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時，耳朵聽到的是具有單一音調(diào)的聲音，這種以單一 頻率 振動的聲音稱為純音。 基音：實際物體振動由不同頻率的許多簡諧振動所組成，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)合聲音聽起來如很悅耳和諧，隨時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單整數(shù)比。所以凡是有規(guī)律振動的聲音稱樂音。 噪聲：如果物體許多頻率組成，各頻率之間不成簡單的整數(shù)比，這種頻率和強度都不同的各種聲音的雜亂無規(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。凡能產(chǎn)生聲音的振動物體統(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。 所謂聲源的振動就是物體（或質(zhì)點）在其平衡位置附近進(jìn)行的往復(fù)運動,2 聲波的形成,當(dāng)聲源振動時，會引起聲源周圍彈性媒質(zhì)空氣分子的振動。這些振動的分子又會使其周圍的空氣分子產(chǎn)生振動，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，因為在真空中不存在能夠產(chǎn)生振動的彈性媒質(zhì)。,聲源的振動,彈性媒介振動,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)點間的動

3、量傳遞來完成，而不是由物質(zhì)的遷移來傳播能量的。,固體的振動產(chǎn)生聲波，或當(dāng)流體越過、環(huán)繞或穿過固體孔洞時流體分離產(chǎn)生聲波?？諝鈮嚎s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 =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,連續(xù)兩個波峰或波谷間的時間間隔稱為周期（

4、P）。 周期的倒數(shù)為頻率（f）：1秒的振動中波峰到達(dá)的次數(shù)。 P與f之間的關(guān)系為：P = 1/f。 相鄰兩個波峰或波谷之間的距離稱為波長（），波長與頻率之間的關(guān)系為： =c/f。,波的振幅(amplitude，A)是指通過零壓力線測得的波峰或波谷的高度。在一個振動周期內(nèi)，平均壓力為零，與振幅無關(guān)。當(dāng)然這不能反映事物的真實狀態(tài)。因此，人們采用均方根聲壓 (root mean square sound pressure，prms) 來克服這個困難。,prms的計算步驟為：先計算平均時間區(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，再除以平均時間，最后開二次方求得： 公式中符號上方橫線表示對

5、時間加權(quán)平均，而T是測量的時間周期。,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刻相位相同的各點的軌跡曲線,平面聲波,相干波具有相同頻率、相同振動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、聲壓和聲壓級 1) 聲強 單位時間內(nèi)聲波通過垂直作用于聲波傳播方向單位面積的聲能量 2) 聲壓 聲源振動時，空氣壓強比正常大氣壓的增強或減弱，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 人耳的聲音感覺

6、與聲壓大小成對數(shù)關(guān)系 用聲壓比的對數(shù)值來表示聲音的強弱 聲壓級Lp10 log(p/p0)2 聲壓(p)與基準(zhǔn)聲壓(p0)之比再取以10為底的對數(shù)并乘以20 Lp20 log(p/p0) p0：基準(zhǔn)聲壓2x10-5聽閾,4) 聲壓級的分貝標(biāo)度 分貝dB：相對單位，無量綱,辦公室,公共交通,空壓機,噴氣飛機,痛閾,耳語,安靜,吵,很吵,十分吵,痛閾,很安靜,50,80,100,110,120,30,聲能量 聲強 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,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(sound intensity，I)：垂直于聲波傳播方向單位面積上聲功率的時間加權(quán)平均值。I與W的關(guān)系為： I=W/A,A是指垂直于聲波運動方向的面積。聲強、聲壓與聲功率之間的關(guān)系： 式中：I-聲強，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算： 式中：T-熱力學(xué)溫度，K。,2 聲強 聲場中某點處，與質(zhì)點速度方向垂直的單位面積上在單位時間內(nèi)通過的聲能稱為瞬時聲強，它是一個矢量。在指定方向n的聲強In=I*n

8、。對于穩(wěn)態(tài)聲場，聲強是指瞬時聲強在一定時間T內(nèi)的平均值。聲強的符號為I，單位為瓦特每平方米（W/m2）。同時，將單位時間內(nèi)通過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）。,聲級和分貝 一個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“天文數(shù)字”。,為處理這個問題，使用一種基于測量數(shù)字間比例的對數(shù)值的尺度來表示噪聲，并將所測量的數(shù)值稱為級(1evels)，其單位則根據(jù)Alexander G

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

10、級計算,（4）聲壓級計算,如果有兩個互相獨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上所產(chǎn)生的振動時而互相加強，時而互相減弱，隨時間平均后的結(jié)果與相互間沒有發(fā)生作用時的情形一樣，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?二個不相干波迭加應(yīng)按能迭加法則。 設(shè)此二個聲源在某處的聲壓分別為P1(t)和P2(t) ，迭加后的聲壓為,對于噪聲的測量，結(jié)果應(yīng)該記錄到最接近的整數(shù)位。 當(dāng)有多個聲壓級相加時，應(yīng)該每次兩個相加，且由最小數(shù)值開始。,計算: 68dB、79dB和75dB三個分貝值相加，其聲功率級是多少？ 解答：首先選擇68dB和75dB兩個較低的值，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)換成分貝而計算： 聲壓級分貝相加的公式：,2.5.4 級的“相減”,在噪聲測量時往往會受到外界噪聲的干擾，例如，存在測試環(huán)境的背景噪聲，這時用儀器測得的某機器運行時的聲級是包括背景噪聲在內(nèi)的總聲壓級LpT那么就需要從總聲壓級中扣除機器停止運行時的背景噪聲聲壓級LpB，得到機器的真實噪聲聲壓級LpS，這就是級的“相減” 總聲壓級： LpT=10lg100.1

12、LpB+100.1LpS 因此，被測機器的聲壓級為： LpS=10lg100.1LpT-100.1LpB,可見，級的“相減”實際上是聲能量相減，而不是簡單的分貝值算術(shù)相減同樣，可以令總聲壓級LpT與背景噪聲聲壓級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，就稱其為平面聲波。所謂波陣面是指空間同一時刻相位相同的各點的軌跡曲線。聲波傳播時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)上的處理比較簡單，是一維問題。通過對平面

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)運動，則稱為簡諧振動?；钊x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時間；(t+)時刻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小得多時，或者測量點離開聲源相當(dāng)遠(yuǎn)時，則可以將聲源看成一個點，稱為點聲源。 在各向同性的均勻媒質(zhì)中，從一個表面同步脹縮的點聲源發(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”?？紤]最簡單的柱面聲波，聲場與坐標(biāo)系的角度和軸向長度無關(guān)，僅與徑下半徑 r 相關(guān)。于是有波動方程： 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)用是可對實際條件進(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,除了用波陣面來描繪聲波的傳播外，也常用聲線來描繪聲波的傳播，聲線也常稱為聲射線