《环境噪声控制工程》讲义.doc

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1、环境噪声控制工程讲义绪论当前的环境污染主要有水污染、大气污染、固体废物污染、噪声污染，因此噪声控制工程是环境工程中的一门重要专业课，第一篇 噪声基础知识这篇是整个环境噪声控制工程的基础，后二篇都是以这篇为基础的，因此这一篇是此门功课的重中之重。本篇的特点是概念多，理论性强，数学公式多，计算多，为了学好后二篇我们有必要记忆一些概念与公式。第一章 概述1.1 噪声控制工程这门课在环境工程中的地位目前我国约有229家高校开有环境工程这个专业，排在前四位依次是的清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学，它专业课一般由四部分组成：水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物的处理与处置、噪声控制工

2、程，因此它是环境工程的一门重要的专业课，同时也是环境污染四大公害之一：水、气、渣、噪声。只是由于它是一种物理性污染，没有后续性、危害的作用时间长、人有较强的耐受性，它才没有引起人们的足够的重视。但目前由于城市化的加剧、交通运输业的飞速发展、第三产业的兴起，噪声污染越来越广泛和严重，目前它是环境污染投诉中的最多的。随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们对生活环境的质量也越来越高，我认为学好噪声控制工程这门功课是大有可为的。目前噪声治理工程投资占环保投资的1520%，而在“十五”期间环保投入占GDP的1.5%，特别是我国1997年颁布的中华人民共和国噪声污染防治法中列出的四大噪声（工业噪声、建筑

3、施工噪声、交通噪声、社会生活噪声）还远未得到有效的控制，因此你们以后有广阔的舞台去发挥你们的聪明才智。这里讲一点题外话，你们要热爱环境工程这个专业，因为这是一个很有发展前途的专业，但目前的主要问题是就业率不是很高，但是随着世界环境的进一步恶化，环境保护已成为世界的一个主题。我国在环保领域的投资青年提高，以湖南省建污水处理站为例说明 另一个是环境保护的作用在生活中也日益体现出来，如在新建的高新技术区，达不到环境要求的项目就不能进入，如去年天津经济技术开发区在招商引资时，对项目入区申请实行“环保一票否决”，已连续有3个能耗高、污染大的项目被挡在开发区大门之外，涉及投资额为5700万元。最为能体现环

4、境保护法规作用的是去年环境总局掀起的“环境风暴”三件事件（所体现出来的是前所未有的）一是整顿环评人员，实行环境影响评论人员职业资格证，是砍掉不合格环评单位。2004年底，国家环保总局对全国的198家甲级和728家乙级环境影响评价单位进行考核。对考核不合格的68家环境影响评价单位严肃处理，吊销山西军工环保应用技术研究所等8家单位证书，降低内蒙古大学等4家单位评价范围，暂停山西临汾市环境保护应用技术研究所等11家单位业务并限期整改，通报批评16家，暂缓发证29家。 二是，“两控区”酸雨控制区和二氧化硫（SO2）控制区内的46家火电厂，因至今未启动 脱硫项目工程而被通报。在其于次日出示的一份文件中，

5、这些电厂被要求“在指定的时间表内完成脱硫项目建设，否则，项目所在地区、电力集团和企业的新建、改建、扩建火电项目将暂停审批。年内投入数十亿元资金进行脱硫项目建设。”三是：叫停30个非法开工项目，主要是没有进行环境影响评价或没有通过几乎个个都是数亿乃至上百亿元的规模，如金沙江溪洛渡水电站，装机容量1260万千瓦，是中国仅次于三峡电站的第二大水电站(三峡电站的装机容量为1820万千瓦)，静态总投资446亿元；另一个被停建的电站三峡地下电站，其装机容量也达到420万千瓦，静态总投资为69.97亿元。值得关注的是，这次曝光的违法工程绝大多数是电力项目，这其实向电力行业再次敲响警钟：“电荒”之后的电站项目

6、建设，在一定程度上已处于无序状态。1.2 噪声与振动控制行业的发展与展望噪声与振动控制行业作为环境保护相关产业的一个部分，得到了很大的发展。上个世纪六十年代只有几个生产厂家生产消声器等单件产品，产品只有数十种，产值仅几百万元，有关科研设计单位只有几个；七十年代生产厂家有几十家，产品上百种，产值上千万元；八十年代噪声与振动控制生产厂家一百三十多家，产品六百余种，产值约一亿元；九十年代，从事噪声与振动控制的生产、科研设计单位有四百余家，产品千余种，年产值约五亿元。到如今，噪声与振动控制行业更是有了突飞猛进的新发展，所生产的产品如消声器、吸声材料和结构、隔声构件、隔振器、阻尼减振材料、噪声与振动测量

