第四章 噪声检测.ppt
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1、第四章噪声检测1概述 噪声是一种紊乱、断续或统计上随机的声震荡。从生理学的观点看,凡是人们不需要的声音就称为噪声。随着工业的发展,噪声已成为一种主要公害,它影响人们的生活和工作,使人感到烦躁,严重时会引起神经、内分泌等系统的疾病及职业性耳聋。高强度噪声还能影响仪器设备的正常工作。因此排除或减少噪声污染已日益被人们重视。按噪声源的不同,噪声主要分为:声强I是衡量声音强弱的标志,声音的大小和离开声源距离远近有关。如果在一个没有反射声存在的自由声场,有个向四周均匀辐射声音的点声源,在相距r处的声强I与声功率W之间的关系是:(82)声压与声强之间有着内在联系,当声波在自由声场中传播时,在传播方向上声强
2、I与声压p有下列关系:(83)式中I声强,W/;p声压,Pa;空气密度,kgm3;c声速,ms;c特性阻抗,Pasm。从式(83)可以看出,声强与声压的平方成正比,因此,测量出声压p,进而可以求出声强I和声功率W。212声压级、声强级和声功率级 声压的变化范围很广,从人耳刚能听到的声音一直到感觉耳膜疼痛的声音声压为210-520Pa,相差百万倍。在这样宽广的范围内,用声压或声强的绝对值来衡量声音的强弱很不方便,而且人耳对声音的感觉并不是与声压成比例,而是与声压的对数相关性较好。因此,声学工程中引出“级”的概念。声压、声强、声功率的级的划分,采用数学中常用对数标度来表达,单位称作dB(分贝)。声
3、压级Lp的定义用数学式表示为 (84)式中p声压,Pa;P0基准声压,取值210-5Pa。在引入声压级的概念后,原来声压相差一百万倍的变化范围,就只有0120dB的变化区间了,这样做既方便又明了,同时也符合人耳的听觉特性。目前国内外声学仪器上都采用分贝刻度,从仪器上可以直接读出声压级的分贝数。与声压级一样,声强级LI可用下式表示 (85)式中I0基准声强,通常取1000Hz时声波能够引起人耳听觉的最弱声强(10-12W/)。按式(83),以此式代入式(84)得 可见声压级与声强级在一定条件下是相同的。声功率级Lw的数学表达式 (86)式中W0基准声功率,取值10-12W(频率为1000Hz时)
4、。213噪声的复合 在现场测量时,噪声源往往不止一个,有时就是一个噪声源,其噪声级也因频率成分不同而异,所以常常要进行总噪声级的分贝计算。设n个声源同时发声,它们在某处形成的总声强,相当于n个能量的叠加,即有 (87)则总声强级为:(88)设第i个声源在该处产生的声强Ii,由式(85)得:则 (89)因LI=Lp,故 (810)式(89)和式(810)计算麻烦,可用下式进行近似计算:(811)式中Lp总噪声级,dB;Lpb噪声源中较大的一个声压级,dB;Lp复合增值,根据两个噪声源声压级之差,由表81查出。表81 噪声复合增值若有n个相同的声压级Lp1,则 两个噪声级之差01234567891
5、0附加增值3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.422噪声的主观量度221响度级和响度 声压和声强都是客观物理量,声压越高,声音越强;声压越低,声音越弱。但是它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。人耳对声音的感觉,不仅和声压有关,也和频率有关。一般对高频声音感觉灵敏,对低频声音感觉迟钝,声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应,又考虑到声音对人耳听觉的生理效应,把声音的强度和频率用一个量统一起来,这样就引出了响度级的概念。使用等响实验方法,可以得到一组不同频率、不同声压级的等响度曲线。实验时用1000Hz的某一强度(如40dB)的声音
6、为基准,用人耳试听的办法与其他频率(如100Hz)声音进行比较,调节此声音的声压级,使它与1000Hz声音听起来响度相同,记下此频率的声压级(如50dB)。再用其他频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级,将这些数据画在坐标上,就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。这条曲线用1000Hz时的声压级数来表示它们的响度级值,单位为方(phon),这里就是40方。同样以1000Hz其他声压级的声音为基准,进行不同频率的响度比较,可以得出其他的等响度曲线。经过大量试验得到的纯音的声压级与频率关系等响度曲线如P、182图81所示。响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关
