噪声基础理论

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1、声音的产生物体的振动是产生声音的根源， 发出声音的物体称为 声源，声源发出的声音必须通过 中间媒质 才能传播出去，人们最熟悉的传声媒质就是 空气，除了气体外，液体和固体也都能传播声音。声音是如何通过媒质传播的呢？以音箱的纸盆为例，当声音信号通入音箱时，纸盆在它原来静止位置附近来回振动，带动了它相邻近的空气层质点，使它们产生压缩或膨胀运动， 由于空气分子间有一定的弹性，这一局部区域的压缩或膨胀又会影响和促使下一邻近空气层质点发生压缩或膨胀的运动，如此由近及远相互影响，就会把纸盆的这一振动以一定的速度沿着媒质向各方向传播出去。这种振动传到耳朵， 引起耳内鼓膜的振动， 通过听觉神经感觉到声音， 这种

2、向前推进着的空气振动称为声波。有声波传播的空间叫声场。近场：声源向自由场辐射时，声源附近声压和质点速度不同相的声场；远场：声源向自由场辐射时，在远处，声压与质点速度同相的声场。当声振动在空气中传播时空气质点并不被带走， 它只是在原来位置附近来回振动，所以 声音的传播是指振动的传递 。物体振动产生声音， 如果物体振动的幅度随时间的变化如正弦曲线那样， 那么这种振动称为简谐振动。 物体作简谐振动时周围的空气质点也作简谐振动。 物体离开静止位置的距离称位移，最大的位移叫振幅。物体在 1S 内振动的次数称为 频率，单位为赫兹，符号为 HZ，每秒钟振动的次数愈多，其频率愈高，人耳听到的声音就愈尖，或者说

3、音调愈高。人耳并不是对所有频率的振动都能感受到的。 一般说来，人耳只能听到频率为 2020000HZ 的声音，通常把这一频率范围的声音叫 音频声 。低于 20HZ 的声音叫次声，高于 20000HZ 的声音叫超声。次声和超声人耳都不能听到，但有一些动物却能听到，例如老鼠能听到次声，蝙蝠能感受到超声。 、振动在媒质中传播的速度叫 声速。在任何一种媒质中的声速取决于该媒质的弹性和密度 。声音在空气中的传播速度还随空气温度的升高而增加。 声音在不同媒质中传播的速度也是不同的， 在液体和固体中的传播速度一般要比在空气中快得多，例如在水中声速为 1450M/S，而在钢中则为 5000M/S。声波中两个相

4、邻的压缩区或膨胀区之间的距离称为波长。c 波长是指声音在一个周期内行进的距离。f噪声的概念声音分为乐音和噪声两种。 当物体以某一固定频率振动时耳朵听到的是具有单一音调的声音， 这种以单一频率振动的声音称为 纯音。但是， 实际物体产生的振动是很复杂的， 它是由各种不同频率的许多简谐振动所组成的， 把其中最低的频率称为 基音，比基音高的各频率称为 泛音。如果各次泛音的频率是基音频率的整数倍，那么这种泛音称为 谐音。基音和各次谐音组成的复合声音听起来很和谐悦耳，这种声音称为乐音。 这些声音随时间变化的波形是有规律的， 而它所包含的频率成分中基音和谐音之间成简单整数比。 所以，凡是有规律振动 产生的声

5、音就叫乐音。如果物体的复杂振动由许多频率组成，而各频率之间彼此不成简单的整数比，这样的声音听起来就不悦耳也不和谐， 还会使人产生烦躁。 这种频率和强度都不同的各种声音的杂乱的组合而产生的声音就称为 噪声。噪声的类型过响声、妨碍声、不愉快声、无影响声。根据噪声源的不同，可以分为工业噪声、交通噪声、生活噪声三种。噪声的声学特征（ 1） 噪声的物理度量声压有声波存在时，局部空气产生压缩（压强增加）或膨胀（压强减少） ，这样在原来的大气压上又叠加一个压强的变化， 是由声波引起的，称为声压。与大气压强比是极弱的。 声压的大小与物体的振动有关， 物体振动的幅度越大，则压强的变化也越大，因而声压也越大，因此

