物理性污染控制(第二章 噪聲).ppt

1,第二章噪聲污染及其控制,2,第一節(jié)概述,一、聲音和噪聲聲音是一種物理現(xiàn)象，聲音以不同的方式和途徑傳遞著信息，在人類活動中起著非常重要的作用?！奥曇簟币辉~有兩個意思：客觀的聲振動和主觀的聲感覺(后者也叫響聲)。,3,第一節(jié)概述,了解：聲學的發(fā)展歷程,有關建筑聲學的記載最早見于公元前1世紀羅馬建筑師維特魯威所寫的建筑十書。,我國古代是對聲學有突出貢獻的國家之一。東漢王允把聲音與水波類比；宋朝張載：“聲者形氣相軋而成”，“聲成文謂之音”，“音和乃成樂”；古時對噪聲的理解是“群呼煩擾”；16世紀，中國建成了著名的天壇皇穹宇(回音壁)，這是對建筑聲學的一大貢獻。,中世紀，歐洲教堂采用大的內部空間和吸聲系數低的墻面，易產生較長的混響聲。,天壇皇穹宇,到19世紀末，古典理論聲學發(fā)展達到最高峰。,4,第一節(jié)概述,了解：聲學的發(fā)展歷程,20世紀初，美國賽賓提出了著名的混響理論，奠定了現(xiàn)代聲學研究的基礎。,從20世紀20年代開始，電子管和放大器的應用，為現(xiàn)代建筑聲學的進一步發(fā)展開辟了道路。,在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測。,20世紀50年代以來，噪聲污染日益嚴重，逐漸形成了一門新興綜合性學科環(huán)境聲學,5,噪聲簡介狹義：從物理學觀點來說，振幅和頻率雜亂斷續(xù)或統(tǒng)計上無規(guī)則的聲振動稱為噪聲。廣義：從環(huán)境保護的角度來說，一般認為，凡是干擾人們工作、學習和休息的聲音即不需要的聲音統(tǒng)稱為噪聲。噪聲對周圍環(huán)境造成不良影響，就形成噪聲污染，特點是局部性、無后效性（），屬于“感覺公害”，為四大公害之一。,第一節(jié)概述,目前，噪聲污染投訴在環(huán)境投訴中所占比例是最高的。,6,噪聲的種類,第一節(jié)概述,7,城市環(huán)境噪聲,交通運輸,建筑施工,城市環(huán)境噪聲70的來源。汽車噪聲一般為8992dB；電喇叭為90110dB；汽喇叭（火車）105110dB。,建筑用的混凝土攪拌機、打樁機、推土機、鉆機、風動工具等產生巨大的噪聲，常在80dB以上。,8,工業(yè)生產,社會生活,來自生產過程中機械振動、摩擦、撞擊以及氣流擾動產生的聲音。一般紡織廠噪聲為90106dB，機械工業(yè)80120dB，大型球磨機120dB，風鏟、風鎬、大型鼓風機130dB以上。,生活噪聲一般強度不大。在80分貝以下，但它使人心煩意亂，干擾人的正常工作與生活。,城市環(huán)境噪聲,9,街道上顯示噪聲等級的裝置,1,2,3,4,10,聽力損傷（聽覺適應、暫時性聽閾遷移或聽覺疲勞、噪聲性耳聾）；對睡眠（3050dB）、交談、通訊、思考及工作效率的影響；引起人體生理機能不良反應;（神經系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)）影響心理狀態(tài)；影響胎兒及兒童的發(fā)育；損害視力；對動物的影響；對儀器設備、建筑結構的影響。