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(dòng)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(jiǎn)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(jí)一、聲壓

聲壓：介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓力與無聲波傳播時(shí)的靜壓力之間有一個(gè)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(shí)間變化的，每秒鐘內(nèi)波動(dòng)的次數(shù)往往較大，當(dāng)傳到人耳時(shí)，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(shí)間間隔內(nèi)，瞬時(shí)聲壓的均方根值，即：

式中：——瞬時(shí)聲壓，；

T——

時(shí)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(shí)間內(nèi)通過的聲能。當(dāng)聲強(qiáng)的數(shù)值小到一定程度時(shí)，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(shí),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(cè)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(duì)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(gè)大氣壓力的空氣中，。因此，與聽域聲強(qiáng)值相對(duì)應(yīng)的聽域聲壓為，與痛域聲強(qiáng)值對(duì)應(yīng)的痛域聲壓為。三、聲功率

聲功率：聲源在單位時(shí)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(shí)：四、聲級(jí)

物理學(xué)家韋伯的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人耳對(duì)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(duì)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(gè)成倍比關(guān)系的對(duì)比量——聲級(jí),用以表達(dá)聲音的強(qiáng)弱大小。它是一個(gè)作相對(duì)比較的無量綱單位。與聲強(qiáng)、聲壓、聲功率等物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系是聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)、聲功率級(jí)，彼此之間的關(guān)系見下表。四、聲級(jí)

聲學(xué)量、級(jí)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(jí)01201:121聲壓級(jí)01201:121聲功率級(jí)01201:1211、聲強(qiáng)級(jí)

聲強(qiáng)級(jí)：式中：——被測(cè)聲音的聲強(qiáng)，；

——

聽域聲強(qiáng)，，。2、聲壓級(jí)

聲壓級(jí)：式中：——被測(cè)聲音的聲壓，；

——聽域聲壓（或稱基準(zhǔn)聲壓），在

Hz時(shí)的聽域聲壓。3、聲功率級(jí)

聲功率級(jí)：式中：——被測(cè)聲音的聲功率，；

——基準(zhǔn)音的聲功率，。第二節(jié)聲壓級(jí)的合成與分解

有n各聲源，各單一聲源的聲壓分別為，對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)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(shí)間間隔內(nèi)瞬時(shí)聲壓的均方根值，由此可見，n個(gè)聲源其聲壓的疊加應(yīng)為幾何疊加，即：任一聲源的聲壓級(jí)為：

式中：——第個(gè)聲源的聲壓，；

——聽域聲壓（或稱基準(zhǔn)聲壓），。N個(gè)聲源的縱聲壓級(jí)應(yīng)為：

[例1]有兩個(gè)聲源，其聲壓級(jí)分別為和，求總聲壓級(jí)。解：由式得：若兩聲源的聲壓級(jí)均為95dB，則總的聲壓級(jí)為：若兩聲源的聲壓級(jí)分別為，，其總的聲壓級(jí)為：

由上述計(jì)算結(jié)果不難看出：

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

⑵在兩個(gè)聲源的聲場(chǎng)中，若減小較小聲源的聲壓級(jí)，對(duì)降低噪聲的效果不如減小較大者的聲壓級(jí)那么有效。因?yàn)?，將兩個(gè)聲源中聲壓級(jí)較大者降低3dB，其降噪效果是：

而將兩個(gè)聲源中聲壓級(jí)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(jí)最大的噪聲源（即主噪聲源），并設(shè)法使之降低。2、聲壓級(jí)的分解

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

——n個(gè)聲源的總聲壓，；

——除第個(gè)聲源之外的其他各聲源的總聲壓，。將式帶入式得第個(gè)聲源的聲壓級(jí)為：[例題2]測(cè)得n個(gè)聲源總的聲壓級(jí)，移去一個(gè)主要聲源后，重新對(duì)其它各聲源合成的聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果為，求移去的那個(gè)聲源的聲壓級(jí)。解：將已知量、代入上式得：若，則移去的那個(gè)聲源的聲壓級(jí)為：

由上面的計(jì)算結(jié)果可知，在n個(gè)聲源共同作用的聲場(chǎng)中，若其中一個(gè)主要聲源不發(fā)聲時(shí)測(cè)得的結(jié)果比n個(gè)聲源同時(shí)都發(fā)生聲所測(cè)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(gè)聲源對(duì)進(jìn)行主聲源聲壓級(jí)測(cè)試時(shí)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(jí)的數(shù)值比n個(gè)聲源全部同時(shí)發(fā)聲所測(cè)得的聲壓級(jí)小10dB以上，則欲測(cè)量主聲源聲壓級(jí)時(shí)，可以用n個(gè)聲源全部發(fā)聲時(shí)的總聲壓級(jí)來代替該主聲源的聲壓級(jí)。這一點(diǎn)在噪聲測(cè)試中非常重要。如：進(jìn)行汽車噪聲測(cè)試時(shí)，除汽車這一主要噪聲源外，還有周圍環(huán)境中的無數(shù)個(gè)聲源在發(fā)聲。顯然，我們測(cè)得的是全部聲源同時(shí)發(fā)聲的結(jié)果。那么，如何才能得到被測(cè)車輛的聲壓級(jí)呢？有了上述聲壓級(jí)分解的結(jié)論，測(cè)量汽車噪聲這一十分復(fù)雜的問題就變得簡(jiǎn)單化了。3、噪聲的測(cè)量方法

