1、第一章绪论,1.1 噪声,声音和噪声 噪声污染特点 噪声危害 噪声污染源及分类 噪声控制,1.声音和噪声声音和水、空气、食物都是人类生活的必需因素。,噪声感知学方面：干扰人们生活、学习和工作的声音，是不被人所需要的，称为噪声。物理学定义：振幅和频率上完全无规律的震荡称之为噪声,2.噪声污染的特点 物理性 难避免 不产生能量积累 时空局限性 无法集中治理 危害潜伏性,上海市每年环保系统接到的有关噪声的投诉约27000件，约占环保投诉总量的三分之一左右。其中，社会生活噪声的矛盾尤为突出。,3、噪声的危害 损伤听力（80dB） 干扰睡眠 对人体生理机能引起不良反应 干扰语言交谈和通讯联络（掩蔽效应）
2、 特强噪声损坏仪器设备和建筑结构,噪声危害具体举例,1、对听觉器官的影响：在强烈噪声的持续作用下，听力减弱，听觉敏感性下降10-15分贝，严重者可达30-50分贝，但初期在脱离噪声后，听觉可恢复正常，这种现象称为听觉疲劳，如长期在噪声作用，则听觉不能完全恢复，进而引起听觉器官形态学改变，即发生器质性病变，听力下降，甚至职业性耳聋。 2、对神经系统的影响：噪声长期作用于神经系统，可引起头昏、头痛、耳鸣，在脑力劳动时妨碍思想集中，工作能力下降，在超强噪声作用下，人的脑电波发生变化，动物试验可见脑电波节律紊乱可出现慢波，前庭神经和运动神经的时值也发生变化，这说明噪声对神经系统的影响特别显著。噪声作用
3、于神经系统后，对其它系统也发生影响，如消化系统的作用，可引起食欲下降，严重者可至溃疡病等。 3、对心血管系统的影响：噪声作用于植物神经系统，引起血管收缩，血容量迅速减少，噪声强度越大。血管收缩更强烈。间断性引起的血管收缩较连续性噪声引起者时间长，此外，由于末梢血管痉挛收缩，心脏排血量减少，舒张压增高，但噪声对血压的影响至今仍有异议。,举例：噪声对听力的影响,* 听力损失：国际标准化组织规定，是用500、1000和2000Hz 的听力损失的平均值来表示，听力损失用听力阈级来衡量的。*听力阈级：是指耳朵可以觉察到的纯音声压级。（25DB),与噪声性听力损 有关的因素：噪声的强度； 频率； 接触时间
4、。,噪声对听力的影响,4.噪声污染源及分类,产生噪声来源：工业噪声、交通噪声、建筑施工噪声、社会生活噪声 按声源的机械特点可分为：气体扰动产生的噪音、固体振动产生的噪音、液体撞击产生的噪声以及电磁作用产生的电磁噪声。 噪声按声音的频率可分为：1000Hz的高频噪声 噪音按时间变化的属性可分为：稳态噪音、非稳态噪音、起伏噪音、间歇噪声以及脉冲噪音等,5. 噪声控制技术,图1.2 环境噪声污染的主要环节,声源,传播途径,接收器,抑制 噪声源,控制 传播途径,保护 接收器,选用发声小的材料制造机件改革设备结构改革传动装置,噪声控制技术手段一： 在声源处抑制噪声,闹静分开 利用声源的指向性降低噪声 利
5、用地形地物降噪 绿化降噪 利用声学控制手段降噪,噪声控制技术手段二： 在声传播途径中的控制,彩色聚合物混凝土透水降噪路,利用声学手段降噪实例（隔声）,北京轻轨铁路两侧的声屏障,利用声学手段降噪实例（隔声）,隔声窗,利用声学手段降噪实例（消声）,利用声学手段降噪（吸声）,耳塞 防声棉 耳罩、头盔 隔声岗亭,噪声控制技术手段三： 接 收器的保护措施,耳罩、头盔,耳罩、头盔,隔声岗亭,第二节 主要授课课程的内容,噪声污染的规律（物理基础） 噪声评价方法和标准 噪声控制技术 噪声测试技术 声环境影响预测,第二章 噪声控制的物理基础,2.1声波的产生 2.2 声波的描述 2.3 声波的传播特性 2.4
6、声源的辐射特性,2.1声音的产生和传播,物体的振动是产生声音的根源。声源： 我们把产生声音的振动物体称作声源。,1、声波的产生,声源的振动,弹性媒介振动,声波,空气、固体、液体,声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。 声场：有声波传播的空间叫声场。 声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播。,空气 纵波 声波固体、液体 纵波、横波,能量的传递相邻质点间的动量传递来完成，而不是由物质的迁移来传播能量的。,2、描述声波的基本参数 瞬时声压 p=(P-P0) 帕斯卡（Pa） 波长 =c/f 米 （m） 周期 T 秒 （s） 频率 f =1/T 赫兹 （Hz） 声速 c 米每秒（m/s） 空气