7、仪器等，已基本能满足国内噪声与振动控制的需要， 有部分产品还出口国外。展望我国噪声与振动控制行业的今后发展动向，我以为会有如下特点：1随着我国城市对人居环境的要求不断提高，城市中的工业污染源也在走向外迁（如北京首钢的整体外行迁）、规范和集中的阶段，所以工业污染源的噪声与振动控制会从以往的环境治理的主导地位，退居到较次要的地位。就环境噪声而言，城市道路和城市铁路噪声将成为环境治理的重点，声屏障和隔声窗将可能成为治理手段中的热点产品。从开放式声屏障、局部封闭全封闭声屏障到高效隔声窗及通风隔声窗，各种各样的新型隔声、吸声材料都可能使用到这些产品中去，新的研究课题和实用技术将使噪声与振动 控制行业创造

8、出经济、实用、美观大方和具有高声学性能的相关产品。2由于我国正处于经济成长期，大兴土木建设阶段，大量的建筑不断涌现，这些建筑中有许多是安装集中式空调的，为保证使用时不污染声环境，就必须安装消声器。所以生产大量空调消声器是噪声与振动控制行业又一热点。改 进传统空调消声器的材料、结构和进一步提高其消声性能，是摆在噪声与振动控制行业面前的又一新任务。3传统住宅的内墙是采用砖墙，隔声性能较好。近年来，由于砖墙的禁止使用，不得不用轻质隔墙代替，可是其隔声性能总不能尽人意。研制高隔声性能的轻质隔墙是噪声控制的新课题，噪声与振动控制行业要从开发新材料、新型隔声结构入手，尽快解决这一问题。4在现有住宅内，特别

9、是高层住宅内，建筑配套设备如水泵、冷冻机、电梯等对住宅内的住户都可能造成噪声和振动污染。控制这些设备的噪声和振动对住宅的影响，是噪声与振动控制行业义不容辞的责任。5超低噪声冷却塔的研制和生产，一直是噪声与振动控制行业的追求，应该说，冷却塔的噪声在各方面的努力下，有一定程度的降低。然而离使用实际的要求尚有相当距离，这是我们进一步努力的目标。6生产低噪声产品，从声源来降低噪声是噪声与振动控制行业的长期愿望。为此，我们也进行了一些努力，取得了一些成绩，但是与国外相比差距还较大，这仍是我们要努力的方向。7从我国噪声与振动控制行业生产的产品来讲，其原理和技术上与国外产品差距并不大，但是从质量上，特别是工

10、艺水平上尚有差距。解决这一问题，除须进一 步提高产品质量，加强质量管理外，提高加工设备精度，改进加工工艺是重要的环节。另外，提高厂家整体管理水平，加大产品技术含量也是重要的途径。这从我国 深圳中雅机电实业公司和上海申华声学装备有限公司不断扩大生产规模、提高产品质量的成长过程也可以得到充分证明。8噪声与振动 控制行业的发展，必须依靠科学技术，采用新技术、新工艺、新材料，制造质量好、能耗低、价格合理的适合市场需求的产品，是我们追求的目标。当前，噪声与振动控制行业在产品的标准化、系列化和通用化方面还有许多工作要做，只有做好这些工作后，才可能提高噪声与振动控制行业的整体水平，这是我们要为之奋斗的共 同

11、目标。9随着我国改革开放力度不断加大，特别是进入WTO后，与国际的交流和联系也大大增强，有关噪声与振动控制的新技术、 新工艺、新材料，也开始不断进入我国市场。一方面是对噪声与振动控制行业的竞争，但另一方面增加了我们学习的机会，增强我们改革的决心，我们要利用好这一 大好机遇，促进我国噪声与振动控制行业的进一步发展。总之，我国噪声与振动控制行业经过历年的努力，已取得了长足的进步。今后，还须我们进一步努力，艰苦奋斗，去争取更大发展。任重而道远，前景是美好的。 1.1 噪声及其危害1.1.1 噪声1.定义：噪声的定义可从生理学、物理学、环保的角度来定义，从生理学的观点来定义人们不需要的声音统称为噪声；

12、从物理学的观点来定义是不和谐的声音叫做噪声，它是各种不同频率和强度的声音无规则的杂乱组合，它给人以烦躁的感觉，与乐音相比，它的波形曲线是无规则的。环保部门把危害人们身体健康、干扰学习、工作和睡眠的声音，统称噪声。2.特点：噪声定义的主观性很强、有着明显的相对性，例如音乐，你觉得很悦耳，他在思考问题时却觉得很讨厌，也就是它随人的心理、主观感觉等的不同而不同。3.噪声污染及其特点：被测试环境的噪声级超过国家或地方规定的噪声标准限值，并影响人们的正常生活、工作、或学习的声音，就形成噪声污染。它的特点有四个，其一是噪声污染属于物理性污染，它只会造成局部性污染，一般不会造成区域性和全球性污染，而象水污染

