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1、噪声控制工程本章提要人类处在声音的包围之中，声音对人类社会的各项社会实践都:非常有用。但有些声音的存在影响人们正常工作和健康，是人们不:2需要的声音，称为噪声。环境噪声是指在生产、建筑施工、交通运输:和社会生活中所产生的影响周围生活环境的声音。噪声污染是世界；1四大污染之一，对人的生活、健康危害很大。本章主要学习噪声及其2污染，噪声污染的危害、特点，噪声控制技术的发展。1C4K1.1噪声及其污染1.1.1噪声污染人的生活、工作都离不开声音。我们从日常的生活中可以体会到声音总是有3个表征量，即音量的大小、音调的高低与音色的不同。这些都是与声音的物理特性密切相关的。这些声音中有些是人们需要的、想听
2、的，如语言上的相互交谈或是音乐欣赏；而有些声音则是工作中、生活中不想听的，这些声音就称为“噪声”，其中也包括有人想听而干扰你休息的音乐声。心理学的观点认为噪声和乐声是很难区分的，它们会随着人们主观判别的差异而改变，因此噪声与好听的声音是没有绝对界限的。在中华人民共和国环境噪声污染防治法中，环境噪声是指在生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的影响周围生活环境的声音。噪声污染是当代的世界性问题。古代就有噪声污染问题，噪的解释：说文为扰也；玉篇为群呼烦扰也。这是两千年以前的记载，仅指因人声喧哗而成为烦扰人的噪声；而近代的噪声污染则是大规模工业化的后果，随着各种机械设备、交通工具的急剧增加，噪声
3、污染问题也越来越严重，它己经成为当今社会的四大公害之一。1.1.2噪声污染的主要特点噪声污染与水、气、固废等物质的污染相比，具有其显著特点：1.1.2.1环境噪声是感觉公害噪声对环境的污染与工业“三废”一样，是一种危害人类的公害，但就公害性质来说，噪声属于感觉公害。通常，噪声是由不同振幅和不同频率组成的无调噌杂声。但有调或好听的音乐声，在它影响人们的工作和休息，并使人感到厌烦时，也认为是噪声。所以，对噪声的判断也与个人所处的环境和主观愿望有关。因此，对噪声评价的显著特点，是与受害人的生理与心理因素有关的。环境噪声标准也要根据不同的时间、不同的地区和人所处的不同行为状态来制定。1.1.2.2环境
4、噪声是局限性和分散性的公害所谓局限性是指一般的噪声源只能影响它周围的一定区域，而不会像大气污染能飘散到很远的地方。环境噪声扩散影响的范围具有局限性。分散性主要是指环境噪声源分布的分散性。1.1.2.3环境噪声具有能量性环境噪声是能量的污染，它不具备物质的累计性。噪声是由发声物体的振动向外界辐射的一种声能。若声源停止振动发声，声能就失去补充，噪声污染随之终止，危害即消除。不像其他污染源排放的污染物，即使停止排放，污染物在长时间内还是残留着，污染是持久的。噪声的能量转化系数很低，约为106,即百万分之一。换句话说，1kw的动力机械，大约只有ImW变为噪声能量。1.1.2.4环境噪声具有波动性和难避
5、性声能是以波动的形式传播的，因此噪声特别是低频噪声具有很强的绕射能力，可以说是“无孔不入”。突发的噪声是难以逃避的，“迅雷不及掩耳”就是这个意思。人耳不会像眼睛那样迅速闭合来防止光污染，也不会像鼻子遇到异味能屏气以待，即使在睡眠中，人耳也会受到噪声的污染。由于噪声以340ms的速度传播，因此即使闻声而逃，也避之不及。1.1.2.5噪声具有危害潜伏性有人认为，噪声污染不会死人，因而不重视噪声的防治。大多数暴露在90dB(A)左右噪声条件下的职工，也认为能够忍受，实际上这种“忍受”是以听力偏移为代价的。噪声的危害不可低估。1.2环境噪声源及其分类1.2.1噪声的来源噪声是声的一种，它具有声波的一切
6、特性，主要来源于物体（固体、液体、气体）的振动。通常我们把能够发声的物体称为声源，产生噪声的物体或机械设备称为噪声源，能够传播声音的物质称之为传声介质。人对噪声有吵闹的感觉，同噪声的强度和频率有关，频率低于20HZ的声波称为次声，超过20kHz的称之为超声，次声和超声都是人耳听不到的声波。人耳能够感觉到的声音（可听声）频率范围是2020000Hz。物理学上通常用频率、波长、声速、声压、声强、声功率级及声压级等概念和量值来描述声的一般特性。1.2.2噪声的分类噪声因其产生的条件不同而分为很多种类，既有来源于自然界的（如火山爆发、地震、潮汐和刮风等自然现象所产生的空气声、地声、水声和风声等），又有
