噪声的基本知识
(1)频带(Frequency band)
两个声音或其它信号的频率间的距离。由上限频率f2和下限频率f1规定宽带。在声学中常用的频带称为倍频程,并有关系式:
f2=2n f1
当n=1时,称为1/1倍频程,即每个频带是上限频率为下限频率两倍的频带宽度,即f2=2 f1。
当n=1/3时,称为1/3倍频程,即每个频带是上限频率为下限频率1.26倍的频带宽度,
即f2=1.26 f1。为了某种特殊的需要,更窄的频带有1/10倍频程、1/12倍频程、1/15倍频程、1/30倍频程等等。
(2)频谱分析(Frequency spectrum analysis)
求得信号中能量或功率随频率分布的技术。声和振动信号的基本测量是频谱分析。通常是将倍频程中心频率做为横坐标,声压级做为纵坐标,以直观图像的形式表示可听声声压级随频率变化的分布。
在频率分析中基本方法是滤波。滤波器通常是带通式,并分为恒带宽与恒比例带宽两种。恒比例带宽的带通滤波器有倍频程、1/3倍频程滤波器之分。对某些测量还应用更窄的频带,例如1/10倍频程、1/12倍频程、1/15倍频程、1/30倍频程和1%的窄带。在恒带宽的分析中,最常用的是谱级,它是以指定频率为中心,宽度为1赫的声压级。
(3)哈斯效应(Hass effect)
如果两个不同声源发出同样的声音,并在同一时刻声波以同样强度到达听者,则声音呈现的方向大约在两个声源之间。如果其中一个略有延迟约5~35毫秒,则所有声音听起来似乎是来自未延迟声源,被延迟声源是否在工作就不明显。如果延迟在35~50毫秒之间,则延迟声源的存在可以被识别出来,但其方向仍在未延迟声源的方向。只有延迟时间超过50毫秒时,第二声源才能被听到,像一清晰的回声,这种效应称为哈斯效应。
哈斯效应已在扩声系统中利用,使视觉形象的方向与听觉的方向一致。在实际应用中,50毫秒的数值不是很严格的,有时为了可靠,取30毫秒。
(4)声级计(Sound level meter)
测量噪声级的一种轻便携带式仪器。主要由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器和指示电表组成。线路内加上积分设备则成为积分声级计。如输入端接拾振器则成为振动计,可用来测量振动的加速度、速度和振幅。
声级计的型式很多,以测量精度区分,有四种类型:0型声计级作为实验室标准;Ⅰ型声级计作为精密型声级计;Ⅱ型作为普通声级计;Ⅲ型则为一般调查用。按测量信号的性质区分,有一般声级计、脉冲声级计和积分声级计等。按其体积大小可分为台式声级计、便携式声级计和袖珍式声级计。
声级计可测量频带声压级,接上计权网络,一般能测量A、B、C声级,有的还能测量反映航空噪声的D声级。时间计权特性有三种:快、慢、和脉冲,它们的时间常数分别为125毫秒、100毫秒和35毫秒。
声级计除了用于环境、机器、车辆等噪声测量外,也可以用于电声学、建筑声学等测量。
(5)计权声级(Weighting sound level)
经过计权网络滤波后测得的声级。主要有A、B、C计权声级。单位是分贝(dB)。这些计权网络是根据人耳对高频声,特别是3000~4000Hz(赫)声音比较敏感;对低频声,特别是100Hz(赫)以下的可听声不敏感,模仿人耳对40方、70方和100方纯音的响应特性分别设置的。
A计权声级得到最广泛的应用,因为它能较好地模仿人耳的频率特性。B计权声级实际上很少使用。C计权声级使用较少,它实际上是总声压级的近似值,因为它的频率响应比较平直,即所有频率的响应几乎是一致的。
此外,还有专门用于飞机噪声的D计权声级,D计权声级的计权网络是模仿40呐等噪度曲线设置的。近年来国际上推荐的计权声级有用于响度计算机的E计权声级和用于评价噪声对语言干扰的SI计权声级。
(6)计权网络(Weighting network)
