第七章聲學(xué)基本理論及分析方法

第七章聲學(xué)基本理論及分析方法

噪聲：一種人們不愿意聽到的聲音。事實(shí)上，在深夜影響人們正常休息的音樂也是噪聲。它是震動頻率在一定頻率范圍內(nèi)的機(jī)械縱波，因此它具有波的全部特性，如反射、折射和衍射等。研究噪聲的目的是：降噪。聲音的實(shí)質(zhì)是波。

聲波：能引起人聽覺的波稱為可聞聲波，簡稱聲波，其頻率范圍是20～20000Hz；

超聲波：頻率大于20000Hz；

次聲波：頻率小于20Hz。

第一節(jié)聲學(xué)的度量聲壓聲強(qiáng)聲功率聲級一、聲壓

聲壓：介質(zhì)中有聲波傳播時的壓力與無聲波傳播時的靜壓力之間有一個差額，這一差額稱為聲壓。聲波是疏密波，在稀疏區(qū)域的實(shí)際壓力小于原靜壓力，聲壓為負(fù)；在稠密區(qū)域，實(shí)際壓力大于原靜壓力，聲壓為正。聲壓是隨時間變化的，每秒鐘內(nèi)波動的次數(shù)往往較大，當(dāng)傳到人耳時，由于耳膜的慣性作用，辨別不出壓力的變化。聲壓一般是指有效聲壓，它是一定時間間隔內(nèi)，瞬時聲壓的均方根值，即：

式中：——瞬時聲壓，；

T——

時間間隔，s；

二、聲強(qiáng)

聲強(qiáng)：在垂直與聲波傳播方向的單位面積上，單位時間內(nèi)通過的聲能。當(dāng)聲強(qiáng)的數(shù)值小到一定程度時，人耳就感覺不到了，該數(shù)值稱為聽域聲強(qiáng)。國際上統(tǒng)一規(guī)定，聽域聲強(qiáng)為。隨著聲強(qiáng)的加大，到人耳感到疼痛難忍時,該聲強(qiáng)稱為痛域聲強(qiáng)，其數(shù)值為1。聲強(qiáng)不易用一般儀器測得，而且聲音的最終判斷者——聽覺器官——也是按作用在人耳鼓膜的壓力大小來衡量的。因此用聲壓表示聲音的強(qiáng)弱更直觀方便。好在聲強(qiáng)和聲壓之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系，在自由平面波或球面波的情況下，在傳播方向上的聲強(qiáng)為：式中：—有效聲壓，；—媒質(zhì)密度，；—聲速。二、聲強(qiáng)

在聲學(xué)中，將二者的乘積稱為聲特性阻抗，在和1個大氣壓力的空氣中，。因此，與聽域聲強(qiáng)值相對應(yīng)的聽域聲壓為，與痛域聲強(qiáng)值對應(yīng)的痛域聲壓為。三、聲功率

聲功率：聲源在單位時間內(nèi)輻射出的聲能量。它和聲強(qiáng)的關(guān)系是：式中：——包圍聲源曲面的總面積，；

——曲面上某點(diǎn)的聲強(qiáng)，。平面波：球面波：當(dāng)聲源方在有反射的地面上，聲源只能向半球面空間輻射，此時：四、聲級

物理學(xué)家韋伯的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人耳對聲音的感覺（聽覺）與客觀物理量（聲強(qiáng)、聲壓）之間并不是線性關(guān)系，而近似于對數(shù)關(guān)系，即人的聽覺隨刺激量的增大而逐漸趨于遲鈍。為此，人們引出了一個成倍比關(guān)系的對比量——聲級,用以表達(dá)聲音的強(qiáng)弱大小。它是一個作相對比較的無量綱單位。與聲強(qiáng)、聲壓、聲功率等物理量的對應(yīng)關(guān)系是聲強(qiáng)級、聲壓級、聲功率級，彼此之間的關(guān)系見下表。四、聲級