7、来源于人为活动的（如交通运输、工业生产、建筑施工、社会活动等）。生活中噪声主要有过响声、妨碍声、不愉快声、无影响声等。过响声是指很响的声音，如喷气发动机排气声、大炮轰鸣声等；妨碍声是指一些声音虽不太响，但妨碍人们的交谈、思考、学习和睡眠；摩擦声、刹车声、吵闹声等称不愉快声；人们生活中习以为常的室外风声、雨声、虫鸣声等称无影响声。环境中出现的噪声，按辐射噪声能量随时间的变化可分为稳定噪声、非稳定噪声和脉冲噪声。按噪声的频率特性可分为高频噪声、低频噪声、宽带噪声、窄带噪声等。1. 2.3环境噪声源的分类影响城市声环境质量的噪声源按人的活动方式分为以下几类：1.2. 3.1交通噪声交通工具（如汽车、
8、火车、飞机等）是活动的噪声源，对环境影响较广。我国城市交通噪声主要是汽车行驶中发出的噪声。随着城市规模逐渐扩大，人口密度（社会活动）增加，交通运输量不断增长，城市环境噪声污染日益加重。我国城市道路交通噪声统计结果表明，噪声等效声级范围在6876dB（A）之间，有3390万人受到公路交通噪声影响，其中2700万人生活在高于70dB的噪声严重污染的环境中。汽车噪声除喇叭外，主要来自发动机、冷却风扇、进排气、轮胎等。当车速超过50kmh时，轮胎与路而接触所产生的噪声就成为交通噪声的主要组成部分。1 .2.3.2工业噪声工业噪声按其产生的机理可分为气体动力性噪声、机械噪声、电磁性噪声三种。2 .气体动
9、力性噪声叶片高速旋转或高速气流通过叶片，会使叶片两侧的空气发生压力突变，激发声波，如通风机、鼓风机、压缩机、发动机迫使气体通过进、排气口时传出的声音，此为气体动力性噪声。3 .机械噪声它是由固体结构物振动产生的。物体间的撞击、摩擦、交变机械力作用下的金属板、旋转机件的动力不平衡，以及运转的机械零件轴承、齿轮等都会产生机械噪声，如锻锤、织机、机床、机车等产生的噪声。4 .电磁性噪声由电磁振动、电机等的交变力相互作用产生的噪声，如电流和磁场的相互作用产生的噪声，发动机、变压器的噪声。工厂噪声不仅直接危害生产工人，也影响附近的居民。工业噪声中，电子工业和轻工业噪声在90dB(A)以下：纺织厂噪声为9
10、0-IIOdB(A)；机械工业噪声为80l20dB(A),凿岩机、大型球磨机达l20dB(A),风铲、风钾、大型鼓风机在30dB(A)以上。表I.I所示为常见工业设备的噪声范围。表1.1常见工业设备噪声范围设备名称|声级范围(dB(A)B设备名称|声级范围(dB(A)飞机发动机107-140冲床74-98振动筛93-130砂轮91-105球磨机87-128风铲(镐)91-110织布机96-130轧机91-110鼓风机80-126冲压机91-95引风机75-118剪板机91-95空压机73-116粉碎机91-105破碎机85-114磨粉机91-95蒸汽锤86-113冷冻机91-95柴油机107-
11、111抛光机96-100锻机89-110铿锯机96-100木工机械85-120挤压机96-100电动机75-107卷扬机80-90发电机71-106退火炉91-100水泵89-103拉伸机91-95车床91-95细纱机91-951.2.3.3建筑施工噪声建筑施工的噪声如表1.2、1.3所示。表1.2建筑施工机械噪声声级(dB(A)距离声源10m距离声源30m范围平均范围平均打桩机93-11210584-10391地螺钻68-827557-7063钾枪85-989157-7086压缩机82-988878-8078破路机80-928574-8076表1.3施工现场边界上的噪声级(dB(A)场地类型