根据声级计测量的要求进行频率滤波的电网络。在声级测量时,为了反映人耳的响度感觉,一般设有A、B、C三种计权网络,它们分别是模拟40方、70方、100方三条等响曲线的反曲线的电网络。IEC已对计权网络的计权特性进行了标准化。七十年代以来,国际上公认用A计权网络测得的A声级表示噪声最适宜,因为它能较好的模拟人耳的频率特性。用A声级评价噪声与人耳对噪声的响度感觉、烦扰程度和听力损伤程度等因素存在着很好的一致性。A声级已得到最广泛的应用。B、C计权网络表征人耳主观特性不太明显,故近年来已逐渐少用。另外,还有用于航空噪声测量的D计权网络,它是40呐等噪度曲线的反曲线相对应的计权网络。最近国际上推荐的E、SI计权网络分别是根据斯蒂文斯(Stevens)的响度计算方法和韦柏斯德尔(Webster)关于噪声的语言干扰评价做出的。
(7)统计声级(Statistical sound level)
又称累积分布声级。在规定的测量时间内,超过百分之N的A声级。通常用来评价道路交通噪声,主要有L10、L50、L90三种,分别代表在测量时间内有10%、50%、90%的A声级超过它的值。L10常用来表示测量时间内道路交通噪声的峰值。L50是中位值,实践证明对于车辆流量较大的街道,L50和人们主观吵闹感觉程度有较好的相关性,故一些国家直接采用L50作为对道路交通噪声的评价量。L90常用来表示测量时间内的背景噪声。
(8)听阈(Threshold of audibility)
亦称闻阈。某信号能在多次试验的一定百分数中引起听觉的最低声压。听者是听力正常的18~25岁青年,面对声源用双耳听。最低声压是指外耳道口或鼓膜上纯音声压的可听低限。原来认为人耳在1000Hz(赫)的听阈是20μPa(微帕)(2×10-5N/m2),因此将这个数值规定为声压级的基准值。后来准确的测量,人耳在1000Hz的听阈不是20μPa,而是32.44μPa(3.244×10-5N/m2),因此以20μPa为基准值,1000Hz的实际听阈不是0分贝而是4.2dB,因而实际听阈曲线不是0方而是4.2方,并称为最低可听声场,习用英语缩写MAF表示。
因为20μPa这个数字很整齐,而且与它相应的声强是10—12W/m2也很简单,所以声压级的基准值仍延用20μPa。
(9)标准声源(Standard sound source)
具有无指向性和宽带频谱的稳定声功率输出的声源主要有空气动力式、电动式和机械式三大类型。其最大尺寸一般在0.5m以内。在100~10000Hz(赫)的频率范围内,所有1/3倍频程中心频率声功率变化在12dB(分贝)以内,两相邻1/3倍频程中心频率的声功率变化在±3dB(分贝)以内,其频谱特性的斜率一般情况时要求为2~3dB倍频程。在100~10000Hz的频率范围内,任一1/3倍频程中心频率的指向性,当在消声室中测量时一般不大于6dB,而在半消声室中测量时由一般不超过9dB。
标准声源用途很广,可以用比较测量的方法测定声源的声功率。用标准声源还能求出房间的混响时间、声吸收量和测量时环境影响的修正值。
(10)次声(Infra-audible sound)
低于可听声频率范围的声。其频率范围通常规定为0.0001~20Hz。生物学研究表明,人体及各器官的固有频率大都为3~17Hz,当与人体固有频率相同的次声作用于人体时,人体便于次声波发生共振,这种共振现象可对人产生较大的影响,轻者会使人恶心、头痛、晕眩等,重者可使人全身颤抖,肌肉痉挛,呼吸困难,神经错乱,更严重的会造成脱水休克,失去知觉,血管破裂,或导致死亡。
将高强度的次声波定向聚束传播就是无形杀手——次声武器。次声武器穿透力强,不易防护。次声波可穿透10多米的钢筋混凝土??杉?,即使躲藏在坚固的掩蔽所里或是乘坐在装甲车、坦克车以及正潜航的潜艇等钢铁之物中的人员,也难以逃脱次声武器的攻击。不过至今世界上还没有一种可供实战使用的次声武器。
次声传播的特征是衰减小,因而可应用于远距离定位,预测风暴、台风,探测地震中心,探矿等。国防上可用来探测几千公里外的核试验、火箭发射。
(11)超声(Ultrasound)
频率高于可听声频率范围的声。超声频率的下限大致为20000Hz。超声已广泛用于化学、生物学、医学、通讯技术、金相学、材料试验和加工以及其它许多技术部门。
(12)混响室(Reverberation room)
