噪聲污染與控制chap2.ppt

1、,南通大學(xué)環(huán)境工程專業(yè) 2006年03月21日,噪聲污染與控制,純音：當(dāng)物體以某一固定頻率振動(dòng)時(shí)，耳朵聽到的是具有單一音調(diào)的聲音，這種以單一 頻率 振動(dòng)的聲音稱為純音。 基音：實(shí)際物體振動(dòng)由不同頻率的許多簡(jiǎn)諧振動(dòng)所組成，其中最低的頻率稱為基音。 泛音：比基音高的各頻率稱為泛音。,樂音：由基音和各次諧音組成的復(fù)合聲音聽起來(lái)如很悅耳和諧，隨時(shí)間變化的波形是有規(guī)律的所包含頻率成分中基音和諧音之間成簡(jiǎn)單整數(shù)比。所以凡是有規(guī)律振動(dòng)的聲音稱樂音。 噪聲：如果物體許多頻率組成，各頻率之間不成簡(jiǎn)單的整數(shù)比，這種頻率和強(qiáng)度都不同的各種聲音的雜亂無(wú)規(guī)的組合而成的聲音就是噪聲。,第二章 聲波的基本性質(zhì) 及其傳播規(guī)律

2、,第一節(jié) 聲波的產(chǎn)生及描述方法,聲源 聲音都起始于物體的振動(dòng)。凡能產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體統(tǒng)稱為聲源。 從物體的形態(tài)分，聲源可分為固體聲源，液體聲源和氣體聲源等。 所謂聲源的振動(dòng)就是物體（或質(zhì)點(diǎn)）在其平衡位置附近進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng),2 聲波的形成,當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí)，會(huì)引起聲源周圍彈性媒質(zhì)空氣分子的振動(dòng)。這些振動(dòng)的分子又會(huì)使其周圍的空氣分子產(chǎn)生振動(dòng)，這樣，聲源就以聲波的形式向外傳播。 聲波可以在空氣中傳播，也可以在液體和固體中傳播，但不能在真空中傳播，因?yàn)樵谡婵罩胁淮嬖谀軌虍a(chǎn)生振動(dòng)的彈性媒質(zhì)。,聲源的振動(dòng),彈性媒介振動(dòng),聲波,空氣、固體、液體,空氣 縱波 聲波 固體、液體 縱波、橫波,能量的傳遞相鄰質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)

3、量傳遞來(lái)完成，而不是由物質(zhì)的遷移來(lái)傳播能量的。,固體的振動(dòng)產(chǎn)生聲波，或當(dāng)流體越過(guò)、環(huán)繞或穿過(guò)固體孔洞時(shí)流體分離產(chǎn)生聲波。空氣壓縮使空氣局部密度和壓力增加；相反，膨脹則使密度和壓力減小。這些交替的壓力變化即是人耳所聽到的聲音。 空氣交替壓縮與膨脹產(chǎn)生的正弦波:,聲壓 p=(P-P0) 帕斯卡（Pa） 波長(zhǎng) =c/f 米 （m） 周期 T 秒 （s） 頻率 f =1/T 赫茲 （Hz） 聲速 c 米每秒（m/s） 空氣中 c=331.45+0.61t 340 m/s,2、噪聲的物理量度,次聲：頻率低于20Hz 超聲：頻率高于20000Hz,周期、頻率、波長(zhǎng),連續(xù)兩個(gè)波峰或波谷間的時(shí)間間隔稱為周期（

4、P）。 周期的倒數(shù)為頻率（f）：1秒的振動(dòng)中波峰到達(dá)的次數(shù)。 P與f之間的關(guān)系為：P = 1/f。 相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離稱為波長(zhǎng)（），波長(zhǎng)與頻率之間的關(guān)系為： =c/f。,波的振幅(amplitude，A)是指通過(guò)零壓力線測(cè)得的波峰或波谷的高度。在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，平均壓力為零，與振幅無(wú)關(guān)。當(dāng)然這不能反映事物的真實(shí)狀態(tài)。因此，人們采用均方根聲壓 (root mean square sound pressure，prms) 來(lái)克服這個(gè)困難。,prms的計(jì)算步驟為：先計(jì)算平均時(shí)間區(qū)段內(nèi)每一瞬間振幅值的二次方，然后將此二次方值加起來(lái)，再除以平均時(shí)間，最后開二次方求得： 公式中符號(hào)上方橫線表示對(duì)

5、時(shí)間加權(quán)平均，而T是測(cè)量的時(shí)間周期。,第二節(jié) 聲波的基本類型,平面聲波 聲波 球面聲波 （波陣面的形狀） 柱面聲波,波陣面是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線,平面聲波,相干波具有相同頻率、相同振動(dòng)方向和恒定相位差的聲波,駐波聲壓值隨空間不同位置有極大值和極小值分布的周期波,聲強(qiáng)、聲壓和聲壓級(jí) 1) 聲強(qiáng) 單位時(shí)間內(nèi)聲波通過(guò)垂直作用于聲波傳播方向單位面積的聲能量 2) 聲壓 聲源振動(dòng)時(shí)，空氣壓強(qiáng)比正常大氣壓的增強(qiáng)或減弱，其增值稱聲壓 單位：帕Pascal， 1Pa1牛頓/m2 聽閾：正常人剛能聽到的聲音的聲壓2x10-5 痛閾：人耳產(chǎn)生疼痛的聲音的聲壓20Pa,3) 聲壓級(jí) 人耳的聲音感覺