,三、噪聲的危害,第一節(jié)概述,11,1、控制途徑,聲音從產生到引起聽覺三個階段,聲源的振動,空氣等介質的傳播,人耳接收（鼓膜的振動）,從聲源上降低噪聲,從傳播途徑上降低噪聲（）,在接受點進行防護,四、噪聲控制,第一節(jié)概述,12,2、噪聲控制的程序在實際工作中噪聲控制一般可分為兩類情況：一類是現(xiàn)有的企業(yè)噪聲超過國家有關標準，需采取噪聲控制措施；另一類是新建、擴建和改建的企業(yè)，在規(guī)劃、設計時就應考慮噪聲的污染情況、以便確定合理的噪聲控制方案，減少噪聲污染?；境绦颍赫{查、測試噪聲污染情況選擇噪聲允許標準確定噪聲控制方案；進行工程評價，論證控制方案能否達標控制措施的鑒定與評價。,第一節(jié)概述,13,第二節(jié)聲學基礎,一、聲波的形成,聲源的振動,彈性媒介振動,聲波,空氣、固體、液體,14,聲音的產生和傳播,聲源振動時，帶動相鄰的空氣質點，使之交替進行壓縮膨脹運動。這種壓縮、膨脹（疏密相間）交替運動由近及遠向前推進的空氣振動稱為聲波。,第二節(jié)聲學基礎,15,聲音的傳播是實質上是振動的傳播，傳播出去的是物質能量而不是物質本身?？v波：振動方向與聲波的傳播方向一致。在空氣中的聲波是一種縱波。橫波：質點振動方向與波的傳播方向相垂直的波。在固體和液體中可能是縱波，也可能是橫波。,第二節(jié)聲學基礎,16,二、聲波的基本物理量,聲壓（p14）p=(P-P0)帕斯卡（Pa）波長=c/f米（m）周期T秒（s）頻率f=1/T赫茲（Hz）聲速c米/秒（m/s）,第二節(jié)聲學基礎,17,氣體中的聲速為：,（2-4）,空氣的=1.4，則式（2-4）有如下形式：,或,（2-5）,0介質處于平衡態(tài)時的密度，kg/m3；p0介質處于平衡態(tài)時的壓強，Pa；比熱比(定壓比熱定容比熱）T絕對溫度，K。,空氣中的聲速一般可取340m/s。,第二節(jié)聲學基礎,18,三、聲音的頻譜1、頻率、頻程及倍頻程（)頻率：音調是人耳對聲音的主觀感受，在客觀上它決定于聲源振動頻率，頻率是描述聲音特性的主要參數之一。人耳可以聽到聲音的頻率范圍為20Hz20000Hz。頻程：把可聽聲的頻率變化范圍分成若干較小的段落，稱為頻程或頻帶或帶寬。,第二節(jié)聲學基礎,19,n倍頻程：或（2-6）,式中：f2、f1任意頻程的上限頻率和下限頻率，Hz；n頻程倍數,為正實數。噪聲測量中經常使用倍頻程（n=1）和1/3倍頻程。,2:1,4:1,頻程的劃分：使每一個頻程的上限頻率和下限頻率的比值為確定的常數。,例2個頻率相差1個倍頻程就是說兩個頻率之比為（），相差2個倍頻程就意味著頻率之比為（）。,第二節(jié)聲學基礎,20,中心頻率值（f0）：上、下限頻率的幾何平均值，即,（2-7）,帶寬（f）：上、下限頻率之差，即f與f0的關系式為：,（2-10）,每段頻程以中心頻率來命名。,第二節(jié)聲學基礎,21,例可聽聲頻率范圍用10段倍頻程表示如下表所示。每段則以中心頻率來命名。例如對于4590Hz這一段頻程的中心頻率為63Hz，上限頻率為90Hz，下限頻率為45Hz，帶寬為45Hz。,倍頻程的中心頻率與頻率范圍,第二節(jié)聲學基礎,22,三、聲音的頻譜2、頻譜及頻譜分析頻譜：聲音的頻譜是指組成聲音的各種頻率的分布圖形。頻譜分析：噪聲通常包含許多頻率成分，將噪聲的聲壓級、聲強級或聲功率級按頻率順序展開，使噪聲成為頻率的函數。觀察頻率的分布，分析聲壓級（聲強級、聲功率級）所對應的頻率，即稱為頻譜分析。頻譜圖：通常以頻率為橫坐標，聲壓級（聲強級、聲功率級）為縱坐標，來描述頻率與聲音強度的關系圖。