13、和大气污染就会造成区域性和全球性污染，象美国的二氧化硫就随风飘到加 大，而叛国又气拒绝在京都义定书上签字，该条约在今年的2月1日生效；噪声污染没有残余污染物，噪声源停止运行后，污染就立即消失；噪声的声能是噪声源能量中很小的部分，噪声再利用的价值不大，因此，人们对声能的回收不重视；噪声一般不直接致命或致病，它的危害是慢性的和间接的。3.噪声的种类：在噪声控制学的范畴里，噪声可以从很多方面来分类，例如为区分由于自然现象和人为产生的噪声，可分为自然噪声和人为噪声；又如按频率分布可把噪声分为低频（500Hz、中频（5001000Hz）和高频（1000Hz）。（A）客观环境里的噪声，如果按其总的来源可大

14、体划分为自然噪声和人为噪声两大类。前者是大自然里人为因素之外的所有噪声，比如风声、雨声等，而后者主要指随着工业和科学技术的发展，各种机械、电器和交通噪声等。（B）按噪声的发声机理可分为机械噪声、空气动力性噪声、电磁噪声。由于机械的撞击、磨擦、转动而产生的叫做机械性噪声，如织机、球磨机、电据等发出的声音；凡高速气流、不稳定气流以及气流与物体相互作用产生的噪声叫空气动力性噪声，如通风机、空压机等发出的声音；电磁噪声是由电磁场的交替变化，引起某些机械部件或空间容积振动产生的，如发电机、变压器等发出的声音。（C）按城市环境噪声分类：可分为交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声、社会生活噪声。4噪声的危害1噪

15、声对于人耳的损害当进人噪声环境时，会感到噪声刺耳；离开噪声环境后，耳朵还嗡嗡作响，难以听清；过段时问后，可以逐渐恢复听力，这叫听觉适应，是人体对环境噪声的一种保护性反应听觉适应是有一定限度的在较强的噪声持续作用下，听觉敏感性可以下降1550分贝；离开噪声环境后，听觉恢复时间需数小时，这种现象称为听觉疲劳，这是听觉器官的功能性变化如果长时间遭受过强的噪声刺激，就会引起内耳的退行性变化，导致器质性损伤，形成噪声性耳聋一般认为听力下降30分贝以上，就是产生噪声性耳聋的先兆在极强烈的噪声作用下，可造成噪声外伤，鼓膜破裂出血，双耳完全失听2噪声对全身各系统的损害噪声长时间作用于中枢神经，可使神经失调，植

16、物神经紊乱，产生头痛、头晕、耳鸣、心悸、失眠或嗜睡、神经衰弱症候群，严重者甚至精神错乱噪声对于心血管系统有着明显的损害，据报导，不仅噪声级较高的车间工作人员高血压发病率很高，而且在闹市中被噪声困扰的居民高血压发病率也较高噪声可致心肌损害（猝cu死）血液中白血球增加，据统计，在噪声较大的行业里工作的人胃溃疡病发病率高于安静环境者五倍噪声可使视觉灵敏度降低20、色觉灵敏度发生变化，对于视野也有影响，清晰度下降噪声对于基础代谢、免疫力、内分泌、皮肤温度、皮肤电阻等都有影响噪声还可以影响胎儿体重可以使胎儿畸形等3噪声干扰生活、学习和工作据研究结果，两组纺织工人在同一噪声环境中工作，只是其中一组戴上防止

17、噪声的护耳器，而另一组不戴，结果，第一组的产量比第二组的高，当噪声级达80分贝时，绝大多数工人工作效率降低噪声对于脑力工作干扰更甚，它使注意力不能集中，干扰甚至打断思路，影响作品创造，影响科学研究有人对电话交换台进行调查，发现噪声从50分贝降至30分贝，差错率减少42在噪声严重的环境中工作，还容易产生工伤和交通事故据测量，发现在4045分贝噪声刺激下，脑电波呈觉醒反应噪声对于睡眠深度有明显的影响噪声对于谈话的干扰，是人们都有体会的，噪声级与谈话的声级接近时，可干扰正常谈话超过10分贝交谈就很困难了普遍谈话声是60分贝，噪声级若达65分贝，就得提高嗓门才能交谈，如果噪声高过90分贝，就是大声喊也