7、中 c=331.45+0.61t 340 m/s 机械振动：物体往复来回运动 简谐振动：简单、周期性直线振动，以时间为变量。,有效声压： 帕斯卡（Pa） 声功率：单位时间 W 声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量。W/m2,3 声波的基本类型,平面声波声波 球面声波 （波阵面的形状）柱面声波,波阵面是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线,平面声波,繁忙高速产生的波阵面,爆炸冲击波,2.2 声波的描述,2.2.1 描述声波的基本物理量 2.2.2 声音的物理量度 2.2.3 声波的类型,2.2.1 描述声波的基本物理量,2.2.1 描述声波的基本物理量,振幅,位移,位移：物体
8、离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.2.1 描述声波的基本物理量,振幅,位移,位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.2.1 描述声波的基本物理量,1.周期： 质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。 2.声波频率： 一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。,2.2.1 描述声波的基本物理量,3.波长： 声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距 离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波 的传播距离。,2.2.1 描述声波的基本物理量,4.声速：振动在媒质中传播的速度。媒质特性的
9、函数，取决于该媒质的弹性和密度； 声速会随环境的温度有一些变化。,表 21.1 时声速近似值（m/s）,2.2.2声波的物理量度,1. 声压与声压级 2. 声强与声强级 3. 声功率与声功率级 4. 声能密度 5. 频谱和频程,2.2.2 声波的物理量度,1.声压和声压级：,静态压强,2.2.2 声波的物理量度,1.声压和声压级：,静态压强,1.声压和声压级,a.瞬时声压：某一瞬间的声压。b.有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。,级的单位：分贝及贝尔,分贝的定义：是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值。常用基准声功率为10-12W 。 1贝尔=10
10、分贝,1.声压和声压级：,日常生活中声音的声压数据 (Pa),c. 声压级: 该声音的声压与参考声压的比值取以10为底 的对数再乘20，即：,1.声压和声压级：,声压级单位：分贝。,2.声强和声强级：,a.声强: 在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面 积的声能量，称为声音的强度，简称为声强， 单位是瓦每平方米 。,b.声强级: 该声音的声强与参考声强的比值取以10为底 的对数再乘10，即：,2.声强和声强级：,声强级单位：分贝。,声压级和声强级的关系：,3.声功率和声功率级,a.声功率: 声源在单位时间内辐射的总能量，单位是瓦。意义： 声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理 量；声功率可用
11、于鉴定各种声源。,b.声功率与声强的关系,球面辐射时：,波阵面面积,c.声功率级,声功率级单位：分贝。,4.声能密度,定义： 声场中单位体积媒质所含有的声能量。 对于在自由空间内传播的平面声波而言：,5.频程和频谱：,a.频谱图： 以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音 的频谱图。频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。,噪声频谱分析仪,根据噪声源的特性，我们知道任何机器运转时及其它的噪声都是不止一个频率的声音，它们是从低频到高频无数频率成分的声音的大合奏。在噪声测量中，为了分析，除了进行噪声总值A 声级测量外，往往还需要
12、进行噪声频谱分析，通过频谱分析确定噪声源的主要频率成分（例如高频、中频或低频），由此判断产生噪声的主要根源（例如是轴承、发动机、齿轮箱或风机等），从而有针对性地采取降噪措施,高、中、低频噪声：1. 高频噪声：它们辐射的主要噪声成分在1000Hz以上，如电锯、铆钉枪等听起来高亢刺耳的。2. 低频噪声：其主要噪声频率多在500Hz以下，如空压机、汽车等辐射的噪声低沉有力的。3. 中频噪声：噪声主要频率成分在500-1000Hz范围内，如高压风机等。4. 宽频带噪声：较为均匀地辐射从低频到高频的噪声，如纺织机噪声等。,常见噪声的频谱图,5.频程和频谱：,b. 频程：两个声或其他信号的频率间的距离，是