6、，声压的大小表示了 声波的强弱。当物体做简谐振动时， 空间各点产生的声压也是随时间作简谐变化， 某一瞬间的声压称为 瞬时声压 。在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求均方根植即得有效声压，PcPAA 是声压幅值。2，P衡量声压大小的单位在国际上是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。声压级?用对数度标来表示的声压。分贝dB.Lp20 lgp， P0是参考声压，p02 10 5 pa 。由于把声压值相差 100 万倍的变化范围，用声压级表示，就变成了 0120 dB 的变化范围。在噪声控制中，如果使噪声降低20 dB 或40 dB ，其声压值的变化是相当大的。声强与声强级声波的强弱可以用好几种不同的方法来描述

7、， 最方便的一般是测量它的声压，这要比测量振动位移、 振动速度更方便更实用。 但是有时人们却需要直接知道机器所发出噪声的 声功率，这时就要用 声能量和声强来描述。任何运动的物体包括振动物体在内都能够做功，通常说它们具有能量，这个能量来自振动的物体，因此声波的传播也必须伴随着声振动能量的传递。当振动向前传播时， 振动的能量也跟着转移。 在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的声能量，称为声音的强度或简称声强，用 I 表示，单位是 WM2 。声强的大小可用来衡量声音的强弱 ,声强愈大，人们听到的声音愈响 (声强愈小，人们感觉的声音愈轻。 )声强与离开声源的距离 有关，距离愈远，声强就愈小。例如火

8、车开出月台后，愈走愈远，传来的声音也愈来愈轻。与声压一样，声强也可以用“级”来表示，即声强级L I， 它的单位也是分贝（ dB），定义为LI10 lgII 0， I0 为参考声强，1012W m2，它相当于人耳能听到最弱声音的强度。声强级与声压级的关系是：LILP10lg400 c，媒质的c 随媒介的温度和气压而改变，如果在测量条件时恰好c =400 ，则 LI = Lp 。对一般情况，声强级与声压级相差一修正项，数值是比较小的。因此，在一般情况下认为声强级与声压级的值相等。声功率与声功率级声功率为声源在单位时间内辐射的总能量，用符号 W 表示，通常采用瓦（ W）作为声功率的单位。声强和声源辐

9、射的声功率有关，声功率愈大，在声源周围的声强也大，两者成正比，它们的关系为：IW，S 为波阵面S面积。声功率是衡量噪声源声能输出大小的基本量。声压常依赖于很多外在因素，距离、方向、声源周围的声场条件等，而声功率不受上述因素影响， 可广泛用于鉴定和比较各种声源。 但是在声学测量技术中，到目前为止，可以直接测量声强和声功率的仪器比较复杂和昂贵，他们可以在某些条件下利用声压测量的数据进行计算得到。 当声音以平面或球面波传播时声强与声压的关系为：P2Ic声功率用级来表示时称为 声功率级 LW ，单位也是分贝，功率为W 的声源，其声功率级 LW10 lg W ， W0 为基准声功率，取 10 12W 。

10、W0噪声的频谱与频带用横轴代表频率、纵轴代表各频率成分的强度（声压级或声强级） ，这样画出的图形叫 频谱图。乐音的频谱图是由不连续的离散频谱线构成， 在噪声的频谱图上个频率成分的谱线排列得非常密集， 具有连续的频谱特性， 声能连续地分布在整个音频范围内。噪声的频率从 20-20000HZ，为实际应用方便起见，一般把这一宽广的频率变化范围划分为一些较小的段落，这就是 频带。用于分析噪声的滤波器可把某一频带的低于截止频率f1 以下和高于截止频率 f 2 以上的讯号滤掉， 只让 f1 - f 2 之间的讯号通过。因此这一中间区域成为 通带，f f2 f1 就是频带宽度，简称带宽 。为测量噪声而设计的

11、滤波器有倍频带、 1 2倍频带、 1 3倍频带滤波器。一般对 N 倍频带作如下定义f 22n ，当 n=1 时，f1f 22 ，即高低频率之比为2:1，这样的频率比值所确定的频程成为倍频程 ，这种频带成为f1倍频带。频带的高低截止频率f2 和 f1 与中心频率 f 0 间有下列关系： f 0f1 f2低频噪声高频噪声宽带噪声（ 2） 噪声的主观评价几种最基本和常用的评价量。响度与响度级从刚能听见的听阈到感觉到疼痛的痛阈之间人耳对强度相同而频率不同的声音又不同的响度感觉。 响度是用来描述声音大小的主观感觉量， 响度的单位是“宋”（sone）,定义 1KHZ 纯音声压级为 40dB 时的响度为 1