18、听不清在打电话时，噪声65分贝以上就很困难了我国工业迅速发展，噪声急剧增加，如不及早防治、将成为社会一大公害应当积极贯彻我国噪声卫生标准，积极进行防护5.特强噪声对仪器设备和建筑结构的危害。1.2噪声的控制1.2.1控制的原则要坚持“预防为主”、“防治结合”、“三同时”、科学性、先进性和经济性的原则。我们一方面要依靠科学技术来“治”，另一方面必须依靠法律来“防”，同时对新建工业企业的噪声控制设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产，尽量做到技术可行、经济合理。1.2.2 控制的措施1.行政管理措施：这表现在立法与制定标准和条例上，如我国的环境保护法中关于噪声就有专门的章节来规定，同时1996

19、年全国人大通过了中华人民共和国环境噪声污染防治法（1997年3月1日起实施）制定了工业企业噪声卫生标准（）、城市区域环境噪声标准（GB309493）等。2.规划性措施：包括区域规划（城市布局应按功能分区，妥善安排工业、交通运输、居住等用地的相对位置。）、道路规划（为降低城市噪声，要减少穿行市中心的车辆）、控制城市人口密度（为人口密度，人/km2,Ldn为昼夜等效声级）、加强绿化工作，加大绿化面积。3.针对噪声传播要素的措施1）噪声源：在声源处抑制噪声，这是最根本的措施，主要是改革生产工艺和技术革新，用低噪声工艺代替高噪声工艺，同时研究降低噪声源辐射噪声的激振力和噪声辐射部件对激振力的响应。由于

20、技术条件和经济条件的阳制，从声源上根治往往是不可能的，许多原有设备还需要在相当长时间内发挥作用因此，对噪声源采取一些控制技术，仍然具有重要而普遍的意义噪源对策技术如下表：2）传播途径：（1）远离噪声源人远离噪声源或者让噪声源远离人，使噪声在远距离传播中衰减点声源、线声源和面声源随距离的衰减规律都可以用公式计算出来例如：点声源至某两点之间的距离分别为r1和r2，且即当距离由r1变为r2时，其衰减量为LdB若r2=2r1，则由式(12)可以算出L6(dB)（2）改变噪声指向噪声在低频时，一般无指向性，但随着频率的增高，其指向性也随着增加因此，对于高频噪声，改变指向是一项控制噪声的、行之有效的对策。

21、这就象大气污染控制中要求考虑学年主导风向，办公楼、生活区建在上风向。（3）筑墙控制噪声的传播如图2所示，S、O、R分别为噪声源、墙顶端和接收点墙对噪声的衰减量可用下式表示：这就是声屏障，道路声屏障工程渐成行业热点在降低交通干线噪声、工业生产噪声和社会环境噪声中发挥着独特的作用。特别是随着近年来城市轨道交通和高等级公路的加速建设，各类道路声屏障也得到日益广泛的普及，逐渐成为环保行业的工程热点之一。由式（l3）看出，衰减量与声频或波长有关，与墙高度也有关筑墙衰减噪声，在实用中被考虑的限度为25dB若在墙上贴吸声材料或在房间挂吸声板，也能有效地衰减噪声（4）大气、树木和草地可消弱噪声的传播噪声由气温

22、高处向气温低处折射、由上风处向下风处折射。根据这一规律，噪声源应设置在低温处和下风处绿化城市，不仅可以减弱噪声的传播，而且可以防止空气污染3）噪声接收器的防护措施：对人，主要是佩带对听力保护作用的耳塞、耳罩、头盔等；对于精密仪器设备，可产安置在隔声间内或隔振台上。最后，介绍一下有源减噪法研究的新进展：这一方法由美国声学专家奥尔逊（Olscn）提出，但由于技术水平限制，一直没有取得实际进展电子技术的发展，使这一方法有了实现的可能何谓有源减噪法呢？就是用传声器接收某一声场的声音，经过放大、控制，使它再放出一个与原声场位相相反的声音，则这两个声音因位相相反而互相消弱，甚至完全抵消用数学式子表示即：A

23、costAcos(t)=0 （14）英国南安普顿大学和法国马赛技术物理中心，都根据这一原理研究出了防噪声耳罩耳罩中放一个传声器和声源由于在耳罩范围内声音的位相几乎相同，可以用传声器鸣起再加以放大，反相后再传入耳罩，可把噪声基本抵消注意无源噪声的控制技术第二章：环境声学的基本概念2.1声波的产生及描述方法2.1.1声波的产生1.声源：声音是由物体的振动而产生的，因此凡能产生声音的振动物体统称为声源。从物体的形态来分，声源可分为固体、气体、液体声源等。2.声波的形成：当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质空气分子的振动。这些振动的分子又使其周围的空气分子产生振动。在弹性媒质中，物体的机械振动由近及