聲學(xué)量、級的關(guān)系表名稱

聽域

痛域可聽范圍比聲強(qiáng)1

聲壓20聲功率1聲強(qiáng)級01201:121聲壓級01201:121聲功率級01201:1211、聲強(qiáng)級

聲強(qiáng)級：式中：——被測聲音的聲強(qiáng)，；

——

聽域聲強(qiáng)，，。2、聲壓級

聲壓級：式中：——被測聲音的聲壓，；

——聽域聲壓（或稱基準(zhǔn)聲壓），在

Hz時的聽域聲壓。3、聲功率級

聲功率級：式中：——被測聲音的聲功率，；

——基準(zhǔn)音的聲功率，。第二節(jié)聲壓級的合成與分解

有n各聲源，各單一聲源的聲壓分別為，對應(yīng)的聲壓級分別為。下面分別介紹聲壓的合成與分解。1、聲壓的合成

由式知，聲壓是一定時間間隔內(nèi)瞬時聲壓的均方根值，由此可見，n個聲源其聲壓的疊加應(yīng)為幾何疊加，即：任一聲源的聲壓級為：

式中：——第個聲源的聲壓，；

——聽域聲壓（或稱基準(zhǔn)聲壓），。N個聲源的縱聲壓級應(yīng)為：

[例1]有兩個聲源，其聲壓級分別為和，求總聲壓級。解：由式得：若兩聲源的聲壓級均為95dB，則總的聲壓級為：若兩聲源的聲壓級分別為，，其總的聲壓級為：

由上述計算結(jié)果不難看出：

⑴在單一聲源的聲場中，加入比該聲源聲壓級略小的第二個聲源，兩聲源總聲壓級的上升幅度相當(dāng)有限；

⑵在兩個聲源的聲場中，若減小較小聲源的聲壓級，對降低噪聲的效果不如減小較大者的聲壓級那么有效。因?yàn)?，將兩個聲源中聲壓級較大者降低3dB，其降噪效果是：

而將兩個聲源中聲壓級較小者降低3dB，其降噪效果是：只降低了0.83dB。

由此可見，若要達(dá)到較為理想的降噪效果，比較有效的方法是：找到聲壓級最大的噪聲源（即主噪聲源），并設(shè)法使之降低。2、聲壓級的分解

若要從n個聲源中將任一聲源的聲壓級分解出來，將式進(jìn)行改寫得：式中：——第個聲源的聲壓，；

——n個聲源的總聲壓，；

——除第個聲源之外的其他各聲源的總聲壓，。將式帶入式得第個聲源的聲壓級為：[例題2]測得n個聲源總的聲壓級，移去一個主要聲源后，重新對其它各聲源合成的聲壓級進(jìn)行測量，其結(jié)果為，求移去的那個聲源的聲壓級。解：將已知量、代入上式得：若，則移去的那個聲源的聲壓級為：

由上面的計算結(jié)果可知，在n個聲源共同作用的聲場中，若其中一個主要聲源不發(fā)聲時測得的結(jié)果比n個聲源同時都發(fā)生聲所測的結(jié)果的差值大于或等于10dB，則可忽略除該主聲源之外各個聲源對進(jìn)行主聲源聲壓級測試時的影響。換言之，若已知除主聲源之外，其它各聲源合成聲壓級的數(shù)值比n個聲源全部同時發(fā)聲所測得的聲壓級小10dB以上，則欲測量主聲源聲壓級時，可以用n個聲源全部發(fā)聲時的總聲壓級來代替該主聲源的聲壓級。這一點(diǎn)在噪聲測試中非常重要。如：進(jìn)行汽車噪聲測試時，除汽車這一主要噪聲源外，還有周圍環(huán)境中的無數(shù)個聲源在發(fā)聲。顯然，我們測得的是全部聲源同時發(fā)聲的結(jié)果。那么，如何才能得到被測車輛的聲壓級呢？有了上述聲壓級分解的結(jié)論，測量汽車噪聲這一十分復(fù)雜的問題就變得簡單化了。3、噪聲的測量方法

先測被測對象不發(fā)聲時的環(huán)境噪聲，此噪聲又稱本底噪聲，常用表示；再進(jìn)行在該環(huán)境下被測對象發(fā)聲時總噪聲的聲壓級的測量，若，則可用來代替被測對象的噪聲值。這就是噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定必須測量本底噪聲，且要求的直接原因。第三節(jié)聲學(xué)分析方法

人耳對不同頻率聲音的反應(yīng)是不一樣的，通常人耳對高頻聲音的反應(yīng)敏感，對低頻聲音反應(yīng)遲鈍。因此，在測量噪聲時，應(yīng)注意到人耳的主觀反應(yīng)與客觀物理量間的關(guān)系。前面在表7—1中所列的聽域聲壓和痛域聲壓是在1000Hz純音條件下的數(shù)值，若頻率發(fā)生變化，其聽域和痛域的數(shù)值亦會隨之發(fā)生變化。為了使對客觀物理量的測試結(jié)果能反應(yīng)人耳的這一固有特性，就需要引入響度、響度級及計權(quán)網(wǎng)絡(luò)等重要概念。一、響度與響度級

