第七章聲學基本理論及分析方法

第七章聲學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)聲學的度量聲壓聲強聲功率聲級一、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)域的實際壓力小于原靜壓力，聲壓為負；在稠密區(qū)域，實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

聲強：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。當聲強的數(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。國際上統(tǒng)一規(guī)定，聽域聲強為。隨著聲強的加大，到人耳感到疼痛難忍時,該聲強稱為痛域聲強，其數(shù)值為1。聲強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弱更直觀方便。好在聲強和聲壓之間存在著一一對應的關(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為：式中：—有效聲壓，；—媒質(zhì)密度，；—聲速。二、聲強

在聲學中，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，與聽域聲強值相對應的聽域聲壓為，與痛域聲強值對應的痛域聲壓為。三、聲功率

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

——曲面上某點的聲強，。平面波：球面波：當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

物理學家韋伯的大量實驗發(fā)現(xiàn)，人耳對聲音的感覺（聽覺）與客觀物理量（聲強、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,用以表達聲音的強弱大小。它是一個作相對比較的無量綱單位。與聲強、聲壓、聲功率等物理量的對應關(guān)系是聲強級、聲壓級、聲功率級，彼此之間的關(guān)系見下表。四、聲級

聲學量、級的關(guān)系表名稱

聽域

痛域可聽范圍比聲強1

聲壓20聲功率1聲強級01201:121聲壓級01201:121聲功率級01201:1211、聲強級

聲強級：式中：——被測聲音的聲強，；

——

聽域聲強，，。2、聲壓級

聲壓級：式中：——被測聲音的聲壓，；

——聽域聲壓（或稱基準聲壓），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（或稱基準聲壓），。N個聲源的縱聲壓級應為：

[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。因為，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。這一點在噪聲測試中非常重要。如：進行汽車噪聲測試時，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。這就是噪聲測試標準中規(guī)定必須測量本底噪聲，且要求的直接原因。第三節(jié)聲學分析方法

人耳對不同頻率聲音的反應是不一樣的，通常人耳對高頻聲音的反應敏感，對低頻聲音反應遲鈍。因此，在測量噪聲時，應注意到人耳的主觀反應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）和達遜（Dason）對許多人群進行了各種頻率的聽覺試驗，他們將不同頻率、響度相同的點連成一條曲線，便得到了等響曲線。再將各個頻率的聽域聲壓級點和痛域聲壓級點分別相連，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。在國際標準中，將其分為13級，其單位為仿（Phon）。每一級都有一條對應的等響曲線。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宋的響度相當于1000Hz的純音、聲壓級為40dB（響度級為40仿）的聽覺反應。50仿為2宋，60仿為4宋。實驗證明，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，因此聲級計應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,標準規(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1～1.5m處測得120～130距高射機槍、風鏟、螺旋槳式飛機1～1.5m處測得130～140距噴氣式飛機、大炮1～1.5m處測得160以上距火箭、導彈、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到這一目的。為此需要對噪聲進行分析。常用的噪聲分析方法主要有：頻譜分析聲強測試分析聲學有限元分析聲學全息分析技術(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，又能表達人耳對頻率的反應特征，國際、國內(nèi)的相應標準均規(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是矢量。因此要想深入研究聲音，就需對聲強進行測量。自上世紀70年代初開始，許多物理學家及聲學工作者都試圖測出聲強這一物理量，但直到1977年美國科學家J·R·Chung和英國科學家F·J·Fang分別獨立證明了聲強的互譜關(guān)系式才獲得成功。聲強的成功測試使得聲學研究有了突破性的進展。聲強測試系統(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械故障的診斷。3、聲學有限元分析

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

聲學全息術(shù)是一種將噪聲映射為聲強分布并定位噪聲源的技術(shù)，它使用麥克風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世紀已被人們所認識。當然，當今人們對噪聲危害的認識更加深入。1979年世界環(huán)境保護會議上將噪聲列為當代人類最不可容忍的災難之一。關(guān)于噪聲對人體的危害可從如下幾個方面去理解。噪聲的物理效應聽覺損傷噪聲引起的其他疾病一、噪聲的物理效應

高強度的噪聲可以損壞建筑物，如超音速飛機的轟鳴聲、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：長期在高強噪聲環(huán)境下工作，聽覺疲勞是不能恢復的，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，當其超過一定限度時，將導致噪聲性耳聾。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??；消化系統(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)噪聲的控制標準

為了保護和改善人類的生存環(huán)境，必須對噪聲進行控制。要想有效地控制噪聲，就必須制定科學、統(tǒng)一的控制標準。聽力保護與健康保護的噪聲標準脈沖噪聲聽覺損傷標準語言交談與通訊的允許噪聲標準環(huán)境噪聲與允許標準汽車噪聲標準一、聽力保護與健康保護的噪聲標準

人對噪聲的承受能力存在一定的差異，一般認為，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行評價，建議噪聲評價數(shù)N=85dB曲線（相當于）作為聽力損傷標準,1971年建議自1974年開始試行N80dB曲線（相當于）作為聽力損傷標準。在