12、居民建筑办公楼等道路工程等场地清理848484挖土方888989地基817888安装828579修整8889841.2.3.4社会噪声社会活动噪声和家庭生活噪声普遍存在，如宣传用高音喇叭、家庭收音机、电视机、音响、厨房切菜等对邻居干扰的噪声。缝纫机噪声为50-80dB(A),电视机噪声为60-83dB(A),电扇噪声为30-65dB(A),洗衣机噪声为5080dB(A)o1. 3噪声的危害噪声广泛地影响着人们的各种活动，如影响睡眠和休息，妨碍交谈，干扰工作，使听力受到损害，甚至引起神经系统、心血管系统、消化系统等方面的疾病。实际上，噪声是影响而最广的一种环境污染。噪声的危害主要表现在以下方而：
13、1. 3.1听力损伤噪声对听力的损害是噪声危害中认识得最早的一种影响。早在1886年，英国格拉斯的一名医生托马斯巴尔曾就噪声对人的听力影响进行了著名的研究。他通过对3组人(轮船锅炉制造工、铸造工、邮递员)的比较，发现接触强噪声的锅炉制造工的听力受损害最严重，而邮递员的听力最好。近年来关于噪声对听觉影响的研究有了很大的进展，大量的调查和研究证明，强噪声会造成耳聋。根据国际标准化组织的规定，暴露在强噪声下，对500Hz1OOOHZ和2OOOHZ三个频率的平均听力损失超过25dB,称为噪声性耳聋。在这种情况下进行正常的交谈时，句子的可懂度下降13%,而句子加单音词的混合可懂度降低38%o换句话说，听
14、力发生障碍。在不同噪声级下长期工作，耳苴发病率的统计结果见表1.4所示。从表中可以看出，噪声级在80dB(A)以下，才能保证长期工作不致耳聋。在90dB(A)条件下，只能保证80%的人不会耳聋；即使是85dB(A),还会有10%的人可能产生噪声性耳惹。表1.4噪声性耳音发病率等效连续A声级(dB(A)噪声暴露时间(年)51015202530354080000000008513567891090410141616182021957172428293132291001229374243444441105184253586062615411026557178787772621153671838784
15、817564一个人虽然没有达到噪声性耳聋的程度，但很可能已有了听力损失。人耳听力损失的频率从4OOOHZ左右开始，然后是其相邻的频率（2000Hz6OOOHz.8OooHZ、）,但是一个人4OOOHz或6OOOHz的听力损失40-50dB,往往也察觉不出来，因为并不影响日常语言的听力。但对欣赏音乐是不利的，如长笛等乐器的高频声就可能听不到了，而对一些辅音，特别是含有高频率的“斯”、“吃”等音，往往容易混淆。噪声引起的听力机构的损伤，主要是内耳的接收器官即柯蒂氏器官受到损害而产生的。柯蒂氏器官由感觉细胞和支持结构组成，过量的噪声暴露可造成感觉细胞和柯蒂氏器官整个的破坏。靠近耳蜗的顶端对应于低频感
16、觉，这一区域感觉细胞必须到达很广泛的损失，才能反映出听域的改变。耳蜗低部对应于高频感觉，而这一区域感觉细胞只要有很少的损失，就可能反映出听域的改变。当这个区域的感觉细胞损失15%-20%,听觉灵敏度就可能下降40dB很强的噪声，如爆炸和火炮射击等强脉冲声，能造成听觉器官机械性损伤，即鼓膜穿孔，听小骨折断，甚至柯蒂氏器官被撕裂，一般称为听觉外伤。较低噪声级的长期作用，同样也能造成感觉细胞道和支持结构的退化，这样的损伤叫做噪声性耳蜗损伤。噪声性耳蜗损伤的机理主要是由于过量的噪声暴露迫使听觉细胞在过高的新陈代谢速率下工作，而导致细胞的死亡，而这些听觉细胞（包括听觉神经细胞）都是高度专业化的，一旦遭到
17、破坏，它不能再生，听力就无法恢复。上述的听力变化通常有一个听力损失的过程，衡量听力损失的量是听力域级，听力域级是可以觉察到的纯音声压级，它与频率有关。域级越高，说明听力损失或部分耳益性程度越大。由噪声引起的域级提高，称噪声域迁移。当噪声暴露终止后，经过休息，听力能较快地恢复过来，称暂时性域移；如暴露在强噪声下较长时间，噪声终止后，经休息仍有部分域移不能恢复，则这部分域移称为永久性域移。如某工人因受噪声影响，对4000HZ纯音可以觉察到的声压级比原来未受噪声影响时提高了20dB,即其在400OHZ的域级因噪声影响而迁移了20dB,也就是说他对4000HZ的听力损失为20dB,即听觉灵敏度下降了2