人耳對聲音的聽覺反應(yīng)是“響”或“不夠響”，因此用響度對其度量。由于人耳對不同頻率聲音的反應(yīng)不同，所以不同頻率的聲音，盡管其聲壓級相同，但人耳所感覺到的響度卻不一樣。為了獲得響度與聲壓級間的關(guān)系，美國的弗萊切（Fletcher）和芒森（Munson）及英國的魯賓遜（Robinson）和達(dá)遜（Dason）對許多人群進(jìn)行了各種頻率的聽覺試驗(yàn)，他們將不同頻率、響度相同的點(diǎn)連成一條曲線，便得到了等響曲線。再將各個頻率的聽域聲壓級點(diǎn)和痛域聲壓級點(diǎn)分別相連，便得到了聽域線和痛域線。在兩線之間，按響度的不同，將其分為若干個級，即響度級。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，將其分為13級，其單位為仿（Phon）。每一級都有一條對應(yīng)的等響曲線。其中：零響度線即聽域線，120仿的響度線即痛域線。

等響曲線

響度的單位是宋（Sone)，1宋的響度相當(dāng)于1000Hz的純音、聲壓級為40dB（響度級為40仿）的聽覺反應(yīng)。50仿為2宋，60仿為4宋。實(shí)驗(yàn)證明，響度級每增加10仿，響度增加一倍。若用代表響度級，N表示響度，二者的關(guān)系為：二、聲級計的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)

由于噪聲對人體有危害，所以要對其進(jìn)行檢測和控制。檢測噪聲的儀器就是我們常說的聲級計，其檢測量是聲壓級。人耳對不同頻率的聲音有不同的反應(yīng)，因此聲級計應(yīng)能反映人耳的這一固有特性。為此，國際組織規(guī)定，聲級計設(shè)有三套修正電路，即A、B、C三種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。其中：A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是仿效40仿的等響曲線設(shè)計的，其特點(diǎn)是對中頻和低頻聲有較大的衰減，這種特性與人耳的感覺比較接近；B計權(quán)網(wǎng)絡(luò)接近70仿等響曲線，僅在低頻段有一定的衰減；C計權(quán)網(wǎng)絡(luò)接近100仿等響曲線，在任何頻率都沒有衰減。在汽車噪聲測試過程中,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用A、C兩套計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。典型環(huán)境、典型噪聲源的聲壓級A聲級（dB）測點(diǎn)說明10～20靜夜消聲室內(nèi)20～30輕聲耳語、很安靜的房間內(nèi)40～60普通室內(nèi)談話80左右城市街道、公共汽車內(nèi)90左右重型車內(nèi)、泵房、嘈雜吵鬧的街道100～110織布車間、電鋸房110～120距柴油機(jī)1～1.5m處測得120～130距高射機(jī)槍、風(fēng)鏟、螺旋槳式飛機(jī)1～1.5m處測得130～140距噴氣式飛機(jī)、大炮1～1.5m處測得160以上距火箭、導(dǎo)彈、飛船1～1.5m處測得三、噪聲的測量與分析

（一）噪聲的測量

汽車噪聲的測量主要有加速行駛的車外噪聲和勻速/加速行駛的車內(nèi)車外噪聲。

1、車外噪聲A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)、快檔；

2、車內(nèi)噪聲A、C計權(quán)網(wǎng)絡(luò)、慢檔。（二）噪聲分析

研究噪聲的目的在于設(shè)法降低噪聲，然而，用前面介紹的噪聲度量方法很難達(dá)到這一目的。為此需要對噪聲進(jìn)行分析。常用的噪聲分析方法主要有：頻譜分析聲強(qiáng)測試分析聲學(xué)有限元分析聲學(xué)全息分析技術(shù)1、頻譜分析

將聲頻劃分為若干個小的頻段，每個頻段的寬度稱為頻帶或頻程。噪聲的頻譜分析需對頻帶的劃分作出規(guī)定，為了既便于分析，又能表達(dá)人耳對頻率的反應(yīng)特征，國際、國內(nèi)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了兩種頻帶劃分方法，即倍頻程和1/3倍頻程法。

倍頻程：

1/3倍頻程：1、頻譜分析

噪聲的頻譜分析與振動的頻譜分析方法完全相同，所用數(shù)學(xué)工具均是FFT，所不同的是：汽車的振動頻率較低（客車0.1～100Hz,貨車0.1～500Hz);而噪聲的頻率比較高，20～20000Hz。2、聲強(qiáng)測試分析

前面所談到對噪聲的測量，其測試量是聲壓或聲壓級，是一種標(biāo)量，只有大小沒有方向。然而，聲音的本性卻是一個矢量，它不僅有大小，而且還有方向。在前面所述度量聲音的量中只有聲強(qiáng)是矢量。因此要想深入研究聲音，就需對聲強(qiáng)進(jìn)行測量。自上世紀(jì)70年代初開始，許多物理學(xué)家及聲學(xué)工作者都試圖測出聲強(qiáng)這一物理量，但直到1977年美國科學(xué)家J·R·Chung和英國科學(xué)家F·J·Fang分別獨(dú)立證明了聲強(qiáng)的互譜關(guān)系式才獲得成功。聲強(qiáng)的成功測試使得聲學(xué)研究有了突破性的進(jìn)展。聲強(qiáng)測試系統(tǒng)可用于聲源的定位和識別、聲能測線的測量、材料隔吸聲性能的測定及機(jī)械故障的診斷。3、聲學(xué)有限元分析