,第二節(jié)聲學基礎,23,頻譜圖：,在噪聲控制中，頻譜圖中聲壓級比較突出的部分及其所對應的頻率是重點控制目標。,聲壓級/dB,頻率,（a）線狀譜,（b）連續(xù)譜,（c）復合譜,（a）變壓器噪聲,（b）渦輪風扇氣流噪聲,（c）火車轉彎尖叫聲,第二節(jié)聲學基礎,24,第二節(jié)聲學基礎,四、聲音的波動方程定義：聲場的特性可以通過聲壓、彈性介質密度以及質點的振動速度等物理量來描述。通過研究上述物理量隨時間和空間的變化規(guī)律，建立數學表達式，就稱為聲音的波動方程。,25,四、聲音的波動方程1、運動方程（牛頓第二定律）在直角坐標系中，用聲壓p來描述聲波。在均勻理想流體介質中，小振幅聲波的運動方程是：,或,式中：p瞬時聲壓，Pa；c聲速，m/s；t時間，s；拉普拉斯算符，在直角坐標系中,（2-13）,第二節(jié)聲學基礎,26,2、連續(xù)性方程實質上就是質量守恒定律，參考理想流體的連續(xù)性方程，可得直角坐標系中聲波的連續(xù)性方程：,或,式中：0介質的靜態(tài)密度，kg/m3；介質質點速度u沿x、y、z方向的分量，m/s。,（2-14）,第二節(jié)聲學基礎,四、聲音的波動方程,27,3、物態(tài)方程介質運動時，其內部的壓強、密度和溫度都發(fā)生變化。由于聲波傳播過程進行得較快，故用理想氣體絕熱狀態(tài)方程可以得到聲波傳播時的物態(tài)方程為：,或,（2-15）,由式（2-15）及理想氣體的絕熱方程（）可推出氣體中聲速的計算式（2-4）,第二節(jié)聲學基礎,四、聲音的波動方程,28,活塞在直管中運動所輻射的聲波,五、平面聲波聲波在傳播過程中，同一時刻相位相同的軌跡稱為波陣面。波陣面與傳播方向垂直的波稱平面聲波。,第二節(jié)聲學基礎,聲波的傳播方向,29,五、平面聲波（一）聲壓波動方程運動方程：（2-16）連續(xù)性方程：（2-17）聯(lián)立式（2-15）（2-17），得聲壓p的波動方程：（2-18）式（2-18）的一般解為：,（2-19）,第二節(jié)聲學基礎,30,五、平面聲波（二）瞬時聲壓和有效聲壓（)聲壓：受聲波的傳播擾動，局部空氣產生壓縮或者膨脹，在壓縮的地方壓強增大，在膨脹的地方壓強減小，這樣就在原來的大氣壓上產生了壓強的變化（p=P-P0）。此壓強變化（p）是由于聲波引起，稱為聲壓。瞬時聲壓：有聲波存在的區(qū)域稱為聲場，聲場中某一瞬時的聲壓值稱為瞬時聲壓。,第二節(jié)聲學基礎,31,單一頻率平面波的聲壓波動方程：,（2-19）,（沿x正方向）,（沿x負方向）,（2-20）,圖2-2聲壓隨空間位置和時間的變化曲線,第二節(jié)聲學基礎,32,有效聲壓（pe）：某段時間內瞬時聲壓的均方根值：,（2-22）,平面波的有效聲壓：,（2-23）,聲壓是度量聲音大小，強弱的物理量。正常人耳剛剛能聽到的聲壓(聽閾聲壓)是210-5Pa；普通房間的聲壓是0.1Pa；人們喧嘩的聲壓是0.51Pa。很強的噪聲如球磨機、鑿巖機、風鏟等聲壓達20Pa。這樣強的聲壓會使人耳產生疼痛的感覺叫痛閾聲壓。當聲壓達數百帕以上，比如在噴氣式飛機發(fā)動機，會引起耳膜出血。,第二節(jié)聲學基礎,33,五、平面聲波（三）質點振動速度和聲阻抗率質點振動速度幅值：（2-26）,（2-25）,質點振動速度的有效值：,（2-29）,第二節(jié)聲學基礎,34,五、平面聲波聲阻抗率（）：或（2-30）Zs僅與介質密度和聲速有關，是介質固有的一個常數。