7、系,但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。如一个80方的声音比另一个50方的声音究竟响几倍,为此人们引出了响度的概念。响度与响度级的关系如P、183图82所示。1947年国际标准化组织采用了一个新的主观评价量宋(son),并以40方为1宋。响度级每增加10方,响度增加一倍,如50方为2宋,60方为4宋等。其表示式为:或 (812)式中,S为响度(宋);LN为响度级(方)。用响度表示声音的大小可以直接计算出声音响度增加或降低的百分数。如果声源经过隔声处理后响度级降低了10方,相当于响度降低了50;响度级降低20方,相当于响度降低了75等。222声级和A声级 声压级只反应声音强度对人响度感觉的影
8、响,不能反映声音频率对响度感觉的影响。响度级和响度解决了这个问题,但是用它们来反映人们对声音的主观感觉过于复杂,于是又提出了声级,即计权声压级的概念。在声学测量仪器中,通常根据等响度曲线,设置一定的频率计权电网络,使接收的声音按不同程度进行频率滤波,以模拟人耳的响度感觉特性。当然我们不可能做无穷多个电网络来模拟无穷多根等响度曲线,一般设置A、B和C三种计权网络。声级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级。其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度,当信号通过时,其低、中频段(1000Hz以下)有较大的衰减。B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度,它对信号的低频段有一定衰减。而C计权网络是模拟人
9、耳对100方纯音的响度,在整个频率范围内有近乎平直的响度。A、B、C计权的频率响应曲线(计权曲线)已由国际电工委员会(IEC)定为标准,并示于P、183图83。利用具有一定频率计权网络的声学测量仪器对声音进行声压级测量,所得到的读数称为计权声压级,简称声级,单位为dB。使用什么计权网络应在测量值后面注明,如70dB(C)或C声级70dB。表82列出了几种常见声源的A声级。表82几种常见声源的A声级 (测点距离声源11.5m)A声级/dB(A)声源2030 轻声耳语 4060 普通室内 6070普通交谈声、小空调机 80大声交谈、收音机、较吵的街道 90空压机站、泵房、嘈杂的街道 110120凿
10、石机、球磨机、柴油发动机 120130风铆、高射机枪、螺旋桨飞机 130150高压大流量放风、风洞、喷气式飞机、高射炮 160以上宇宙火箭 在实际测量时到底用哪一种计权网络呢?以前曾有规定,声级小于70dB时用A网络测量,声级大于70dB但小于90dB时用B网络测量,声级大于90dB时用C网络测量。近年来研究表明,不论噪声强度多少,利用A声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响。因此,现在基本上都用A声级作为噪声评价的基本量。C声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用,B声级基本上不用了,有时只是为了判断噪声的频率特性,才附带测量C声级和B声级。在有些声学测量仪器中还具有
11、D计权网络,它主要用于航空噪声的测量。用D计投网络测得的D声级再加上7dB,就直接得到飞机噪声的感觉噪声级。223等效连续声级Lep A声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉,对于一个连续的稳定噪声,它是一种较好的评价方法,但是对于起伏的或不连续的噪声,则很难确定A声级的大小。如测量交通噪声,当有汽车通过时噪声可能是85dB,但当没有汽车通过时可能只有60dB,这时就很难说交通噪声是85dB还是60dB,为此提出了用噪声能量平均的方法来评价噪声对人的影响,这就是等效连续声级,用Lep表示。这里仍用A计权,故亦称等效连续A声级。等效连续A声级定义为:在声场中某一定位置上,用某一段时间
12、能量平均的方法,将间歇出现的变化的A声级以一个A声级来表示该段时间内的噪声大小,并称这个A声级为此时间段的等效连续A声级,即:(813)式中,pA(t)为瞬时A计权声压;p0为参考声压(210-5Pa);LA为变化A声级的瞬时值。单位dB;T为某段时间的总量。实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量,假如采样时间间隔相等,则 (814)式中,N为测量的声级总个数;LAi为采样到的第i个A声级。对于连续的稳定噪声,等效连续声级就等于测得的A声级。224昼夜等效声级 通常噪声在晚上比白天更显得吵,尤其对睡眠的干扰更是如此。评价结果表明,晚上噪声的干扰通常比白天高10dB。为了把不同时间噪声对人干扰不