13、频率的相对尺度。为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分为若干个较小的频段，称为频段或频程。,*声级的运算,a.级的叠加（公式法）（能量的叠加）当n个声源互不干涉时：,当n=2时，,a.级的叠加（公式法）,由于：,代入上式：,a.级的叠加：,当n个声源时，,表示为声压级：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,则：,代入下式中：,可得：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,a.级的叠加：,Lp,a.级的叠加：,求出总声压的有效值,当n个声源发生干涉时： 先求出瞬时声压,求出总声压级,b.级的相减,仪器测 的噪声,声源真实噪声,背景噪声,b.级的相减,b.级的相减：,2.3声波的传播特性,声压随位
14、置和时间而变化，该节就是根据声波过程的物理性质，建立声压随空间和时间的变化两者之间的联系，其数学表示就是声波动方程。 首先宏观情况下，必然满足三个基本物理定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律及描述温度、体积、压强等状态参量的物态方程。,为了问题简单化，假设条件：,想流体就是介质在运动过程中没有能量的损耗，即介质是无粘的。 没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，初速度为零，媒质均匀。因此，媒质中静态压强、静态密度都是常数。 声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的，即媒质单元间不会因为温度差而产生热交换，即绝热过程。 媒质中传播的是小振幅声波，声学变量都是一级微量，PP0 ，质点速度远小于声速；质
15、点位移远小于声波 波长；媒质 密度增量远小于静态密度。,2.3.1一维声波方程,1）运动方程,体积为Sdx ，声波的作用，体积元左侧面和右侧面上的力是不同的，合力就导致体积元里质点的运动 。,左侧面的力为：F1=（P0+p）S ；体积元右侧的压力F2=（P0+p+dp）S,其中，dp为经过dx后，压强的变化：p/xdx;体积元受到的合力F=-S p/xdx;加速度dv/dt,因此根据牛顿第二定律有：S.dx. dv/dt= S p/xdx；最后得：dv/dt=p/x （1）,F1,F2,根据质量守恒定律，微小体积元变化质量恒定。,2),速度：v,密度：,3）物态方程,在声波作用下介质产生疏密相
16、间的变化，因此介质的密度和压强都发生了变化，且变化的方向一直，即介质的状态发生了变化。 为绝热过程，没有能量消耗。,理想介质状态方程：,由方程1）、2）、3）可得一维声波方程,一维声波方程,三维声波方程可由一维得出：,2.3.1.平面声波：,a.波动方程：,对于简谐振动而言：,2.3.1.平面声波：,b.质点振动速度： 对于简谐振动而言：,质点振动的速度振幅,2.3.1.平面声波：,c.声阻抗率：,对于平面声波而言：,媒质的特性阻抗，单位（Pas/m）,2.3.1.平面声波：,d.声线： 相互平行的一系列直线。,2.3.2.球面声波：,波阵面是以任何值为半径的球面。 a.波动方程：,对于从球心
17、向外传播的简谐球面声波而言：,特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。,2.3.2.球面声波：,b.声线： 是由声源点发出的半径线。,2.3.3.柱面声波：,波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。 a.波动方程：,对于远场简谐柱面声波而言：,特点：振幅随径向距离的增加而减少，与距离的平方根成反比关系。,2.3.3.柱面声波：,b.声线：是由线声源发出的径向线。,2.3.4声波的类型,声波的类型,作业题,1.声压级及声强级、升功率级之间的关系，用公式推导下。 2.测量某机器发出的噪声，各频带的声压级数据如下：测量时采用包络面测量法，包络面面积60平方，求生源的总声功率级？,3级的加减：
18、 3.有四台机器，他们在各自接受点产生的声压级分别为：Lp1=100分贝；Lp2=95分贝，Lp3=98分贝；Lp4=80分贝。 四台机器同时开启，接受点处声压级？ 4.甲乙两台机器都停开时，测得测点声压级为73dB;单开乙机器时，测得测点声压级为80dB;甲乙同时开启，测得测点声压级为;求 甲、乙在测点产生的实际声压级？,2.4声源的辐射特性,2.4.1声场的概念 2.4.2声源辐射指向性 2.4.3噪声在传播中衰减 2.4.4声波的干涉 2.4.5声波的反射、折射及透射,在传播过程中，消弱噪声是控制噪声的重要方法；因此，了解规律，是噪声控制基础知识,2.4.1 声场（Sound Field