24、远的传播过程叫声波。声波可以在空气、液体、固体中传播，但在噪声控制中主要涉及在空气中的传播。我们在此要注意：声波在空气中的传播，空气质点本身并不曾随声波一起传播，只是在它的平衡位置来回振动。故声音的传播，实质是振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。（画图说明）3.产生声音感觉的条件：（1）具有一定声能的振动（2）有传播声波的媒质（气体、固体、液体）（3）产生振动的频率必须在20-20000Hz内。2.1.2描述的物理量声音是一种波动，因此它就必然具有波的所有性质，可以用通常描述波动的物理量进行描述，通常用频率、波长、相位、声速和声压来描述。1. 声压：当声波在空气中传播时，会形成弹

25、性媒质（空气）的疏密相间的状态，当媒质密集时，这部分的空气压强P会比平衡状态下的静态压强P0大，当媒质稀疏时，这部分的空气压强P会比平衡状态下的静态压强P0小，即在声波的传播过程中，空气压强随着声波作周期性变化。因此可以用声扰动在空气中所产生的逾量压强p来表述声波的状态：p=PP0，这个逾量压强p称为该点的瞬时声压，单位是帕斯卡（Pa）。区分有效声压2.相位：是指任一时刻t的质点振动状态，包括运动方向、振动位移、压强变化等，它描述质点运动状态。对于简谐振动，沿x正方向传播的平面声波一般用tk+来表示，其中2f为角频率，t为时间，k=/c称为波数，为初相位在实际使用中适当选取时间的起始值或适当选

26、取x轴的坐标原点，使其等于0。3.波长：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）的地点到相邻的另一个最稠密（或最稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长，记为，单位为米。4.周期、频率：振动重复1次的最短时间间隔称为周期，记为T，单位为秒，周期的倒数，即单位时间内的振动次数，称为频率。5.声速：媒质质点在声源激发下产生的振动状态在媒质中自由传播的速度为声速，记为c，在一定的媒质中，声速与媒质的温度有关，在空气中声速与空气温度的关系是c=331.4+0.61t(m/s),t为空气媒质的温度，我们在实际应用中可以取15空气声速即340m/s，就能满足一般工程精度要求。2.2 声波类型和声场类型2.2.1

27、波动方程及其几个概念在声学中，一般用声压p来描述声波，在均匀的理想流体媒质中的用小振幅声波波动方程描述声传播规律，它是一个二阶偏微分方程，是在运动方程（牛顿第二定律）、连续性方程、状态方程三个定律的基础上推导出来的。这个方程是在满足以下假设条件的基础上推导出来：（1） 假设媒质为理想流体，声波在这种媒质中传播时没有能量耗损，在媒质中不存在粘滞性；（2） 假设声扰动之前媒质宏观上是静止且均匀的，压强P0和密度0都是常数。（3） 假设声传播过程媒质膨胀压缩产生的温度差不会引起媒质相邻部分发生热交换，即声传播过程为绝热过程。（4） 假设媒质中传播的是小振幅声波，即满足声压p比静态压强P0小的多；质点

28、振动速度u比声速c小的多；质点位移比声波波长小的多；媒质密度的相对变化远小于1，即（0）/01。在波动方程中，声压p是空间坐标（x,y,z）和时间t的函数，记为p(x、y、z、t)，描述不同地点、不同时刻声压的变化规律。波阵面：是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。声场：空间中存在声波的区域称为声场。声线：也称为声射线，是声源发出的代表能量传播方向的直线，它与波阵面常用来描述声波的传播，当声波频率较高，传播途径中遇到的物体的几何尺寸声波波长大很多时，可以不计声波的波动特性，直接用声线来处理，后面我们谈到的声像就用声线来正理的。声阻抗率：指声场中某位置的声压与该位置的质点振动速度的比值，它代

29、表的不是声能转化为热能，而是代表着能量从一处向另一处转移，即传播损耗。用公式表示为Zs=p/u。2.2.2 声波类型根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成平面声波、球面声波、柱面声波等类型。（1） 平面声波如果声源是一块无限大的平面，而且声源上每一点都处于同一相位，定义声音传播方向为x，则声场在空间的yz两个方向是是均匀的，即声压、质点振动等物理量在垂直于x轴的同一平面上处处相等（亦即波阵面垂直于X轴），不随y、z值而变化。这时波动方程简化为我们把这种声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，叫平面声波，它的声线是相互平行的一系列直线。活塞在管中运动所辐射的声波是典型的平面声波，对于沿