當聲波從一種介質傳播到另一種介質的有效界面時，兩種介質的聲阻抗率將決定聲波反射和透射的強度。,單位：Pas/m,第二節(jié)聲學基礎,35,（四）聲能密度、聲強和聲功率1、聲能密度：單位體積介質所含的聲波能量，用D表示。聲場中某點總的平均聲能密度為：2、聲強（）：在聲波傳播方向上單位時間內垂直通過單位面積的平均聲能量，通常用I表示，單位為W/m2。聲強與聲能密度的關系為：,（2-31）,（2-32）,由于聲波的擾動使介質得到的能量稱為聲能,第二節(jié)聲學基礎,36,聲強與聲壓的關系式：,（2-33）,聲強是衡量聲音強弱的物理量之一；與有效聲壓和聲特性阻抗有關；聲強隨距聲源距離的增加而降低；聲強是矢量，其方向就是聲波傳播方向。,第二節(jié)聲學基礎,37,3、聲功率（）：是指聲源在單位時間內輻射的聲能量，用W表示，單位為瓦。自由聲場中，對于均勻輻射的聲源，聲功率與聲強的關系為：,（2-34）,聲功率是表征聲源特性的不變量，反映了聲源的本質。,第二節(jié)聲學基礎,注：自由聲場是指在均勻的各向同性的介質中，邊界影響可以不計時所形成的聲場。,38,五、平面聲波（四）聲音的聲壓級、聲強級、聲功率級聲壓級（）：該聲音的聲壓與基準聲壓之比，取以10為底的對數，再乘以20。單位為分貝（dB）其表達式為：,（2-36）,式中：pe有效聲壓，Pa；p0基準聲壓，210-5Pa,（2-37）,第二節(jié)聲學基礎,39,日常聲壓級及其對人的影響,40,41,聲強級：,（2-38）,式中I聲強，W/m2；I0基準聲強，10-12W/m2。,（2-40）,（2-39）,聲功率級：,第二節(jié)聲學基礎,42,六、球面聲波波陣面為同心球面的波稱為球面聲波。形成條件：點聲源、均勻介質。球面聲波的聲壓與半徑和時間的函數關系（波動方程）為：,（2-41）,從式（2-41）可以看出，瞬時聲壓隨距離的增大而減小，故離聲源越遠，聲音越小,質點振動速度：,（2-44）,球面聲波的聲功率：,第二節(jié)聲學基礎,43,七、聲壓級計算（一）聲壓級相加：1、總聲功率級LW：設W、W1、W2、Wn為總聲功率和各聲源聲功率，則：根據聲功率級的定義可知：,（2-46）,2、總聲強級LI：設I、I1、I2、In為總聲強和各聲源的聲強，則：,（2-48）,44,3、總聲壓級Lp：設p、p1、p2、pn為總聲壓和各聲源的聲壓（有效聲壓）：,（2-41）代入，得：,（2-51）,由代入（2-49），得：,兩邊取對數，并經整理得：,（2-49）,（2-52）,若每個聲壓級都相等：,45,例某車間有兩臺相同的車床，它們單獨開動時，測得聲壓級均為100dB，求這兩臺機床同時開動時聲壓級是多少？解：根據式（2-52）計算得：,由上例可以看出，兩個特性相同，聲壓級相等的噪聲疊加，其總聲壓級比單個聲源的聲壓級增加了3dB。,第二節(jié)聲學基礎,46,例2在某點測得幾個噪聲源單獨存在時的聲壓級分別為84dB、87dB、90dB、95dB、96dB、91dB、85dB、80dB，求這幾個噪聲源同時存在時該點的總聲壓級是多少？