13、同的因素考虑进去,在计算一天24h的等效声级时,要对夜间的噪声加上10dB的计权,这样得到的等效声级为昼夜等效声级,以符号Ldn表示。(815)式中Ld白天的等效声级;Ln夜间的等效声级。15为白天小时数,9为夜间小时数。白天与夜间的定义可依地区的不同而异。225噪声暴露量(噪声剂量)一个人在一定的噪声环境下工作,也就是暴露在噪声环境下时,噪声对人的影响不仅与噪声的强度有关,而且与噪声暴露的时间有关。为此,提出了噪声暴露量,并用LE表示。噪声暴露量LE定义为噪声的A计权声压值平方的时间积分,即:(816)式中,T为测量时间,h;pA(t)为瞬时A计权声压。假如pA(t)在试验期保持恒定不变,则
14、:(817)我国工业企业噪声卫生标准中,规定工人每天工作8h,噪声声级不得超过85dB,相应的噪声暴露量为1Pa2h。如果工人每天工作4h,允许噪声声级增加3dB,噪声暴露量仍保持不变。226累计百分声级(统计声级)LNj 由于环境噪声,如街道、住宅区的噪声,往往呈现不规则且大幅度变动的情况,因此需要用统计的方法,用不同的噪声级出现的概率或累积概率来表示。LNj表示某一A声级,且大于此声级的出现概率为N%。如L5=70dB表示整个测量期间噪声超过70dB的概率占5。L10,L95的意义依此类推。L5相当于峰值平均噪声级,L50相当于平均噪声级,又称中央值,L95相当于背景噪声(或叫本底噪声)。
15、如果测量是按一定时间间隔(如每5s一次)读取指示值,那么L10表示10的数据比它高,L50表示有50的数据比它高,L90表示有90的数据比它高。227交通噪声指数 通常,起伏的噪声比稳态的噪声对人的干扰更大,交通噪声指数就是考虑到了噪声起伏的影响,加以计权而得到的,通常记为TNI。因为噪声级的测量是用A计权网络,所以它的单位为dB(A),其数学表达式:(818)d反映了交通噪声起伏的程度,d越大,表示噪声起伏越大,则TNI也越大,也就是说对人的干扰越大。噪声干扰亦同噪声的本底有关,L90越高,即本底越大,对人的干扰也越大。作业:1、噪声的物理量度有哪些,并列出各数学表达式。第3节 噪声频谱 不
16、同频率的噪声,对人的影响是不一样的,由此除了要知道噪声的总强度外,还要求知道各频率分量所对应的噪声强度。这种表示声音强度与频率的关系图称为噪声频谱。依频率高低声音可划分为:次声、可听声、超声。低于20Hz的声波称之为次声;高于20000Hz的声波称为超声;人耳能昕到的声频范围一般是在2020000Hz之间。在噪声控制工程中所讨论的主要是可听声。通常以频率为横坐标,声压级为纵坐标,画出它们的关系图,称作频谱图,如P125图44所示。噪声频谱图可以形象直观地进行频谱分析,帮助了解声源的性质,为噪声控制的声学设计提供依据。在频谱分析中 为了方便起见,常常将宽广的声频范围划分为若干小频段,即所谓频带或
17、频程。一般以两种方法划分频程。31等百分比频程 设频带宽度(通带),其上限,下限1,中心频率,则 (819)(820)式中n倍频程数。可以得出 (821)所以百分比 (822)最常用的是n=1、n=13,即1倍频程和13倍频程,其百分比/分别为0.71和0.23。等百分比频程有两种主要形式。其中一种形式:具有一个固定的中心频率和带宽,如1倍频程及13倍频程,这种频程在噪声测量中使用非常广泛。另一种形式:具有可变的中心频率和带宽,即有若干个/值供选择。为了统一起见,国际标准化组织(ISO)规定了1倍频程和13倍频程的中心频率,1倍频程的中心频率及频率范围见表43,13倍频程的中心频率及频率范围见
18、表44。1倍频程将可闻声频域划分为十个频段,13倍频程则有三十个频段。表43 1倍频程的中心频率与频率范围/H中心频率 31.5 63 125250500100020004000800016000频率范围 22.545 459090180180355355710710140014002800280056005600112001120022400表84 1/3倍频程的中心频率与频率范围/H中心频率 频率范围 中心频率 频率范围 中心频率 频率范围 2522.428 250224280 25002240 280031.528 35.5315280 35531502800 35504035.5 45
19、400355450 40003550 45005045 56500450 560500045005600 6356 71630560 710630056007100 807190 800710900 80007100 900010090 1121000910 1120100009000 11200125112 140125011201400 125001120014100 160140 18016001400 18001600014100 17800200180 224200018002240 2000017800 22400 在声学测量中使用滤波器把一段一段的频率成分选出来进行测量,这种滤波