聲學(xué)有限元始于英國perkins公司的一項(xiàng)研究計劃，他們試圖利用計算機(jī)程序、根據(jù)噪聲限制的要求設(shè)計發(fā)動機(jī)。如此便需要確定發(fā)動機(jī)的振動模式特性、發(fā)動機(jī)的激振力譜，并將所有這些特性綜合起來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以計算發(fā)動機(jī)的表面響應(yīng)，從而計算輻射出的噪聲級。4、聲學(xué)全息技術(shù)的噪聲分析

聲學(xué)全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強(qiáng)分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風(fēng)或天線陣列生成噪聲源的聲音圖像。系統(tǒng)中的通道越多，圖像的分辨率就越高。

第四節(jié)噪聲對人體的危害

噪聲對人體的危害早在公元前7世紀(jì)已被人們所認(rèn)識。當(dāng)然，當(dāng)今人們對噪聲危害的認(rèn)識更加深入。1979年世界環(huán)境保護(hù)會議上將噪聲列為當(dāng)代人類最不可容忍的災(zāi)難之一。關(guān)于噪聲對人體的危害可從如下幾個方面去理解。噪聲的物理效應(yīng)聽覺損傷噪聲引起的其他疾病一、噪聲的物理效應(yīng)

高強(qiáng)度的噪聲可以損壞建筑物，如超音速飛機(jī)的轟鳴聲、爆破聲等會將建筑物的玻璃振碎、煙筒倒塌等。在特高強(qiáng)度噪聲（＞160dB）的影響下，不僅建筑物受損，發(fā)聲體本身也可能因疲勞而損壞，并使一些自動控制和遙控儀表失效。這種聲疲勞失效對火箭發(fā)射、飛機(jī)航行的影響很大。二、聽覺損傷1、暫時性聽域提高：短時在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境下工作，會出現(xiàn)暫時性聽域提高現(xiàn)象。

2、噪聲性耳聾：長期在高強(qiáng)噪聲環(huán)境下工作，聽覺疲勞是不能恢復(fù)的，內(nèi)耳聽覺器官發(fā)生病變，暫時性聽域上移逐漸變成永久性聽域上移，當(dāng)其超過一定限度時，將導(dǎo)致噪聲性耳聾。噪聲性耳聾按其程度的不同，將其分為三類。①輕度噪聲性耳聾：講話可以聽到，只是有些耳背；②中度噪聲性耳聾：平常講話已聽不清，必須大聲講話才能聽到；③高度噪聲性耳聾：面對面的大聲講話已聽不見，需帶助聽器。

3、爆炸性耳聾：人體暴露在高強(qiáng)噪聲（140—160dB）環(huán)境下，會使聽覺器官發(fā)生急性外傷，耳鼓膜破裂流血，螺旋體從基底急性剝離，耳鳴強(qiáng)烈，雙耳完全失聽。三、噪聲引起的其他疾病神經(jīng)系統(tǒng)疾病頭暈、頭脹、頭痛、失眠、神經(jīng)過敏、記憶力衰退、注意力不集中；心臟的影響心跳過速、血壓上升、心血管疾?。幌到y(tǒng)的影響消化不良、聞聲嘔吐等；對工作和生活的影響使人煩躁、注意力不集中、工作效率降低、影響正常的休息和睡眠。第五節(jié)噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)

為了保護(hù)和改善人類的生存環(huán)境，必須對噪聲進(jìn)行控制。要想有效地控制噪聲，就必須制定科學(xué)、統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。聽力保護(hù)與健康保護(hù)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)脈沖噪聲聽覺損傷標(biāo)準(zhǔn)語言交談與通訊的允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境噪聲與允許標(biāo)準(zhǔn)汽車噪聲標(biāo)準(zhǔn)一、聽力保護(hù)與健康保護(hù)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)

人對噪聲的承受能力存在一定的差異，一般認(rèn)為，對人體無影響；對90%的人無影響；對85%的人無影響。噪聲對人體的影響與作用時間有關(guān)，ISO是按8h/天×5（天）×48（周）×10（年）來計算時間。

1961年ISO會議提出，從妨礙聽力、妨礙交談和煩惱三個方面進(jìn)行評價，建議噪聲評價數(shù)N=85dB曲線（相當(dāng)于）作為聽力損傷標(biāo)準(zhǔn),1971年建議自1974年開始試行N80dB曲線（相當(dāng)于）作為聽力損傷標(biāo)準(zhǔn)。在