複合聲音聽起來很和諧悅耳,這種聲音稱為樂音。這些聲音隨時間變化的波形是有規律的,凡是有規律振動產生的聲音就叫樂音。

如果物體的複雜振動由許許多多頻率組成,而各頻率之間彼此不成簡單的整數比,這樣的聲音聽起來就不悅耳也不和諧,還會使人產生煩躁。這種頻率和強度都不同的各種聲音雜亂地組合而產生的聲音就稱為噪音。各種機器噪音之間的差異就在於它所包含的頻率成分和其相應的強度分佈都不相同,因而使噪音具有各種不同的種類和性質。從環境和生理學的觀點分析,凡使人厭煩的、不愉快的和不需要的聲音都統稱為噪音,它包括危害人們身體健康的聲音,干擾人們學習、工作和休息的聲音及其它不需要的聲音。

根據噪聲源的不同,噪音可分為工業噪音、交通噪音和生活噪音三種,是構成環境噪音的三個主要來源。交通噪音是指飛機、火車、汽車等交通運輸工具在飛行和行駛中所產生的噪音,汽車隔音降噪網重點探討的是汽車在運轉或行駛中產生的交通噪音。噪音使人感到煩惱,強的噪音還會給人體健康帶來危害。

  • 噪音的常見物理量度

當沒有聲波存在、大氣處於靜止狀態時,其壓強為大氣壓強 P0 ;當有聲波存在時,局部空氣產生壓縮或膨脹,在壓縮的地方壓強增加,在膨脹的地方壓強減少,這樣就在原來大氣壓上又增加了一個壓強的變化。一般情況下,聲壓與大氣壓相比是很弱的。聲壓的大小與物體的振動有關,物體振動的振幅愈大,則壓強的變化也愈大,因而聲壓也愈大,我們聽起來就愈響,因此聲壓的大小表示了聲波的強弱。

由於正常人耳能聽到的最弱聲音的聲壓和能使人耳感到疼痛的聲音的聲壓大小之間相差一百萬倍,表達和應用起來很不便。同時,人耳對聲音大小的感受也不是線性的,它不是正比於聲壓絕對值的大小,而是同它的對數近似成正比。這種用對數標度來表示的聲壓稱為聲壓級,它用分貝 dB 來表示。

正常人的聽覺所能感到的最小聲音 即聽域的聲壓級約為 0 分貝 ; 輕聲耳語約為 30 分貝 ; 相距 1 米左右的會話語言約為 60 分貝 ; 公共汽車中約為 80 分貝 ; 重型載重車、織布車間、地鐵內噪聲約為 100 分貝 ; 使人耳痛的聲壓級界限叫人耳閥,數值為 120 分貝 ; 大炮轟鳴、噴氣機起飛約為 130 分貝。 由此可見,當採用聲壓級的概念后,聽域與痛域的聲壓之比從 100 萬倍的變化範圍變成 0~120 分貝的變化。所以對行駛中的汽車來說,在一定聲壓級範圍內,只要降低幾個分貝,人耳就會有明顯感受。許多手持聲級計的實際測量誤差在 2 分貝,也就是說,噪音源不變的情況下,兩次測量結果理論上可以相差 4 個分貝,換句話說,事實上聲噪降低 4 個分貝的時候,普通聲級計可能顯示沒有什麼變化,但是人耳的感覺卻是噪音有明顯下降。用儀器對汽車噪音進行測量並進行評測和研究時,應當遵循嚴格的測試要求和科學的測試方法。

噪音的聲學常識

考慮到人們主觀上的響度感覺,人們設計一種儀器,經頻率計權后測量得到的dB數稱為計權聲級。因為要使儀器能適應所有不同強度的響度修正值是困難的。常用的有A 、B 、C 三種計權網絡,經過A計權曲線測量出的dB讀數稱 A計權聲級,簡稱A聲級或LA ,表示為分貝(A)或dB(A)。A聲級與人們的主觀反映有良好的相關性,即測得的A聲級大,人們聽起來也覺得響。當用A聲級大小對噪音排次序時,與人們主觀上的感覺是一致的。 A 聲級是目前廣泛應用的一個噪音評價量,已成為國際標準化組織和絕大多數國家用作評價噪音的主要指標,許多環境噪音的允許標準和機器噪音的評價標準都採用A聲級或以A聲級為基礎。

但是,A聲級並不反映頻率信息,即同一A聲級值的噪音,其頻譜差別可能非常大。若要比較車輛引發的頻譜很不相同的噪音,就要注意到A聲級的局限性。C計權與A計權在某些頻段測量結果的差別相當大,所以對於一些追求車輛降噪數據的消費者,個別經銷商會利用消費者對聲音測量標準缺乏認知,或者不熟悉測量儀器的操作,用不同的計權讀數來矇騙消費者。這個時候,正是數字欺騙了大家。