30、正x方向传播的简谐平面声波有以下三个基本公式：1）瞬时声压：p(x,t)=P0cos(tk),P0为声压振幅2）质点振动速度：ux=U0cos(tk)，式中U0P0/0c为质点振动的速度振幅。3）声阻抗率：Zs=p/u0c，只与媒质的密度和媒质中的声速有关，而与声波的频率、幅值等无关，故又称为0c为媒质的特性声阻抗。（2）球面声波当声源的几何尺寸比声波波长小很多时，或测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成一个点，称为点声源（在噪声控制工程中大都声源可作为点声源来处理）。因为在各向同性的均匀媒质中，各方向上声的传播速度相等，点声源辐射声波在距声源同一距离的球面上相位处处相等，波阵面是一系列同心

31、球面，这种声波称为球面声波。它的波动方程为：1）瞬时声压：p(r,t)=P0/rcos(tk),P0/r为声压振幅,随传播距离r的增加而减少，二者成反比关系。2）质点振动速度：u=U0cos(tk)，式中U0P0/0cr为质点振动的速度振幅。3）声阻抗率：Zs=p/u0c，与平面声波的相同。（3）柱面声波 如果声源在一个尺度上特别长，例如繁忙的公路，比较长的运输线，都可以看成是线声源实例，这类声源形成的声波波阵面是一系列同心圆柱，它的波动方程为，其中r为径向半径。2.2.3声场的类型（各声场的特点）声场可分为自由声场、半自由声场、扩散声场。1. 自由声场：均匀、各向同性的流体媒质中，若声场不受

32、边界的影响，或者声场的边界在无穷远处，这时的声场叫自由声场，理想的自由声场是不存在的，因为人们生活的空间总存在边界，当边界的影响小到可以忽略不计时，可以近似认为，如在声学研究中人工建立的全消声室。2. 半自由声场：如果存在一个全反射面，反射面上方不存在边界的影响，则称为半自由声场。3. 扩散声场：也称为混响声场，声波在室内等封闭空间内传播时，存在许多反射面，声波经过壁面和室内物体多次反射，不断改变传播方向，使室内声的传播完全处于无规状态。如果在室内任何一点，各个方向传来的声波几率相等，声音的相位无规，这样的声场叫。第三章声压级、声强级、声功率级及其计算3.1声压、声能量、声强、声功率1. 声压

33、2. 声能量声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能；另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能，这两部分能量之各就是由于声扰动使媒质得到的声能量。声场中单位体积媒质所含有的声能量称为声能密度，记为D，单位为焦耳每立方米。3.声强单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量叫声强，一般用I表示，单位为W/m24.声功率声源在单位时间内辐射的声能量叫声功率，声功率用W表示，单位为瓦。对于在自由空间中传播的平面声波：它们的关系为声能密度： 声强： 声功率：pe声压的有效值，它是瞬时声压对时间t取圴方根值，即，经积分和开方得.，人耳听到的声压为

34、有效值。S为平面声波波阵面的面积。3.2级的概念 由于声音的强度变化范围相当宽，直接用声功率和声压的数值来表示很不方便，并且人耳对声音强度的感觉并不正比于强度的绝对值，而更接近正比于其对数值。因此，在声学中普遍使用对数标度。3.2.1声压级、声强级和声功率级1.声压级 声压级常用Lp表示，定义见教材P222.声强级声强级常用LI表示，定义为，3.声功率级3.2.2声压级的相加 这涉及到两种情况，一种是要求多个声源在某点产生的总声压级，另一种是要求某一个声源发出的各种频率声波在某点的总声压级。这就要用到级的相加，一般情况下，噪声是由不同频率、无固定相位差的声波组成，因此不发生干涉现象 ，这时声波

35、叠加就是声波能量的叠加，。以两个声源为例来推导：由声压级的定义得：，那么，又据声压级的定义得总声压级为，对应n个声源的一般情况有，如果n个声源的声压级相等，那么有LPt=Lp+10lgn例1：在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB、87 dB、90 dB、95 dB、96 dB、91 dB、85 dB、80 dB，求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少？解：由得 例2：有一声源，在某一点测得各中心频率的声压级如下，求该点的总声压级？ 中心频率/Hz63125250500100020004000声压级/dB70778088909584解：由得 3.2.3声波的相减在噪声测量的

36、过程中，经常会受到外界噪声的干扰，在噪声测量中，待测噪声以外的其他声音统称为背景噪声，扣除背景噪声是获得真正声源引起噪声值的必要步骤。如果在有背景噪声存在的情况下测得某声源的声压级为LPt，声源停止发声后测得背景噪声的声压级为LpB,则机器的真实噪声声压级Lps为3.2.4声压级的平均在计算声源的指向性指数时，需要计算平均声压级；对于某一点的多次测量结果也需要计算平均声压级，这涉及到分贝平均的问题。分贝的平均是以分贝和的公式为基础来进行计算的，计算公式如下：如果待平均的各分贝值中，最大值Lpmax和最小值Lpmin之差等于或小于10dB，一般都采用近似的计算方法。当LpmaxLpmin5dB时