20、器只能允许一定范围的频率成分通过,其他频率成分通不过。相应的有倍频程滤波器和13倍频程滤渡器。滤波器的中心频率、频带宽度和衰减特性等要符合GBT3241-1998(等同IEC 61260-1995)倍频程和分数倍频程滤波器标准的要求,该标准按特性要求不同而将滤波器分为0,1,2三个级别。与老标准IEC 225比较,新标准要求更加详细、严格,满足老标准只相当于达到新标准2级要求。以中心频率(Hz)为横坐标,以声压级(dB)为纵坐标,做出噪声按倍频带或13倍频带的声压分布图,就可表示各频率分量的声音强度的分布规律,这个方法称为噪声的倍频带或13倍频带频谱分析。P、127图45和图46分别画出两种机
21、器的倍频带和13倍频带噪声频谱。32等带宽频程 等带宽频程的特点是:不论其中心频率是多少,在整个频率范围内,其带宽均为常数,并且其带宽是可调的,如可为5Hz、10Hz、20Hz或4Hz、30Hz、200Hz等。在噪声控制工作中,了解噪声源的频谱很重要,降低不同频率成分的噪声,采用的控制方法及选用的声学材料也不一样。对症下药,才能有效合理地降低噪声。第4节 常用噪声测量仪器 41声级计 声级计是根据国际标准和国家标准,按照一定的频率计权和时间计权测量声压级的仪器,它是声学测量中最基本、最常用的仪器,适用于室内噪声、环境保护、机器噪声、建筑噪声等各种噪声测量。411声级计的分类按精度来分:根据国际
22、标准IEC 61672-2002,声级计分为1级和2级两种。在参考条件下,1型声级计的准确度0.7dB,2型声级计的准确度1dB(不考虑测量不确定度)。按功能来分:测量指数时间计权声级的通用声级计、测量时间平均声级的积分平均声级计、测量声暴露的积分声级计(以前称为噪声暴露计)。另外有的具有噪声统计分析功能的称为噪声统计分析仪,具有采集功能的称为噪声采集器(记录式声级计)。具有频谱分析功能的称为频谱分析仪。按大小来分:台式、便携式、袖珍式。按指示方式:模拟指示(电表,声级灯)、数字指示、屏幕指示。表45给出了一般声级计的性能412声级计的构造及工作原理 声级计的构造及工作原理如P、129图47所
23、示。(1)传声器。用来把声信号转换成交流电信号的换能器,在声级计中一般均用电容式测试传声器,它具有性能稳定、动态范围宽、频响平直、体积小等特点。电容传声器由相互紧靠着的后极板和绷紧的金属膜片所组成,后极板和膜片在电气上互相绝缘,构成以空气为介质的电容器的两个电极。两电极上加有电压(极化电压200V或28V),电容器充电,并贮有电荷。当声波作用在膜片上时,膜片发生振动,使膜片与后极板之间距离变化,电容也变化,于是就产生一个与声波成比例的交变电压信号,送到后面的前置放大器。电容传声器的灵敏度有三种:自由场灵敏度、声压灵敏度和扩散场灵敏度。自由场是指声场中只有直达声波而没有反射声波的声场。扩散场是由
24、声波在一封闭空间内多次漫反射而引起的,它满足下列条件。空间各点声能密度均匀。从各个方向到达某一点的声能流的概率相同。各方向到某点的声波相位是没有规律的。传声器自由场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声器放入前该点自由场声压之比值。传声器声压灵敏度是传声器输出端的开路电压与作用在传声器膜片上的声压之比值。传声器扩散场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声器未放入前该点扩散场声压之比值。由于传声器放入声场某一点,声场产生散射作用,从而使实际作用在膜片上声压比传声器放入前该点的声压大,高频时比较明显。与三种灵敏度相对应,上述自由场灵敏度平直的传声器叫自由场型(或声场型)传声器,主要用于消声室等自由场测
25、试,它能比较真实地测量出传声器放入前该点原来的自由场声压,声级计中就是使用这种传声器。声压灵敏度平直的传声器叫声压型传声器,主要用于仿真耳等腔室内使用。扩散场灵敏度平直的叫扩散场型传声器,用于扩散场测量,有的国家规定声级计用扩散场型传声器。传声器灵敏度单位为VPa(或mVPa),并以1VPa为参考,叫灵敏度级。如1英寸电容传声器标称灵敏度为50mVPa,灵敏度级为-26dB。传声器出厂时均提供它的灵敏度级以及相对于-26dB的修正值K,以便声级计内部电校准时使用。传声器的外形尺寸有1in(寸)(2377mm)、12in(12.7mm)、14in(6.35mm)、18in(3.175mm)等。外
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