18、0dB.国际标准化组织（ISO）确定听力损失25dB为耳苴标准，25-4OdB为轻度聋，40-55dB为中度聋，5570dB为显著聋，7090dB为重度聋，90dB以上为极端聋。在不同的噪声级和不同的噪声暴露时间下，耳聋的发病率见表1.4所小O1.3. 2对睡眠的干扰睡眠对人是极其重要的，它能够使人的新陈代谢得到调节，使人的大脑得到休息，从而消除体力和脑力疲劳。所以保证睡眠是关系到人体健康的重要因素，但是噪声会影响人的唾眠质量和数量，当睡眠受到噪声干扰后，工作效率和健康都会受到影响，老年人和病人对噪声干扰尤其敏感。研究结果表明，连续噪声可以加快熟睡到轻睡的回转，使人多梦，熟睡的时间缩短，突然的
19、噪声可使人惊醒。一般来说，40dB的连续噪声可使10%的人睡眠受到影响，达到60dB时，可使70%的人惊醒。1.3.3对交谈、通讯、思考的干扰噪声妨碍人们之间的交谈、通讯是常见的，人们的思考也是语言思维活动，其受噪声的干扰影响与交谈是一致的。实验证明噪声干扰交谈、通讯的情况如表1.5所示。表1.5噪声对交谈、通讯的干扰噪声级(dB(A)主观反应保证正常谈话距离(m)通讯质量45安静10很好55稍吵3.5好65吵1.2较困难75很吵0.3困难85太吵0.1不可能1. 3.4对人体的生理影响许多调查和统计资料说明，大量心脏病的发展和恶化与噪声有密切的联系。实验结果表明，噪声会引起人体紧张的反应，使
20、肾上腺素增加，引起心率改变和血压升高。一些工业噪声调查的结果指出，在高噪声条件下工作的钢铁工人和机械车间工人比安静条件下工作工人的循环系统的发病率要高，患高血压的病人也多。有实验把兔子放在非常吵的工业噪声环境下10周，发现实验兔子的血胆固醇比同样饮食条件下未做实验的兔子要高得多。对小学生的调查还发现，经常暴露于飞机噪声下的儿童比安静环境下的儿童血压要高。目前不少人认为，20世纪工业生产噪声和交通噪声的提高，是造成心脏病发病率高的重要原因之一.噪声还会引起消化系统方面的疾病。早在20世纪30年代，就有人注意到长期暴露在噪声环境下的工人，其消化功能有明显的改变。一些研究表明，某些8吵闹的工业行业里
21、，溃疡症的发病率比安静环境的高5倍。通过人和动物的实验都表明，在高于80ClB(A)的噪声环境中，肠蠕动要减少37%,随之而来的是胀气和肠胃不舒适的感觉，当噪声停止时，肠蠕动由于过量的补偿，其节奏大大加快，幅度也增大，结果会引起消化不良，长时间的消化不良往往造成溃疡症。在神经系统方面，神经衰弱症候群是最明显的。噪声能引起失眠、疲劳、头晕、头痛和记忆力衰退。此外，强噪声会刺激内耳腔的前庭，使人晕眩、恶心、呕吐，如晕船一般。超过14OdB的噪声甚至会引起眼球振动，视觉模糊，呼吸、脉搏、血压都发生波动，全身血管收缩，使供血减少，甚至说话能力受到影响。1.3. 5对心理的影响噪声引起的心理影响主要是使
22、人激动、易怒，甚至失去理智。因住宿噪声干扰发生民间纠纷的事件时常发生。噪声也容易使人疲劳，因此往往会影响精力集中和工作效率，尤其是对一些做非重复性动作的劳动者，影响更为明显。另外，由于噪声的掩蔽效应，往往使人不易察觉一些危险信号，从而容易造成工伤事故。美国根据不同工种工人医疗和事故报告的研究发现，比较吵闹的工厂区域易发生事故，如美全总铁路局对22个月里发生的、引起25名铁路职工死亡的19起事故进行分析，认为主要原因是高噪声。1. 3.6对儿童和胎儿的影响噪声会影响少年儿童的智力发展，在强噪声环境下，老师讲课听不清，会造成儿童对讲授的内容不理解，长期下去，显然会影响增长知识，显得智力发展慢。有人
23、做过调查，吵闹环境下的儿童智力发育比安静环境中的低20%0此外，噪声对胎儿也会造成有害影响。研究表明，噪声会使母体产生紧张反应，引起子宫血管收缩，以至影响供给胎儿发育所必需的养料和氧气。此外，噪声还影响胎儿的体重，日本曾对1000多个出生婴儿进行研究，发现吵闹区域的婴儿体重轻的比例要高，这些婴儿的体重在5.5磅以下，相当于世界卫生组织早产儿定义的体重。这很可能是由于噪声的影响，使某些影响胎儿发育的荷尔蒙偏低。2. 3.7对动物的影响噪声对自然界的生物也是有影响的。如强噪声会使鸟类羽毛脱落，不产卵，甚至会使其内出血和死亡。20世纪60年代初期，美国空军的F-IO4喷气飞机在俄克拉荷马城上空作超音