19、）,1.声场的概念：声场是指传播声波的空间。按声场的性质可以将声场分为： 自由声场； 扩散声场； 半自由声场,2.4.1. 声场的分类,1.自由声场:我们把可以忽略边界影响，由各向同性的均匀介质形成的声场称为自由声场。,实际中不存在自由声场，只能以人为地方式，造就一个自由声场，即消声室。闭合空间内，建立自由声场，传播介质可以均匀的可以向各个方向无限延伸，自由传播，无障碍物、环境背景噪声影响。,功能： 消声室模拟自由声场 提供低背景噪声的声学环境,自由声场（Free Sound Field）,消声室,自由声场（Free Sound Field）,消声室,吸声尖劈,材料不是离心玻璃棉，而是聚酯纤维
20、,2.4.1 声场的分类,2.扩散声场（混响声场） :如果室内各处的声压级几乎相等，声能密度也处处相等，那么这样的声场就叫做扩散声场（混响声场）；形成原因：声音经过物体多次反射后到达受声点的反射形成的声场叫混响声场 。直达声和混响声：,混响时间：混响时间，它是室内声源停止发声后，声压级衰减60dB所经历的时间，单位是秒。 混响半径：在房间中声源某距离的位置上的直达声与混响声会具有相同的声压级，这个距离被称为混响半径。,2.4.1. 声场的分类,半自由声场(半扩散声场):,http:/ 声源的指向特性,声源的指向性与声源的尺寸有关。声源的指向性与频率相关。 点生源无指向性，但是由于刚性反射导致一
21、定方向的指向性。,几种典型声源的辐射特性,扬声器正反两面都辐射声音，但当一面压缩媒质时，另一方媒质正好膨胀。两面相位相反，形成正负声压相，相当于一个偶极子声源。,2.4.3 声波在传播中的衰减,1.扩散引起的衰减（Ad） 2.空气吸收引起的附加衰减 （Aa） 3.地面吸收的附加衰减（Ag） 4.声屏障衰减（Ab） 5.气象条件的影响（Am ）,1.扩散引起的衰减,扩散衰减的定义：由于波阵面的扩展而引起的声强随距离而减弱的现象称为扩散衰减。,1.扩散引起的衰减,根据声强的定义：,波阵面面积为S处的声强级可表示为：,1.扩散引起的衰减,由于：,将W0=10-12 W、I0=10-12 W代入式中便
22、得到：,1.扩散引起的衰减,因此从S1处传播到S2处时的发散衰减可表示为：,a.平面声源的扩散衰减,当平面声源辐射平面波时：,因此从S1处传播到S2处时的发散衰减：,b.点声源的扩散衰减,点声源辐射的一般为球面波，波阵面面积 可表示为：,因此从r1处传播到r2处时的发散衰减：,c.线声源的扩散衰减,r0L/，线声源视为无限长线声源：r0L/，线声源视为点声源。,L,A,r0,d.矩形面声源的扩散衰减,r0a /，声源辐射平面声波，声压不衰减。a /r0b /，面声源视为点声源。,L,a,b,A,r0,ab,2.空气吸收引起的附加衰减,空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩
23、和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而损耗，称为空气吸收。这种吸收称为经典吸收。 弛豫吸收：所谓弛豫吸收是指空气分子转动或振动时存在固有频率，当声波的频率接近这些频率时要发生能量交换。能量交换的过程都有滞后现象，这种现象称为弛豫吸收。,2.空气吸收引起的附加衰减,对于噪声控制工程，可以采用下面的半经验公式来估算空气吸收衰减。在20时：,声波的频率，Hz,相对湿度,传播距离，m,2.空气吸收引起的附加衰减,对于不同温度，可采用下式来估算：,与20相差的摄氏温度,=410-6,倍频带噪声的大气吸收衰减系数,3.地面吸收的附加衰减,当地面是非刚性表面时： 地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距离（
24、30-50m）其衰减可以忽略，而在70m以上应予以考虑。,3.地面吸收的附加衰减,声波在厚的草地上面或穿过灌木丛传播时，在频率为1000Hz时的附加衰减较大，可高达 25/100m dB。 附加衰减量的近似计算公式为：,声波的频率，Hz,传播距离，m,3.地面吸收的附加衰减,声波穿过树木或者森林时，不同树林的衰减 相差很大，在1000赫兹时： 浓密的常绿树树冠 23 dB100m 地面上稀疏的树干 3 dB100m各种树林平均的附加衰减大致为：,4.声屏障衰减,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。,4.声屏障衰减,声波遇到屏障时会产生反射、