尽量延长混响时间,保证室内声场充分扩散的房间。常用来测定材料的吸声系数、声源和机器的声功率、扬声器的效率等,但不能测定声源的指向性。容积一般为100~500m3,国际上采用折中的标准为200m3,工程测量可小到70m3。为了延长混响时间,减少壁面的声吸收,内表面通常采用瓷砖、水磨石、大理石和钢筋混凝土墙涂油漆等吸声系数很小的结构饰面。为保证声场充分扩散,建议混响室的长、宽、高的比例按调和级数选定,为了增加动态扩散,可能悬挂固定式或旋转式的扩散体。
(13)混响时间(Reverberation time)
室内声音达到稳定状态后,声源停止发声后残余声音在房间内往复反射经壁面吸收,平均声能密度下降为原有数值的百万分之一(或声能密度衰减60dB所需要的时间?;煜焓奔涞募扑阌腥缦鲁S霉剑?/div>
式中,V为房间的容积,S为房间内表面的总面积,α为平均吸声系数,m为空气衰减系数。赛宾公式假设房间内声能密度变化率是时间的连续函数,任一点上声能的传播是各方向均匀的,所以它适用于吸声较弱的房间,例如音乐厅、剧院。艾润公式假设每一次反射声能减少到原来的(1-α)倍,能量传播是各方向均匀的,它适用于吸声能力较强的房间,例如播音室、录音棚、电视转播室等。努特生考虑了房间内的空气吸收,对赛宾公式和艾润公式作了修正,为一般建筑声学设计所常用。
(14)宋(Sone)
响度的单位。频率为1000Hz,声压级为听者听阈以上40dB纯音所产生的响度规定为1宋。任何一个声音的响度被听者判断为1宋响度的n倍。对大约低于300Hz的低频声来讲,响度随声压级的变化稍微大一些。
(15)噪声(Noise)
又称无调声,是使人们听起有不舒服的嘈杂感觉而且妨害人们正常生活和工作的声音。从物理学观点看,是不同频率和不同强度的声音的无规律的杂乱组合。如机器的尖叫声和汽车、火车的轰鸣声等。有规律的振动产生乐音,它的波形图是周期性的曲线;而噪声的波形图是没有规律的非周期的曲线。因而噪声又是乐音的反义词。从生理学观点讲,凡是使人们讨厌的、烦躁的和不需要的声音都叫噪声。因而噪声有时不只单独由物理量所能定义的,还与人们的心理和生理状态有关。所以凡是(1)损害人们生理健康的声音;(2)音量大的声音;(3)使人们不愉快的声音;(4)妨害人们交谈的声音;(5)使工作效率降低的声音;(6)妨害人们休养、安静睡眠的声音;(7)由机械发出的声音等都属于噪声之列。根据发生噪声的性质可以分为交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声、生活噪声等。噪声对环境是一种污染,必须加以控制。研究控制噪声问题的学科称为噪声控制学。
(16)白噪声(White noise)
用固定频带宽度测量时,频谱连续并且均匀的噪声,即在各等带宽的频带中所含噪声能量相等。因此,用等带宽的滤波通带,以对数分布的频率为横坐标时,白噪声的频谱基本上呈水平线分布。但若采用等比带宽的滤波通带,也用对数分布的频率为横坐标,这时白噪声的频谱分布基本上为每倍频程上升3dB的斜线。
由于各频率成分的能量分布均匀,故类似于光学中的白光形成原理,为此引用“白”字定名白噪声。
(17)背景噪声(Background noise)
主要指电声系统中有用信号以外的总噪声,但在工业噪声测量中也指待测对象以外的噪声。在噪声测量中,一般要求背景噪声低于声源噪声10dB以上,若不足10dB,必须对测量的噪声级进行修正;背景噪声常与本底噪声通用,不加区别。
(18)感觉噪声级(Perceived noise level)
噪度的分贝标度,记为LPN,它的分贝数就是等感觉噪度曲线上1000Hz所对应的声压级的分贝数,单位是(PNdB)。感觉噪声级大约每增减10(PNdB),噪度增减1倍。感觉噪声级计算程序为:由测量所得的倍频程声压级,利用等噪度曲线转换为噪度(呐),并利用各倍频程的噪度求出总噪度N,然后利用感觉噪声级LPN与总噪度N的关系式
LPN=33.3lgN+40(PNdB)
就可以计算出感觉噪声级。
感觉噪声级反映了声音吵闹厌烦的主观感觉程度,突出了高频声的作用,常作为飞机噪声的评价参数。在实际应用中,可以用A声级加13dB(LA+13)或D声级加7dB(LD+7)来估算。
(19)复合噪声评价数(CNR)
评价机场附近噪声干扰的参数。它考虑了每种飞机的噪声级,使用机场的各种飞机的比例,早晚飞行次数,飞行路线,飞行操作方式等多种因素,其定义为