37、，可用算术平均值作近似计算，即，当5LpmaxLpmin10时，可用下式计算 在这一节里，所有的关于分贝计算的问题都是用声压级推导出来的，由于推导公式时以能量叠加原理为基础，所以所有的关于分贝计算的公式也都同样适用球场的强级和声功率级的运算。第四章噪声频谱特性和噪声传播过程中的一些现象4.1噪声频谱特性1.噪声的频谱：实际生活中的声音很少是单个频率的纯音，一般多是由多个频率组合而成的复合声。对于声源发出的声音，将它的声压级、声强级或声功率级按频率顺序展开，使声音的强度成为频率的函数并考察其变化规律叫频率分析。通常以频率（或频带）为横坐标，以反映相应频率成分强弱的量（声功率级、声压级、声强级）为

38、纵坐标，把频率与强度的对应关系用图形表示，这种图称为声频谱，或简称频谱。常见的频谱图类型有三种：线状谱是由一些离散频率的声音组成，在频谱图是一系列不连续的竖直线段，一些乐器发出的声音就属于线状谱；连续谱是一定频率范围内含有连续频率成分的谱，在频谱图中是一条连续的曲线，大部分噪声都是连续谱；复合谱是连续频率成分和离散频率成分组成的。2.频程：人耳可听阈的频率范围大约是20Hz20000Hz，对于如此广阔的范围，为研究问题方便，在声学中一般把声频范围划分成若干个小区间，称其为频程，也叫频带或频段。实验表明，当两个不同频率的声音作比较时，具有决定意义的并不是两个频率的差值，而是两个频率的比值。倍频程

39、数n和频率f的关系是，各倍频程的中心频率值f是指倍频程的上限频率和下限频率的几何平均值，即,可得到定义f=f2f12c2 1c1I 1c14.2 声波的反射、透射、折射和衍射4.2.1垂直入射声波的反射和透射而两种媒质的分界面是无限薄的，所以声压和质点振动速度在两种媒质的分界面x=0处是连续的。我们定义声压反射系数为反射声压幅值与入射声压幅值之比，记为p,定义透射声压幅值与入射声压幅值之比为声压透射系数，记为 4.2.2斜入射声波的反射和折射 画图说明斜入射时的反射和折射 与声波垂直入射到两媒质的交界面上一样，按照界面上声压连续、法向质点振动速度连续的边界条件，可以得到著名的斯涅耳反射和折射定

40、律。斯涅耳反射定律：反射线在入射线与界面法线所在的平面内，且与入射线位于法线的两边，反射角与入射角相等，记为斯涅耳折射定律：折射线在入射面内，且入射角正弦与折射角正弦之比等于媒质1中声速C1和媒质2中声速C2之比，记为。可见，当两种媒质中声速不同时，声波就会发生折射。折射角t随c1/c2而变化，如果c1、c2一定，则折射角t随入射角i而变化。即使是同一种媒质中，如因某种原因引起声速的分布不同，声波也会发生折射。 上式表明若两种媒质声速不同，声波传入媒质时方向就要改变。当c2c1时会存在某个i值，ie=arcsin(c1/c2)使得t=/2。即当声波以大于ie的入射角入射时，声波不能进入媒质而形

41、成声波的全反射。ie称为全反射临界角。根据边界条件：两媒质界面的声压与质点速度应连续，即：pipr pt uicosi+ urcosr= utcost于是得到反射系数rp和透射系数通常入射声波在界面上失去的能量（包括透射到媒质中去的声能）与入射声能之比称为吸声系数由于能量与声压的平方成正比，有：rp的值与入射方向有关。4.2.3大气中声波的折射当大气在垂直方向存在温度梯度时，会引起声波的折射。夜晚许多地方都存在逆温，这时大气温度随高度增高而增高，由知，声速随之增大，折射角也在增大，即声波传。播方向向地面弯曲；而在晴朗的白天，气温通常随高度增高而降低，声速随之减小，折射角也在减小，声波传播方向向

42、上弯曲，地面上形成一定的声影区，用图来说明。风也会引起声波的折射，当有风时，实际声速c应是无风时的声速与风速的矢量和，即，而风速一般随高度的增加而增大，所以，顺风时实际声速随高度增加而增大，即声线向地面弯曲；逆风时实际声速随高度增加而减小，即声线向上弯曲，地面上形成一定的声影区。4.3声波的衍射声波在传播的过程中会遇到障碍物或孔洞，当声波的波长比障碍物或孔洞的尺寸大得多时，声波能够绕过障碍物或孔洞的 边缘前进，同时，声波的传播方向将发生改变，这种现象称为声波的衍射。声波的衍射与声波的频率、波长和障碍物的大小有关。当障碍物或孔洞的尺寸比声波的波长小的多时，声波很容易绕过障碍物或孔洞继续传播。当障