解：由,得：,第二節(jié)聲學基礎,47,利用圖表計算多個聲源的總聲壓級：設兩聲壓級Lp1和Lp2，且Lp1Lp2，則：,代入,設，則僅是已知量的函數，故可用Lp1與Lp2計算出,總聲壓級為：,（2-53）,為分貝和的附加值,48,利用圖表計算多個聲源的總聲壓級步驟是：,把要相加的分貝值從大到小排列，按由大到小的順序進行計算；用第1個分貝值減第2個分貝值得；由，查圖或表得，然后按，計算出第l、2個分貝值之和；用第1、2個分貝和之值再與第3個分貝值相加，依次加下去，直到兩分貝之差大于10分貝（或15），可停止相加，此時得到的分貝和即為所求。,第二節(jié)聲學基礎,49,例某針織廠1位擋車工操作臺五臺機器，在她的操作位置測得著五臺機器的聲壓級分別為95dB、90dB、92dB、86dB和80dB，試求在她的操作位置生產總聲壓級是多少？解：先按聲壓級的大小依次排序，從前面兩個開始計算其差值為3，查表2-3或圖2-4，得到相應的附加值為1.8，則前兩個聲壓級的分貝值之和為（95+1.8=96.8），然后逐個相加，如下所示：,95,92,90,86,80,96.8,+1.8,+0.8,97.6,+0.3,97.9,+0.1,98,練習：p95，13,第二節(jié)聲學基礎,50,在噪聲控制中，要抓住噪聲源中主要的、有影響的噪聲源，將這些主要噪聲源的噪聲降下來，才能取得良好的降噪效果。,（二）聲壓級相減：若設背景噪聲為LpB，背景噪聲和被測對象的總聲壓級為Lp，被測對象真實的聲壓級為Lps，根據查表2-4或圖2-5得到對應的修正值，得：,第二節(jié)聲學基礎,51,例某車間有一臺空壓機，當空壓機開動時，測得噪聲聲壓級為90dB，當空壓機停止轉動時，測得噪聲聲壓級為83dB，求該空壓機的噪聲聲壓級為多少？,解：空壓機開動與不開動時的噪聲聲壓級差值為：查表得：，則空壓機的聲壓級為：,第二節(jié)聲學基礎,52,八、聲波的傳播特性（一）聲波的疊加,聲波傳播的獨立性：幾列聲波在同一介質中傳播時，如果這幾列聲波在空間某點處相遇，每列波都將保持自己原有的特性（傳播方向、質點振動方向、頻率、瞬時聲壓等）,不受其它波的影響。,聲波的疊加原理：在幾列聲波重疊的區(qū)域里，介質的質點同時參與這幾列聲波引起的振動，即質點的振動是各列波單獨傳播時在該點引起的振動的合成。,第二節(jié)聲學基礎,53,八、聲波的傳播特性（一）聲波的疊加聲波的疊加原理：多列聲波合成聲場的瞬時聲壓等于每列波瞬時聲壓之和，即：,（2-58）,式中：p合成聲場的瞬時聲壓，Pa；pi第i列波的瞬時聲壓，Pa。,第二節(jié)聲學基礎,54,1、相干波,相干條件：,振動方向相同,頻率相同,相位差固定,相干波：滿足相干條件的幾列波稱為相干波。,設聲場中某點與兩聲源的距離分別為x1和x2，則根據聲波波動方程，兩列波的瞬時聲壓為：,第二節(jié)聲學基礎,55,（2-61）,這兩列波的相位差為：,（2-64）,應用疊加原理，合成聲壓p為：,合成后的聲波仍然是一個同頻率的聲波動。,1、相干波,第二節(jié)聲學基礎,56,當時，pA為極大值，表明在聲場中任一點上，兩列波均以相同相位到達，兩列相干波聲波加強；,當時，pA為極小值，兩列聲波終以相反相位到達，兩列相干波聲波減弱；,合成聲壓幅值：,1、相干波,相干波的加強或減弱稱為干涉現(xiàn)象,第二節(jié)聲學基礎,57,若兩相干波在同一直線上沿相反方向進行時，當其相遇由疊加而形成的合成波稱為駐波，駐波是干涉現(xiàn)象的特例。