24、速飞行实验，每天飞越8次，高度为10000m,为期6个月。结果，在飞机轰声的作用下，一个农场1万只鸡只剩下4OOO只，被轰声杀死6OoO只。化验结果发现，暴露于轰声下的鸡脑的神经细胞与未暴露的有本质的差别，受暴露的鸡脑细胞中的尼塞尔物质大大减少。高强声实验证明，17OdB的噪声5min可使豚鼠死亡。1.3.8噪声对物质结构的影响飞机作超音速飞行时产生的冲击波，一般称为轰声，因为人们会听到“口的响声，有如爆炸声。轰声虽然是一种脉冲声，但由于它的能量可观，故其具有一定的破坏力。英法合作研制的协和式飞机在试飞过程中，航道下面的一些古老建筑，如教堂等，由于表声的影响受到了破坏，出现了裂缝。15OdB以
25、上的强噪声，由于声波振动会使金属结构疲劳，遭到破坏。由于声疲劳造成飞机或导弹失事的严重事故也有发生。据实验，一块06mm的铝板，在168dB的无规噪声作用下，只要15min就会断裂。噪声还会引起社会矛盾，造成经济上的损失。据世界卫生组织估计，仅工业噪声的影响，美国每年由于低效率、不上工、工伤事故和听力损失赔偿等就损失近40亿美元。1. 4噪声控制技术的发展随着社会经济的发展，环境问题已被国际社会公认为是影响/1世纪可持续发展的关键性问题，而噪声污染更是成为/1世纪首要攻克的环境问题之一。从/0世纪70年代至今，噪声控制技术日益成熟，目前世界上常用的噪声控制技术有消声、吸声、隔声、隔振阻尼等，主
26、要是在声源、噪声传播途径及接受者方面进行控制和处理。从噪声源和振动源方面进行噪声控制，既是最积极主动和有效合理的措施，也是工业生产中噪声控制的努力方向。有源降噪技术自1247年美国的9HF奥尔森首次提出后，引起了世界各国的广泛兴趣。125.年，奥尔森等人又提出了“电子吸声器”，并付之实用。/0世纪六七十年代，英、法、前苏联等国把单个有源消声扩展为多通道系统和组合次级声源，并成功地将其应用于管道消声。1280年，法国将有微处理的有源消声器装置应用于/.3k的实验室柴油机，在/0w509z范围内可降低噪声/0dB国外防治噪声污染对策主要包含两个方面的内容：一是从噪声传播分布的区域性的控制角度出发，
27、强化土地使用、城镇建设规划中的环境管理，贯彻合理布局，特别是工业区和居民区分离的原则，即在噪声污染的传播影响上间接采取10防治措施；二是从噪声总(能)量的控制出发，对各类噪声源机电设备的制造、销售和使用等环节上，即对污染源本身直接采取限制措施。具体可以分以下几点：(1)制定科学合理的城市规划、城市区域环境规划，划分好各个区域的社会功能以保证要求安静的区域不受噪声污染。美国、法国、北欧、东欧等国家都很讲究城市区域功能，使住宅、文教区远离工业区或机场等高噪声源。为了减少交通噪声污染，各国还对城市进行绿化，有的国家把交通干线、机械设备装置等噪声源转入地下，不少国家还致力于在道路两旁设置隔声屏障；在住
28、房建设中注意防止噪声传入室内，一般都是安装双层窗和多层复合隔声结构：隔声、吸声建筑材料的研制和生产也很受重视。(2)规划建设专用工业园区，组织并帮助高噪声工厂、企业实施区域集中整治，对居住生活地区建立必要的防噪声隔离带，或采取成片绿化等措施，缩小工业噪声的影响范围。(3)对不同的噪声源机械设备均以一年为限，实施产品噪声限值标准和分级标准。有关政府部门据此对制造、销售厂商进行管理，促使发展技术先进的低噪声、安静型产品，逐步替代与淘汰落后的高噪声产品。国际标准化组织(ISO)已在推行把噪声级指标正式列为产品铭牌的一项基本内容的规定。(4)建立有关研究和技术开发、技术咨询的机构，为各类噪声源设备制造
29、商提供技术指导，以便在产品的设计、制造中实现有效的噪声控制，如开发运用低噪新工艺、高阻尼减振新材料、包装式整视隔声罩设计等，有计划有目的地推动技术进步。(5)提高用于吸声、消声、隔声等的专用材料的性能，以适应通风散热、防尘防爆、耐腐蚀等技术要求；改进噪声污染影响的评价分析方法；开发应用计算机技术发展模型实验；提高预测评价工作的效率和精度，节省防治工程的费用。我国噪声控制技术研究取得了长足的进展，测试分析技术有了很大提高，我国大中城市环境监测站已普遍采用精密声级计、噪声统计分析仪或自动监测仪，能定期、不定期对大范围、多测点的工业噪声源进行快速、连续现场监测，为环境噪声管理提供科学的依据。不少科研