6、與聲壓大小成對(duì)數(shù)關(guān)系 用聲壓比的對(duì)數(shù)值來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱 聲壓級(jí)Lp10 log(p/p0)2 聲壓(p)與基準(zhǔn)聲壓(p0)之比再取以10為底的對(duì)數(shù)并乘以20 Lp20 log(p/p0) p0：基準(zhǔn)聲壓2x10-5聽閾,4) 聲壓級(jí)的分貝標(biāo)度 分貝dB：相對(duì)單位，無(wú)量綱,辦公室,公共交通,空壓機(jī),噴氣飛機(jī),痛閾,耳語(yǔ),安靜,吵,很吵,十分吵,痛閾,很安靜,50,80,100,110,120,30,聲能量 聲強(qiáng) 聲功率 s平面聲波波陣面的面積,J/m3,W/m2,W,聲功率和聲強(qiáng),功：物體位移的距離與作用在位移方向上力的乘積。因此聲波沿著聲波傳播的方向傳送能量。其作功的速率定義為聲功率(soun

7、d power，W)。 聲強(qiáng)(sound intensity，I)：垂直于聲波傳播方向單位面積上聲功率的時(shí)間加權(quán)平均值。I與W的關(guān)系為： I=W/A,A是指垂直于聲波運(yùn)動(dòng)方向的面積。聲強(qiáng)、聲壓與聲功率之間的關(guān)系： 式中：I-聲強(qiáng)，W/m2；-介質(zhì)的密度，kg/m3；c-聲音在介質(zhì)中的速度，m/s。 空氣密度與聲音速度均為溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度與壓力確定后，空氣密度則可查得。在壓力為101.325kPa的空氣中，聲音速度可由下列公式計(jì)算： 式中：T-熱力學(xué)溫度，K。,2 聲強(qiáng) 聲場(chǎng)中某點(diǎn)處，與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的聲能稱為瞬時(shí)聲強(qiáng)，它是一個(gè)矢量。在指定方向n的聲強(qiáng)In=I*n

8、。對(duì)于穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，聲強(qiáng)是指瞬時(shí)聲強(qiáng)在一定時(shí)間T內(nèi)的平均值。聲強(qiáng)的符號(hào)為I，單位為瓦特每平方米（W/m2）。同時(shí)，將單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的聲能稱為聲功率（或稱為聲能通量），單位為瓦（W）。 3 聲功率 聲源在單位時(shí)間被發(fā)射的總能量稱為聲源功率，記為W，單位為瓦（W）。,聲級(jí)和分貝 一個(gè)正常的健康人所能聽到的最弱聲壓約為0.00002Pa。土星火箭(Saturn rocket)離地升空時(shí)產(chǎn)生的聲壓大于200Pa。即使在科學(xué)紀(jì)錄史上，這也是一個(gè)“天文數(shù)字”。,為處理這個(gè)問(wèn)題，使用一種基于測(cè)量數(shù)字間比例的對(duì)數(shù)值的尺度來(lái)表示噪聲，并將所測(cè)量的數(shù)值稱為級(jí)(1evels)，其單位則根據(jù)Alexander G

9、raham Bell的名字命名為貝爾(bel)，單位符號(hào)為B，用公式表示如下： 式中：L-聲級(jí)，B；Q-測(cè)量數(shù)值；Q0-基準(zhǔn)數(shù)值。 由于貝爾是一個(gè)相當(dāng)大的單位，為了方便起見，又將其分成10個(gè)小單位，此小單位稱為分貝(decibel，dB)。聲級(jí)用分貝表示時(shí)計(jì)算公式如下：,（1）聲功率級(jí) 若基準(zhǔn)聲功率(Q0)已指定，則dB具有物理意義。對(duì)于噪聲的測(cè)量，基準(zhǔn)聲功率規(guī)定為1pW，因此聲功率級(jí)可以表示為： 由上式計(jì)算得到的聲功率級(jí)的單位為dB。 （2）聲強(qiáng)級(jí) 為了測(cè)量噪聲，基準(zhǔn)聲強(qiáng)取lpW/m2，因此聲強(qiáng)級(jí)可按下式計(jì)算： （3）聲壓級(jí) 規(guī)定基準(zhǔn)壓力為20Pa。,常見的聲壓級(jí)范圍如右圖所示：,（4）聲壓