12、 sone。如果把某个频率的纯音与一定响度的 1KHZ 纯音很快地交替比较，当听者感觉两者为一样响时， 把该频率的声强标在图上， 便可以画出一条等响曲线。下图是在自由声场中测得的 等响曲线 。把 1KHz 纯音时声强的 dB 数称为这条等响曲线的以 “方” 为单位的 响度级。同一条等响曲线（即响度级相同）上的不同频率纯音的声强不同，但主观感觉的响度是相同的。响度级只是反映了不同频率声音的等响感觉， 它的量度单位仍是基于客观 dB，所以不能表示一个声音比另一个声音响多少倍的那种主观感觉。计权声级为了要考虑到人们主观上的响度感觉，人们设计一种仪器，把 300HZ、 40dB 左右的响度降低 10d

13、B，从而使仪器反映的读数与人的主观感觉相接近。其他频率也根据等响曲线作一定的修正。 这种对不同频率给以适当增减的方法称为频率计权。 经频率计权后测量得到的 dB 数称为计权声级。常用的有A、B、C 三种计权网络。A(B,C) 计权曲线 近似于响度级为40（ 70,100）方等响曲线的倒置。经过A 计权曲线测量出dB 数称为 A 计权声级，简称A 声级或 L A ，表示为分贝（A）或 dB（A ）。经验表明，时间上连续、 频谱较均匀、 无显著纯音成分的宽频带噪声的A 声级，与人们的主观反映有良好的相关性，即测得的 A 声级大，人们听起来也觉得响。 A 声级是目前广泛应用的一个噪声评价量， 已成为

14、国际标准化组织和绝大多数国家用作评价噪声的 主要指标 。声阻抗媒质在一定表面积上的声阻抗是该表面上的平均有效声压P 对通过该表面上的有效体积速度（ 体积速度是指声波在一指定表面产生的单位时间的交）P变流量。它等于该表面的质点速度与面积的乘积的比值： Z A声阻抗的实数部分称为声阻， 虚数部分称为声抗。 而声阻抗也可以用力阻抗表示，这时它等于力阻抗除以有关面积的平方。声阻抗率 是媒介中某一点的有效声压对该点的有效质点速度的比值。ZSPv在一自由平面声 波中，某点的有效声压P 对该点的有效质点速度的比值称为特性阻抗 。它等于媒质密度和媒质中声速的乘积 ZCP0 cV噪声的传播特性声场传播声波的空间

15、称为声场。 声场分为自由声场、扩散声场和半自由声场。声波的传播方向称为声线或波线。 某一时刻声波到达各点所连成的曲面称为波阵面，按照波阵面的形状，声波可分为平面波、球面波和柱面波等。自由声场声波在介质中传播时， 在各个方向上 都没有反射 ，介质中任何一点接受的声音，都只是来自声源的直达声， 这种可以忽略边界影响， 由各向同性均匀介质形成的声场称为自由声场。 这是一种理想化的声场， 在声学研究中为了克服反射声和防止外来环境噪声的干扰，专门创造一种自由声场的环境，即消声室。扩散声场与自由声场完全相反， 声波接近 全反射的状态。空间内各点声能密度均匀，从各个方向到达某一点的能留率相同，并且从各个方向

16、到达的声波相位是无规的。室内声波经过多次反射后形成声能分布均匀的房间称为混响室。半自由声场在实际工程中， 遇到最多的情况， 既不是完全的自由声场， 也不是完全的混响声场，而是介于二者之间，这就是半自由声场。噪声在传播中的衰减声源发出的噪声在媒介中传播时， 其声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。 造成这种衰减的原因有两个： 一是传播衰减， 二是空气对声波的吸收。（1）传播衰减声波在传播过程中波阵面要扩展， 波阵面面积随离声源的距离增加而不断扩大，这样通过单位面积的能量就相应减小。 由于波阵面扩展而引起的声强随距离而减弱的现象称为传播衰减。（2）空气对声波的吸收噪声的声波在传播过程中除了传播