30、设计单位应用计算机，结合混响室、消声室研究声强测量和频谱相关分析等新技术，为噪声源的识别与控制提供条件。经过多年的推广应用，消声、吸声、隔声、隔振和阻尼等常规治理技术，在各工业部门得到了普及。不同行业根据各自的生产工艺和设备特点，积累了成功的经验。低噪声设备研制技术有所突破，噪声控制器材设备的生产已迅速形成初具规模的一项新兴产业，从事噪声控制和污染防治的专业科技人员队伍日益壮大。我国不少大专院校、科研设计单位及工矿企业也开展产品低噪声化的研究和实践，深入分析研究各种噪声源的发声机理及其传播途径，研制成功并批量生产了20余种低噪声产品，如低噪声轴流风机、低噪声离心风机、低噪声罗茨鼓风机等。噪声控
31、制的发展还体现在政策管理方面，我国早在20世纪70年代就将保护环境确立为一项基本国策，并制定了各种环境规划。近年来，国家和地方各级人民政府建立健全了环境保护管理结构、环境监测管理系统以及环保产品质量监督检验体系，1996年还颁布了环境噪声防治法及各种噪声与振动限值标准及测量方法，使噪声控制有法可依、有标准可循。随着我国国民经济的发展和科学技术水平的不断提高，噪声控制将会有更大的发展。思考题与习题1 .什么是噪声？2 .噪声对人的健康有什么危害？3 .简述噪声的来源和分类。4 .原来听起来有65分贝的声音，出现听力损失后，听起来只有35dB,问听力损失多少分贝？耳聋的程度属哪一级？2声学基础本章
32、提要噪声与乐音相比，具有许多相同的声学特征。为了对噪声进行:控制和治理，必须对噪声的声学特征、频谱特性进行分析。本章主要:2学习声的产生和传播特性；声波的反射、折射、干涉、绕射等；声的主:;要物理量度，包括声压、声压级、声功率、声功率级、声强、声强级等；1响度和响度级等基本概念和内容；学习噪声控制的理论基础，为后续2的隔声、吸声、消声、隔振与阻尼等技术的课程学习打下基础。1C4K2. 1声波的基本性质声音是一种波动现象。波动和振动是密切相关的运动形式，振动是波动产生的根源，弹性媒质是振动传播的客观条件，波动是振动的传播过程，波动也是能量的传播过程。2.1.1机械振动机械振动是物体经过平衡位置所
33、做的往复周期性运动，它是物质运动的一种基本形式，是生活中常常遇到的一种物理现象。如打鼓时鼓面的振动，说话时声带的振动等等。2.1.1.1自由振动最简单的机械振动是弹簧振子所做的自由振动。在一个水平、光滑的桌面UlLAAOPXAAWO ASLAAAAMO上，放置一个弹簧振动系统，见图2.I所示。弹簧的一端固定，另一端连着一个质量为m的物体，该物体称为振子。H-OA kwww . AOA（*）假定弹簧的质量不计，振子只能在水平桌面上沿弹簧的轴向做直线运动，且不考虑振子与桌而之间的摩擦力和其他阻力。当振子没有受到拉力或推力时，处于相对静止状态，此时振子所处的位置称为中心位置或平衡位置，以O表示。当振
34、子受到一个沿弹簧轴向的力，如为拉力时，弹簧将被拉长，由此产生一个指向平衡位置的弹性回复力作用在振子上。在弹簧的弹性限度内，弹簧的形变越大，弹性回复力越大。根据胡克定律，弹性回复力F为：F=-kx（2.I）式中k弹簧的倔强系数（Nm）；X一振子位移（m）。撤除外力后，振子将在弹性回复力的作用下，以平衡位置为中心做往复运动，这就是振动。因为已设定不考虑摩擦和阻力，弹簧振子的振动将会不断地进行下去，这就是弹簧振子的自由振动过程。令振子的质量为m,根据牛顿第二定律可得：这就是弹簧振子的自由振动方程，它的解可写作：X=Acos（Oi+0）（2.3）式中A一振子的振幅（m）；0-初相位（rad）；o圆频率