10、級(jí)計(jì)算,（4）聲壓級(jí)計(jì)算,如果有兩個(gè)互相獨(dú)立的且具有不同頻率的聲源，在離兩聲源相同距離的某一點(diǎn)上所產(chǎn)生的振動(dòng)時(shí)而互相加強(qiáng)，時(shí)而互相減弱，隨時(shí)間平均后的結(jié)果與相互間沒有發(fā)生作用時(shí)的情形一樣，這樣的聲波叫不相干波。 我們?nèi)粘Ｓ龅降脑肼曇话闶遣幌喔刹ā?二個(gè)不相干波迭加應(yīng)按能迭加法則。 設(shè)此二個(gè)聲源在某處的聲壓分別為P1(t)和P2(t) ，迭加后的聲壓為,對(duì)于噪聲的測(cè)量，結(jié)果應(yīng)該記錄到最接近的整數(shù)位。 當(dāng)有多個(gè)聲壓級(jí)相加時(shí)，應(yīng)該每次兩個(gè)相加，且由最小數(shù)值開始。,計(jì)算: 68dB、79dB和75dB三個(gè)分貝值相加，其聲功率級(jí)是多少？ 解答：首先選擇68dB和75dB兩個(gè)較低的值，二者相差為7dB，利

11、用“圖7-4”（分貝相加的圖解法），由橫坐標(biāo)7.0查得增加的分貝值為0.8，因此， 68dB和75dB相加得到75+0.8=75.8dB。該題的計(jì)算方式可以圖示如下： 取最接近的整數(shù)值，得到答案為81dB。,此題也可先轉(zhuǎn)換成聲功率，相加后再轉(zhuǎn)換成分貝而計(jì)算： 聲壓級(jí)分貝相加的公式：,2.5.4 級(jí)的“相減”,在噪聲測(cè)量時(shí)往往會(huì)受到外界噪聲的干擾，例如，存在測(cè)試環(huán)境的背景噪聲，這時(shí)用儀器測(cè)得的某機(jī)器運(yùn)行時(shí)的聲級(jí)是包括背景噪聲在內(nèi)的總聲壓級(jí)LpT那么就需要從總聲壓級(jí)中扣除機(jī)器停止運(yùn)行時(shí)的背景噪聲聲壓級(jí)LpB，得到機(jī)器的真實(shí)噪聲聲壓級(jí)LpS，這就是級(jí)的“相減” 總聲壓級(jí)： LpT=10lg100.1

12、LpB+100.1LpS 因此，被測(cè)機(jī)器的聲壓級(jí)為： LpS=10lg100.1LpT-100.1LpB,可見，級(jí)的“相減”實(shí)際上是聲能量相減，而不是簡(jiǎn)單的分貝值算術(shù)相減同樣，可以令總聲壓級(jí)LpT與背景噪聲聲壓級(jí)LpB的差值為： LpBLpT LpB 則可求得差值： LpsLpT Lpslg1-10-0.1 LpB,2.2.1 平面聲波,當(dāng)聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，就稱其為平面聲波。所謂波陣面是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面也稱為波前。通常，可以將各種遠(yuǎn)離聲源的聲波近似地看成平面聲波。平面聲波在數(shù)學(xué)上的處理比較簡(jiǎn)單，是一維問(wèn)題。通過(guò)對(duì)平面

13、聲波的詳細(xì)分析，可以了解聲波的許多基本性質(zhì)。 如果管道始端的活塞以正（余）弦函數(shù)的規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。活塞偏離平衡位置的距離=0cos(t+) 式中：0或離開平衡位置處的最大位移，稱為振幅； =2稱為角頻率； t時(shí)間；(t+)時(shí)刻t的相位； 初相位。,2.2.2 球面聲波，柱面聲波,1.球面聲波 當(dāng)聲源的幾何尺寸比聲波波長(zhǎng)小得多時(shí)，或者測(cè)量點(diǎn)離開聲源相當(dāng)遠(yuǎn)時(shí)，則可以將聲源看成一個(gè)點(diǎn)，稱為點(diǎn)聲源。 在各向同性的均勻媒質(zhì)中，從一個(gè)表面同步脹縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波是球面聲波，也就是在以聲源為球心，以任何r值為半徑的球面上聲波的相位相同。球面聲波的波動(dòng)方程為： 2（rp)/ r2=1 2(rp)/c2 t2,2.柱面聲波 波陣面是同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波，其聲源一般可視為“線聲源”。考慮最簡(jiǎn)單的柱面聲波，聲場(chǎng)與坐標(biāo)系的角度和軸向長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與徑下半徑 r 相關(guān)。于是有波動(dòng)方程： 1(r(p/r)/rr=12p/c2t2 平面聲波，球面聲波和柱面聲波都是理想的傳播類型。在具體應(yīng)用是可對(duì)實(shí)際條件進(jìn)行合理近似， 例如，可以將一列火車，或公路上一長(zhǎng)串首尾相接的汽車看成不相干的線聲源，將大面積墻面發(fā)出的低頻聲波視作平面聲波等。,2.2.3 聲線,除了用波陣面來(lái)描繪聲波的傳播外，也常用聲線來(lái)描繪聲波的傳播，聲線也常稱為聲射線