CNR=LEPN+10lg(ND+10NN)-12
式中,LEPN——有效感觉噪声级;
ND——白天飞行次数;
NN——夜间飞行次数。
(20)插入损失(Insertion Ioss)
指在空间某一固定位置(也可以是空间某一场所几个选定点的平均值),在声源(风机管道或其开口)加置消声器前后声压级或声级的差值。其值的大小与消声器的消声特性和消声器所处的环境有关。由于测量值对环境要求较低,因此插入损失常被用来评价消声器的消声性能。
(21)测量放大器(Measuring amplifier)
是声学测量的基本仪器之一??捎米鞲咧柿康缪狗糯笃?,配接测量传声器可测量声压级和声级。它是由可变衰减器、放大器和滤波器组成。它的电路通常分为两部分:前一部分放大量为40dB,并在前面加有0~100dB的可变衰减器。后一部分是把经过滤波器后的信号用0~40dB的衰减器衰减和60dB增益的放大器放大,使输出信号在10V左右,这样记录和测量都较为方便。
测量放大器的频率范围不窄于20Hz~20kHz,并设置计权网络和三种典型时间常数的平均电路,也可外接滤波器,其功能相当于一台实验室用的0级声级计。
(22)测量传声器(Measuring microphone)
亦称标准传声器。在规定工作条件下响应已知的一种传声器。其灵敏度已按国际标准精确地校准。通常采用电容传声器作测量传声器,它的灵敏度高,频率响应宽而平直,稳定性好。直径10mm的电容器传声器的灵敏度约为50mV/Pa(或26dB,基准灵敏度为1V/Pa),频响达20~40kHz,没有指向性,声压级的测量范围大约为30~140dB。
测量传声器分为声压型和声场型两类。声压型传声器常用于混响声场声学测量以及耦合腔声校准等。声场型传声器常用于自由声场或类似自由声场的声学环境中,如在室外、消声室内或大型车间里。
近年来已出现驻极体测量传声器,其性能基本上达到了电容传声器的技术特性,但不需要外加极化电压,使用更为方便。
测量传声器在室外特殊环境中使用时,应该配备相应的附件,如防风罩、防雨罩和鼻锥等。
(23)噪声污染(Noise pollution)
噪声对其周围环境造成的不良影响。与空气污染、水污染一起被公认为当代世界三大公害。工业噪声是噪声污染的主要来源??刂圃肷廴镜母就揪妒墙档突鞅旧淼脑肷?。此外,尚可采用吸声、隔声、隔振和阻尼等多种方法防治噪声污染。其污染不产生后效。即噪声源停止后,污染立即消失;其危害是慢性的和间接的,一般不直接致命。主要使人耳聋,诱发心血管、消化、神经等内脏器官病变。同时噪声干扰休息,影响睡眠、降低劳动生产率,高强度的噪声还能造成建筑结构和建筑物的破坏。尽管对噪声的反应强烈,但普遍对其危害认识不足,往往管理工作不力。当前加强噪声立法,健全噪声管理法规是消除其污染的关键。
(24)结构噪声(Structural noise)
噪声源的辐射表面不是直接暴露于空气或水中,而是它所产生的振动经过结构传播到辐射表面后向空气或水辐射声波的噪声。结构噪声普遍存在于各种机械结构运转中,特别是各种机动运输工具的结构运转中。降低这种噪声对降低整机的噪声辐射,提高其机械性能,延长机械使用寿命都是有重要意义的。就结构噪声而言,降低从振动源到辐射表面的振动传输效率是降低噪声的重要手段。常采用下述几种措施来减小结构噪声。
1.隔振安装。即在振动源与结构件之间插入比较柔韧的隔振器;
2.将阻尼材料用于整体结构中,这种方法对一些情况可取得良好效果;
3.阻抗失配,即改变构件的横截面及接触方法,产生阻抗失配,使入射弯曲波的一部分反射回去;
4.在结构中采用振动吸收器及振动抑制器。
(25)齿轮噪声(Gear noise)
啮合的齿轮对或齿轮组在转动时由于互相碰撞或摩擦激起齿轮体振动而辐射出来的噪声。齿轮系统包括齿轮、轮轴、齿轮架和齿轮箱。一旦在传动过程中激振的频率与齿轮系统的固有频率相重合时,便产生共振,辐射噪声急骤增强。
齿轮噪声的降低应从齿轮设计参数和润滑剂、润滑油粘度的选择,以及加工精度、表面光洁度的提高等因素加以研究解决。
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