35、（rads）；i一时间（s）o弹簧振子在单位时间里完成的振动次数称为振动频率，记为f,圆频率是振子在2m秒内振动的次数，它们的关系是：O=2mf（2.4）将式（2.3）代入式（2.2）,得：O=/1（2.5）m式中I-弹簧的倔强系数（Nm）；m一振子质量（kg）o2.I.I.2固有频率自由振动也叫固有振动。物体做固有振动时的频率叫固有频率，固有频率的大小由振动物体的质量和弹性决定，由式（2.4）和式（2.5）可知：f=（2.6）2mm由于摩擦和阻尼总是存在的，它将使振动物体最初获得的能量不断消耗，振动趋于停止。若符振动持续下去，就必须不断向振动系统补充能量，即持续地对振动物体施加周期性的外力，
36、或称策动力。在策动力的作用下发生的振动称为受迫振动。受迫振动的频率与策动力的频率相同。当策动力的频率与振动物体的固有频率接近或相等时，受迫振动的振幅急剧增大，这种特殊的现象称为共振。共振时消耗的能量最多。在噪声控制工程中，常利用共振消声的原理来消除低频噪声。2.1.2波动波动由弹性媒质中质元的振动引起。弹性媒质中任一质元的振动，由于弹性力的作用，将使邻近质元也随之振动，这样依次传播开来，就形成了波动。随着波动，弹性媒质中质元的位移、速度以及压力等都将随之发生周期性的变化，这种变化属于机械振动。2.I.2.I声波在物理学中，符在气体、液体、固体中传播的机械振动称为声振动。声振动的传播过程称为声波
37、。声波的频率与振动的频率相同。声波的频率在202000OHZ之间时为人耳的听觉阈，因此常把此频率范围内的声波称为声音。低于20HZ的声波称为次声波，高于20000HZ的声波称为超声波。在弹性媒质中，如果振动质元的振动方向与波的传播方向平行，此波称为纵波。纵波在传播时，将使媒质的不同点处产生周期性的压缩和膨胀，即发生容变。气体、液体、固体内部均可承受容变，所以它们都可以传播纵波，在空气中传播的声波就是纵波。如果振动质元的振动方向与波的传播方向互相垂直，此波称为横波。横波只能在固体中传播，因为当一层媒质相对于另层媒质平移而发生切变时，固体中能够产生恢复这一切变的弹性力，使振动传播开来：而气体和液体
38、不能产生这种切变力，所以不能传播横波。2212222波动方程下面对简谐平面声波在空气中的传播情况作一简单分析。图222 平面声波在柱形管内的传播在空气中取一横截面为p的柱形管，见图222所示，假设管内空气与管外空气没有交换，管内的温度是固定的。忽略空气的粘滞效应，即管内空气是一种理想气体。设没有声波扰动时，空气的静压强即大气压强为5，空气的密度为p-当有声波扰动时，管内任何截面附近的空气密度随时间变化。设dx是管内空气任一截段d+的瞬时位移，则截段d+和瞬时截段(d+dx)内空气质量相等，即pp1d+=p(p1+dp)(d+dx)式中(Pl+dp)是空气的瞬时密度。展开上式，略去高次项，得：(
39、2.7)dp=-P笔管内d+段空气柱的体积发生了变化，密度也发生了变化，其压强也将随之变化。根据体积弹性模量的定义可知，压强变化du为：(2.8)9)du=B如式中B为体积弹性模量，将式(228)代入式(227)得:dxdu=Bcj+式(229)表示的是当管内空气在声波扰动时，作用在d+段空气柱左端面上的压强变化。左端而上的总压力为：F1=p(u1+du)同理，d+段空气柱右端面上的总压力为：F2=p(u1+du+du)式中du是du在d+段上的增量。根据牛顿第二定律：,d2xPPldV可得Bdx d d+2d2xdt2上式是在空气中沿轴方向传播的平面声波的波动方程。对于沿X轴正方向传播的平面
40、余弦声波，上式的解可写作：u=Acoso(t-)(2.11)C式中u一媒质质元振动的瞬时位移(m)；A一媒质质元振幅(m)；x一距声源的距离(m)；C一声波传播的速度(ms)；t一时间(s)。2.1.2.3波速将式(2.11)代入式(2.10)得：C2=或C=o对于理想气体c=yl(2.12)IU式中y定压热容与定容热容的比值，取1.41；R普适气体恒量，取8.31J(mo1K)：T-绝对温度，T=273+t(K),t为摄氏温度：u一空气的摩尔质量，取28.8X103kgmo1o将上述值代入式(2.12),得：C=331.4+0.6t(2.13)此即空气中声波传播速度的计算式。从式中可以看出，