當則駐波現(xiàn)象最明顯，此時合成聲壓幅值有一極大值和一極小值，前者稱為波腹，后者稱為波節(jié)。,1、相干波,相干波在合成聲場中的平均聲能密度為：,（2-67）,第二節(jié)聲學基礎,駐波的形成,58,2、不相干波具有相同頻率，而相位差無規(guī)則變化的聲波，疊加后的平均聲能密度等于每列聲波平均聲能密度之和。這表明兩列波不發(fā)生干涉，稱之為不相干波。對于具有不同頻率的聲波，無論其相位差固定與否，聲波之間也不發(fā)生干涉，也稱為不相干波。不相干波合成聲的平均聲能密度為：,可得合成噪聲的總聲壓與各列波聲壓的關系式：,（2-69）,（2-70）,第二節(jié)聲學基礎,59,（二）聲波的反射、透射和折射1、垂直入射波的反射和透射,pi,pr,pt,1c1,2c2,0,x,界面,第二節(jié)聲學基礎,60,（二）聲波的反射、透射和折射1、垂直入射波的反射和透射,pi,pr,pt,1c1,2c2,0,x,pu,分界面無限薄，聲壓和法向質點振動速度在兩種介質的分界面x=0處是連續(xù)的：p=pu=u,p=pi+pru=ui+ur,p=ptu=ut,界面,pu,第二節(jié)聲學基礎,61,在界面處，聲壓連續(xù)和質點振動速度連續(xù)，故有：,（2-77）,（2-78）,將式，與（2-78），（2-78）聯(lián)立得：,定義聲壓反射系數rp為反射聲壓幅值pAr與入射聲壓幅值pAi之比，則：,（2-80）,（2-79）,62,定義聲壓透射系數p為透射聲壓幅值pAr與入射聲壓幅值pAi之比，則：,（2-81）,聲波在分界面上反射和透射的大小與入射、反射和透射聲波聲壓大小無關，僅與兩介質的聲特性阻抗（聲阻抗率）有關，這說明介質的聲特性阻抗對聲波的傳播有著重要的影響。,聲壓反射系數：,第二節(jié)聲學基礎,63,聲強反射系數：,（2-82）,聲強透射系數：,（2-83）,（2-84）,（2-80）,聲壓反射系數：,（2-81）,聲壓透射系數：,64,當時，聲波全部透射，只要聲特性阻抗相等，那么對聲波的傳播就好像不存在分界面一樣。,當，如聲波從空氣垂直人射到空氣與水(或墻)的界面上，介質相當于剛性反射體。在介質I中聲波發(fā)生全反射，并且反射聲波與入射聲波形成駐波，界面處形成聲壓波腹（2pA1），速度為零；在介質中，并不產生疏密交替的透射聲波。,當，如聲波從水中人射到空氣與水的界面上，在介質I中，人射聲壓與反射聲壓在界面處，大小相等、相位相反，總聲壓達到極小，近似等于零，而質點速度達到極大，在介質I中也產生駐波聲場。這時在介質中也沒有透射聲波。,65,聲波從空氣中入射到堅硬的剛性物體表面時，大部分的聲能量就會反射回來，反射聲的存在會使噪聲強度提高。,兩種介質聲特性阻抗的差異決定了聲波反射、透射強度。,第二節(jié)聲學基礎,66,1c1,2c2,pi,pr,pt,0,i,r,t,（二）聲波的反射、透射和折射2、斜入射聲波的反射和折射,斯涅爾定律：（1）反射定律：（2）折射定律：,第二節(jié)聲學基礎,67,（二）聲波的反射、透射和折射3、溫度及風速對聲傳播的影響（利用折射定律來解釋）,聲線：聲能傳播方向的曲線，處處與波陣面垂直。,第二節(jié)聲學基礎,68,（三）聲波的繞射（衍射）,（a）小孔、小障礙,（a）大孔、大障礙,聲波在傳播過程中如遇到障脂物(或孔、洞)，當波長比障礙物尺寸大得多時，會繞過障礙物的邊緣前進，而傳播方向改