25、透射和衍射三种传播现象。 屏障的作用： 阻挡直达声的传播， 隔绝透射声， 并使衍射声有足够的衰减。 声屏障的附加衰减与声源及接收点相对屏障的位置、声屏障的高度及结构以及声波的频率密切相关。,4.声屏障衰减,声屏障的附加衰减与声源及接收点相对屏障的位置、声屏障的高度及结构以及声波的频率密切相关。,5.气象条件的影响,雨、雪、露等对声波的散射会引起声能的衰减。但这种因素引起的衰减量很小，大约每1000m衰减不到0.5dB，因此可以忽略不计。风和温度梯度对声波传播的影响很大。,为什么逆风传播的声音难以听清？,为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？,2.4.4 声波的干涉,1.声压的叠加2.能量
26、的叠加,3.声波的干涉现象:两列波的频率相同，振动方向相同和具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象。能产生干涉现象的声波称为相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源。,声波的干涉现象,声波的反射、透射、折射和衍射,1、垂直入射声波的反射和透射,p2 u2,根据声学边界条件，声压在两介质交点处是连续： p1= pi +pr=P2 此外，界面处，质点振动的法向速度连续； u1= u2,（1）,（2）,其中，公式2，界面X=0，且简谐波，,根据质点振动速度连续： 可得：,反射系数，为反射声压辐值与入射声压辐
27、值之比：,透射系数：透射射波声压辐值与入射声压辐值比值：,由公式可知，反射和入射系数与两种介质的特性有关。,当1c1 2c2时， 硬，刚性反射体 pi= pr , 相位相同，p12pi， u1= ui +ur =0，,当1c1 2c2时， 硬，刚性反射体 pi= pr , 相位相反p10， u1= ui +ur =2 ui ，,驻波,没有透射声波,*,2.4.5声波的反射、透射、折射,a,pi,pt,pr,2.声波的反射定律与折射定律,a,入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足Snell定律：,a.反射定律：,b.折射定律：,c.与折射定律有关的讨论,由折射定律可知： 声波的折射是由声
28、速决定的。,思考题： 1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？ 2.为什么逆风传播的声音难以听清？,思考题1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？,思考题2.为什么逆风传播的声音难以听清？,2.反射系数和透射系数,a.声压的反射系数和透射系数 声压的反射系数的定义为反射声压与入射声压的比值。声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。,a.声压的反射系数和透射系数,在边界上，两面的声压与法向的质点速度应该连续，即：,可以导出：,b.声强的反射系数和透射系数：,反射系数小的材料为吸声材料,透射系数小的为隔声材料,3. 吸声系数,定义： 我们将入射声波在界面上失去的声能（包括透射到媒
29、质2中去的声能）与入射声能之比称为吸声系数。,rp 的数值与入射方向有关，因此也与入射的方向有关。,2.3.3 声波的散射与衍射,1.声波的散射 在声波传播过程中，遇到的障碍物表面较粗糙或者障碍物的大小与波长差不多，则当声波入射时，就产生各个方向的反射，这种现象称为散射。 声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。,2.3.3 声波的散射与衍射,2.声波的衍射：在声波传播过程中，遇到的障碍物或孔洞时，如果声波的波长比障碍物尺寸大得多，声波会绕过障碍物而使传播方向改变，这种现象称为声波的衍射。,2.声波的衍射,2.3.4声波在变截面管道中的传播,在管道中传播的声波，才会得到平面波。
30、 在突变界面管道中，会发射反射和透射现象。,1、界面条件 首先：满足声压连续方程； 其次，体积速率必须相等。,1,2,其中，,2.反射系数及透射系数,根据公式（1）、（3）可以获得声压反射、透射系数：,2.3.5噪声控制工作程序,1.原则： 科学性：声源类型、特性，频谱 先进性：技术可靠、经济、可实施 经济性：价格便宜、美观，维护方便,噪声源测量、分析,传播途径调查和分析,受影响区域调查,降噪量确定,制定控制方案,实施工程,工程评价,声源分析、频率特性等,传播途径为通过介质：气体、固体,危害、本底噪声、允许标准,总降噪量、声源、途径降噪,声源控制、途径控制等,声学质量评价、经济性、适应性,谢谢,