41、声速随温度的升高而升高。声波在空气中传播时，其速度还受到空气湿度和大气压的影响，但影响较小，通常不予考虑。声波在固体中的传播速度，当其横截面的尺寸小于波长时，可用下式求得：C=AY(2.14)PO式中Y-杨氏弹性模量(Mm?)；Po固体密度(kgrr?)。声波在液体中的传播速度为：C=A支(2.15)PO式中B一体积弹性模量（Nm2）；Po液体密度（kgr3）2.1.3声压、特性阻抗2.1.3.1声压在式（2.8）中指出，dp是由于空气体积变化而产生的压强变化。体积变化是由于声波的传播引起的，因此dp是由于声波的作用叠加在大气压强上的逾量压强，称为声压。对于沿X轴正方向传播的平面余弦声波，其瞬
42、时声压为：p=-p0cAosino（I-）16）式中Po媒质密度；C-声波速度；A一质元振幅；0圆频率。令声压幅值为Pm，则式（2.16）可写为：P=-pmsino（I-）（2.17）C式中Pm一声压幅值，Pm=PCAo从式（2.16）可以看出，声波在传播过程中，声压随时间迅速变化，而人的听觉感受到的实际效果是迅速变化的声压在某一时间的平均结果，叫有效声压。令P为有效声压，则PLb曲=J十斗J，-十）d,=Bm（2.18）2声压的单位是Nr2,也称为帕（Pa）。过去常用微巴为单位，1微巴等于0.1Nm2o后面如未特别注明，凡涉及声压一律指有效声压。2.1.3.2特性阻抗由沿X轴正方向传播的平面
43、余弦声波的波动方程可知，媒质质元的振动速度为：则式16)可写为：p=p0cc(2.19)式中，POC是由媒质性质决定的量。POC越大，在同一声压下质元获得的速度越小，反之则速度越大。它反映了媒质的一种声学特性，是媒质对振动面反作用的定量描述。PoC称媒质的特性阻抗，以Z表示。Z=P0C(2.20)特性阻抗的单位是kg(m2s),也称瑞利。当声波从一种媒质传播到另一种媒质的有效界面时，两种媒质的特性阻抗将决定声波反射、透射的程度。2.2声音的量度描述声音特性的方法有两种：一种是把声音单纯作为物理扰动，用描述声波客观特性的物理量来反映，这是对声音的客观量度。另一种方法涉及人耳的听觉特性，根据听者感
44、觉到的刺激和心理反应来描述，这是对声音的主观评价。人的听觉对声音的感受主要是3个方面：音响、音调、音色。音响反映声波的能量，而音调、音色与频率有关。2.2.1声波的能量、声强2.2.1.1声波的总能量声波传播时，声场中质元将随着声波的传播而振动。同时，由于质元的振动，将使质元振动范围内媒质的密度发生变化。因此，在声波的传播过程中，质元由于振动而具有动能，媒质由于容变而具有势能，这两种能量之和就是声能，它是媒质所获得的总能量。令V0为媒质体积，经分析可知，平而声波的动能和势能分别为：由式(2.21)可以看出，平面声波传播时其动能和势能数值相等，相位相同，同时达到最大值或最小值，这充分反映了声波在
45、传播过程中能量传递的特点。声波的总能量为动能与势能之和，即E= Ek + Ep =+,2CoPoP上式描述了媒质体积C0中所含的总声波能量。2. 2. I. 2 声能密度单位体积媒质所含的声波能量称为声能密度，用S表示，即22)因为在媒质某点处的瞬时声压随时间变化，所以声能密度也是一个随时间变化的量，为此常采用一周期内声能密度的平均值来反映媒质中某点处声能的储存情况，即平均声能密度为：=Ip0T2o2sin2o（AL）dAIj0c=p0T2O2（2.23）2.2.I.3声强声波是能量的携带者，声波的传播伴随声能流。为了反映声能的传播情况，常用能流密度来描述声波在媒质中传播时各点的强弱。能流密度又叫声强，它反映在单位时间内，通过垂直声波传播方向单位面积的声波能量。设在媒质中垂直于波速P处取面积S,则在I个周期（V）内，通过S的能量等于体积PVS中的能量，见图2.3所示。W- spvs则能流密度，即声强1为:将式（2.23 ）代入上式，并考虑到声压峰值+m= P 了 SP，得I-而(2.24)这是很重要的关系式，指出了声强和声压之间的关系。声强的单位是Wm2o2.2.I.4声功率声强与声源辐射的声功率有关。所谓声功率是指声源在单位时间内辐射出来的总声能，记为W,其单位为W（瓦）。如果围绕声源的传播面积为s,不考虑声波在传播中的衰减，则W=JSlCIS（2.2