  • 噪音的傳播特性

噪聲源總是體現在一定的空間中,因此必須研究聲音在空間中傳播的特性,包括聲波傳播過程中的衰弱、反射、折射、繞射和干涉等現象。傳播聲波的空間稱為聲場,聲場分自由聲場、擴散聲場和半自由聲場。自由聲場是一種理想化的聲場,嚴格地說在自然界中不存在這種聲場,但是我們可以近似地將空曠的野外看成是自由聲場。在聲學研究中為了克服反射聲和防止外來環境噪音的干擾,專門創造一種自由聲場的環境,它可以用做聽力實驗,檢驗各種機器產品的噪音,測量聲源的聲功率,校準一些電聲設備等。擴散聲場與自由聲場完全相反。在擴散聲場中,聲波接近全反射的狀態。例如,在室內,人聽到的聲音除來自聲源的直達聲外,還有來自室內各表面的反射聲。如果室內各表面非常光滑,聲波傳到壁面上會完全反射回來。如果室內各處的聲壓幾乎相等,聲能密度也處處均勻相等,那麼這樣的聲場就叫做擴散聲場(混響聲場)。在聲學研究中,可以專門創建具有擴散聲場特性的房間,即混響室。它可用來測試聲源的聲功率和做不同混響時間下語言清晰度試驗等。在實際生活中,遇到最多的情況,既不是完全的自由聲場,也不是完全的混響聲場,而是介於二者之間的半自由聲場。根據環境吸聲能力的不同,有些半自由聲場接近自由聲場一些,有的更接近擴散聲場。粘貼了平靜隔音吸音棉的車體,由於異型吸音槽對車輛噪音的高效抑制,可以有效改善駕駛室的聲場。

聲源發出的噪音在媒介中傳播時,其聲壓或聲強將隨着傳播距離的增加而逐漸衰減。高頻聲波比低頻聲波衰減得快,當傳播距離較大時其衰減值是很大的,因此高頻聲波是傳不遠的。從遠距離傳來的強噪音如飛機聲、炮聲等都是比較低沉的,這就是在長距離的傳播過程中高頻成份衰減得較快的緣故。除了空氣能吸收聲波外,一些材料例如玻璃、毛毯、泡沫塑料等也會吸收聲音,稱為吸聲材料。當聲波通過這些多孔性吸聲材料時,由於材料本身的內摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使聲波能量受到很大的吸收並衰減,這種吸聲材料能有效地吸收入射到它上面的聲能。

噪音聲波在傳播過程中經常會遇到障礙物,這時聲波將從一個媒質(空氣)入射到另一媒質中去。由於這兩種媒質的聲學性質不同,一部份聲波從障礙物表面上反射回去,而另一部份聲波則透射到障礙物裡面去。利用介質不同的特性阻抗,可以達到減噪目的。

例如,在室外測量噪音時,堅硬的地面、公路和建築物表面都是反射面,如果在反射面上鋪以吸聲材料,那麼反射的聲能將減少。由於聲波的反射特性,在室內產生的某一噪音會從牆面、地面、天花板上及室內各種不同物體上多次反射,這種反射聲的存在使得噪聲在室內的聲壓級比在露天中相同距離上的聲壓級要提高 10~15dB 。為了降低室內反射聲的影響,在房間的內表面覆蓋一層吸聲性能良好的材料,就可以大大降低反射聲,從而使整體噪音得到減弱, 類似的情況體現在車輛上,駕駛室是一個縮小的房間,車輛複雜的噪音作用體現在駕駛室就可以看作是一個噪音源,平靜隔音吸音棉在粘貼過程中總是把帶有異型吸音槽的一面朝向車內,正是最大限度的降低車身雙層隔板之間以及駕駛室內部噪音的反射,同時對噪音起到高效的過濾吸收作用。

聲波在傳播途中遇到不同介質的分界面時,除了發生反射外,還會發生折射,聲波折射時傳播方向將改變。此外,聲波還會產生繞射現象。繞射現象與聲波的頻率、波長及障礙物的大小都有關係。如果聲波的頻率比較低、波長較長,而障礙物的大小比波長小得多,這時聲波能繞過障礙物,並在障礙物的後面繼續傳播,如果聲波的頻率比較高,波長較短,而障礙物又比波長大得多,這時繞射現象不明顯。在障礙物的後面聲波到達得就較少,形成一個明顯的影區。繞射現象在噪音控制中得到了應用。隔聲屏障常被用來減弱高頻噪音的影響,在幅射噪音的機器和工作人員之間,放置一道聲屏障,就可減弱高頻噪音,屏障的高度愈高、面積愈大,降噪效果就愈好,如果在屏障上再覆蓋一層吸音材料則效果更好。平靜引擎蓋防護墊正是利用這種原理起到降噪作用,發動機在引擎蓋下方,因此無需增加聲屏障的高度,只要在引擎蓋上粘貼平靜引擎蓋隔音隔熱棉,其兩倍於隔音面積的吸音表面就會有效降低發動機傳向引擎蓋方向的噪音,使站在引擎艙一側的人會明顯感覺到發動機噪音的降低。

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