先測(cè)被測(cè)對(duì)象不發(fā)聲時(shí)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(cè)對(duì)象發(fā)聲時(shí)總噪聲的聲壓級(jí)的測(cè)量，若，則可用來代替被測(cè)對(duì)象的噪聲值。這就是噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定必須測(cè)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(duì)不同頻率聲音的反應(yīng)是不一樣的，通常人耳對(duì)高頻聲音的反應(yīng)敏感，對(duì)低頻聲音反應(yīng)遲鈍。因此，在測(cè)量噪聲時(shí)，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(huì)隨之發(fā)生變化。為了使對(duì)客觀物理量的測(cè)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(jí)及計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)等重要概念。一、響度與響度級(jí)

人耳對(duì)聲音的聽覺反應(yīng)是“響”或“不夠響”，因此用響度對(duì)其度量。由于人耳對(duì)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(jí)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(jí)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(duì)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(gè)頻率的聽域聲壓級(jí)點(diǎn)和痛域聲壓級(jí)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(gè)級(jí)，即響度級(jí)。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，將其分為13級(jí)，其單位為仿（Phon）。每一級(jí)都有一條對(duì)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(jí)為40dB（響度級(jí)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(jí)每增加10仿，響度增加一倍。若用代表響度級(jí)，N表示響度，二者的關(guān)系為：二、聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

由于噪聲對(duì)人體有危害，所以要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和控制。檢測(cè)噪聲的儀器就是我們常說的聲級(jí)計(jì)，其檢測(cè)量是聲壓級(jí)。人耳對(duì)不同頻率的聲音有不同的反應(yīng)，因此聲級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)設(shè)有三套修正電路，即A、B、C三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。其中：A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是仿效40仿的等響曲線設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是對(duì)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(jì)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(jì)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(cè)試過程中,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用A、C兩套計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。典型環(huán)境、典型噪聲源的聲壓級(jí)A聲級(jí)（dB）測(cè)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(cè)得120～130距高射機(jī)槍、風(fēng)鏟、螺旋槳式飛機(jī)1～1.5m處測(cè)得130～140距噴氣式飛機(jī)、大炮1～1.5m處測(cè)得160以上距火箭、導(dǎo)彈、飛船1～1.5m處測(cè)得三、噪聲的測(cè)量與分析

（一）噪聲的測(cè)量

汽車噪聲的測(cè)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(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、快檔；

2、車內(nèi)噪聲A、C計(jì)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(duì)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(cè)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(gè)小的頻段，每個(gè)頻段的寬度稱為頻帶或頻程。噪聲的頻譜分析需對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)試分析

前面所談到對(duì)噪聲的測(cè)量，其測(cè)試量是聲壓或聲壓級(jí)，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(gè)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(duì)聲強(qiáng)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)試使得聲學(xué)研究有了突破性的進(jìn)展。聲強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)可用于聲源的定位和識(shí)別、聲能測(cè)線的測(cè)量、材料隔吸聲性能的測(cè)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(jì)劃，他們?cè)噲D利用計(jì)算機(jī)程序、根據(jù)噪聲限制的要求設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)。如此便需要確定發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)模式特性、發(fā)動(dòng)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(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的表面響應(yīng)，從而計(jì)算輻射出的噪聲級(jí)。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(duì)人體的危害

噪聲對(duì)人體的危害早在公元前7世紀(jì)已被人們所認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，當(dāng)今人們對(duì)噪聲危害的認(rèn)識(shí)更加深入。1979年世界環(huán)境保護(hù)會(huì)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(duì)人體的危害可從如下幾個(gè)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(huì)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(dòng)控制和遙控儀表失效。這種聲疲勞失效對(duì)火箭發(fā)射、飛機(jī)航行的影響很大。二、聽覺損傷1、暫時(shí)性聽域提高：短時(shí)在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境下工作，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)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(huì)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、心血管疾病；消化系統(tǒng)的影響消化不良、聞聲嘔吐等；對(duì)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(duì)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(duì)噪聲的承受能力存在一定的差異，一般認(rèn)為，對(duì)人體無影響；對(duì)90%的人無影響；對(duì)85%的人無影響。噪聲對(duì)人體的影響與作用時(shí)間有關(guān)，ISO是按8h/天×5（天）×48（周）×10（年）來計(jì)算時(shí)間。

1961年ISO會(huì)議提出，從妨礙聽力、妨礙交談和煩惱三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，建議噪聲評(píng)價(jià)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