43、碍物或孔洞的尺寸比声波的波长大时，声波的衍射现象就很不明显，而在障碍物后或孔洞的外侧形成声波无法达到的声影区，这就是隔声屏障的工作原理。4.3 声波在传播中的衰减声在传播过程中将产生反射、折射、衍射等现象，并在传播过程中引起衰减。这些衰减通常包括声能随距离的发散传播引起的衰减Ad和空气引起吸收引起的衰减Aa，地面吸收引起的衰减Ag,屏障引起的衰减Ab和气象条件引起的衰减Am等。可用公式AAdAaAgAbAm4.3.1随距离的发散衰减（扩散衰减）在传播过程中，声音不断衰减，引起衰减有多种原因，首先声音随传播距离的增加而衰减。前已述及，当测点距离比较远时，一般声源都可以视作点声音源，声波以球形波方

44、式向四面八方传播。随着声波传播距离的增大，波阵面在增大在，则单位面积上所通过的声能量减小。以最简单无指向性声源为例如图；当声源放置在刚性地面上时，声波只能向半空间辐射，此时，从上两式中可以看出，声强随声波传播距离的增加而按平方反比的规律减弱。这种由于波面的扩大而引起声音强减弱的现象，称为声波的扩散衰减。若用声压级来表示，可得r处的声压：全空间：半空间：因此，从r1处传播到r2处的发散衰减：4.3.2 空气吸收衰减空气吸收引起声波的衰减主要有三个原因，它与空气的温度、湿度、和声波的频率有关：一是声波在空气中传播时，由于相邻质点的运动速度不同，分子间的粘滞力使一部分声能转变为热能；二是声波在空气中

45、传播时，空气产生周期性的压缩和膨胀的疏密变化，相应出现空气温度的升高和降低，温度梯度的出现导致热交换，使一部分声能转变为热能；三是弛豫吸收，它是指空气分子转动或振动进存在固有频率，当声波的频率接近这些频率时要发生能量交换，它能声速改变，声能被吸收。它的计算除可以用教材上的公式计算外，还可以用声压衰减常数有关，它的单位为dB/m即指在空气中声波传播1m衰减的分贝数。可以用Aa=（r2r1）来计算。4.3.3 声屏障引起的衰减当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时会产生显著的附加衰减。这样的障碍物称为声屏障。声波遇到屏障时会产生反射、透射和衍射三种传播现象。屏障的作用就是阻止直达声的传播，隔

46、绝透射声，并使衍射声有足够的衰减。具体的计算后面我们要学到。4.3.4其他衰减还有其他一些原因引起声音衰减，如空气中的尘粒、雾、雨等对声波的散射，只是影响比较小，每100m距离约衰减0.5dB。树木和草坪对声波的散射和吸收作用同样会引起声波的衰减，4.4声源的指向性 理想点声源在均匀媒质中辐射声波的声压、声强等量在各个方向上都是相同的，声源不具有指向性。一般声源，实际上可以看作是许多点声源的叠加，该声源辐射声波在各个方向上可能是不同的，这种声源被称为有指向性的声源，它们的波阵面不是以声源为圆心的球面，而是复杂的曲面。声源的指向性对声波的传播特性有影响，缺乏声源指向性数据就无法准确预测声波实际传

47、播情况。声源的指向性和声源的尺寸和形状、发声机理有关，需要通过实际测试才能够掌握。声源的指向性还与声波的频率有关，声波的频率越高，声源的指向性就越强。声源的指向性常用指向性因数和指向性指数来表示。声源的指向性因数是指声场中某点(方向)的声强与同一声功率的点声源在相同半径的球形波阵面上的平均声强之比，记为Q，计算公式为，式中分别表示某声源在方向上距声源r远处的声强和声压；分别表示同一声功率的点声源在半径为r的球形波阵面上的平均声强和声压。声源的指向性指数等于指向性因数取以10为底的对数乘以10，记为DI，由定义及上式得：DI=10lgQ,一般地有：对于无指向性的声源，Q=1，DI=0 指向性因数与点声源放在室内的位置有关，若点声源放置在房间中心，Q=1；如果声源放在地面或墙面中间，声能量只辐射入半个球面空间，同样距离的点，声能增加一倍，Q=2；声源放在两个墙面或墙面与地面的交线上，Q=4；在三面的交点上，Q=8。声源位置特点R空间点声源均匀地向空间辐射声能1声源置于地面声源能量的一半辐射入空中2置于两墙或墙