17、衰减外， 还有因为空气对声波能量的吸收而引起的声强的减小，距离俞远，空气的声吸收也愈大。高频声波比低频声波衰减的快 ，当传播距离较大时其衰减值是很大的，因此高频声波是传不远的。声波的反射噪声声波在传播过程中经常会遇到障碍物， 这时声波将从一个媒质入射到另一个媒质中去。 由于这两种媒质的声学性质不同， 一部分声波从障碍物表面上反射回去，而另一部分声波则透射到障碍物里面去。反射声波与入射声波振幅之比， 称为声压反射系数 r,折射声波与入射声波之比称为声压透射系数 。(2 c21c1 )22 c2rprcos2cos 1；ptc o s2pi(2 c21c1)pi(2c21 c1)coscos 1c

18、 o s2c o s12pi 为入射声压，pr为反射声压，pt 为折射声压。当声波垂直入射时，=0，上述两式可简化为：rpr( 2 c21c1 )pt2 2c2pi( 2 c21c1)pi( 2c21c1 )由此可知，反射系数取决于介质的特性阻抗1c1 与 2c2 ，当两种媒质的特性阻抗接近时， 反射系数 r0 ，声波没有反射而全部透射至第二种媒介。2c21 c1时， r1 ，这表示当两种媒介的特性阻抗相差很大时，声波的能量将从分界面全部反射回原媒质中去。2 c21c1 ， r1 ，这表明声波几乎全部反射，但反射波与入射波的相位相反。根据以上原理，利用介质不同的特性阻抗，可以达到降噪目的。声波

19、的干涉两列或数列声波同时在一媒介中传播并在某处相遇，在相遇区内任一点上的振动将是两个或数个波所引起振动的合成。这时空间任一点的物理量是各个声波分量在该点激发振动的矢量和，这种现象称为声波的叠加原理。当频率相同或接近的两个或两个以上的声波叠加时，在叠加区的不同位置会会出现加强或减弱的现象，称为声波干涉 。两个声波传到媒介中的一点时，如果两声波在该点产生的振动是同相的，则这点的振动就会加强，称为相长干涉 ，否则称为 相消干涉。驻波是干涉的一种特例，它由两列振幅和频率都相同的声波在同一直线上沿相反方向特性传播时叠加而成。合成波的一些点上静止不动，称为波节 ，在两波节的中点是最大振幅的点，称为腹点 。

20、声波的绕射当声波遇到障碍物时除了发生反射和折射外还会产生绕射现象。绕射现象与声波的频率、波长及障碍物的大小都有关系。如果声波的频率比较低、波长较长，而障碍物的大小比波长小得多，这时声波能绕过障碍物，并在障碍物的后面继续传播。下图为 低频绕射 ，（ a）上的障碍物是一垛墙， （ b）为一小孔，当小孔比波长小得多时，尽管小孔很小，但声波任可以通过小孔继续传播。如果声波的频率 比较高，波长较短 ，而障碍物又比波长大得多， 这时绕射现象不明显。在障碍物的后面声波到达的就较少， 形成一个明显的“影区”。绕射现象在噪声控制中是很有用处的， 隔声屏可以用来隔住大量的高频噪声，它常被用来减弱 高频噪声 的影响

21、。噪声控制的基本途径只有当噪声源、 介质、接受者三个因素同时存在时， 噪声才对听者形成干扰，因此控制噪声必须从这三个方面考虑。治理噪声源要彻底消除噪声只有对噪声源进行控制。 要从声源上根治噪声是比较困难的，而且受到各种条件和环境的限制。 但是，对噪声源进行一些技术改造是切实可行的。A. 应用新材料、改进机械设备的结构B. 改革工艺和操作方法C. 提高零部件加工精度和装配质量在噪声传播途径上降低噪声在噪声源上治理噪声效果不理想时，需要在噪声传播的途径上采取措施。A. 利用闹静分开的方法降低噪声B. 利用地形和声源的指向性降低噪声C. 利用绿化降低噪声D. 采取声学控制手段 这是噪声控制技术的重要内容，它包括 吸声、隔声、消声、阻尼隔振 等。接受点防护A. 耳塞B. 防声棉C. 耳罩和防声头盔D. 隔声岗亭