第七章声学基本理论及分析方法

第七章声学基本理论及分析方法

噪声：一种人们不愿意听到的声音。事实上，在深夜影响人们正常休息的音乐也是噪声。它是震动频率在一定频率范围内的机械纵波，因此它具有波的全部特性，如反射、折射和衍射等。研究噪声的目的是：降噪。声音的实质是波。

声波：能引起人听觉的波称为可闻声波，简称声波，其频率范围是20～20000Hz；

超声波：频率大于20000Hz；

次声波：频率小于20Hz。

第一节声学的度量声压声强声功率声级一、声压

声压：介质中有声波传播时的压力与无声波传播时的静压力之间有一个差额，这一差额称为声压。声波是疏密波，在稀疏区域的实际压力小于原静压力，声压为负；在稠密区域，实际压力大于原静压力，声压为正。声压是随时间变化的，每秒钟内波动的次数往往较大，当传到人耳时，由于耳膜的惯性作用，辨别不出压力的变化。声压一般是指有效声压，它是一定时间间隔内，瞬时声压的均方根值，即：

式中：——瞬时声压，；

T——

时间间隔，s；

二、声强

声强：在垂直与声波传播方向的单位面积上，单位时间内通过的声能。当声强的数值小到一定程度时，人耳就感觉不到了，该数值称为听域声强。国际上统一规定，听域声强为。随着声强的加大，到人耳感到疼痛难忍时,该声强称为痛域声强，其数值为1。声强不易用一般仪器测得，而且声音的最终判断者——听觉器官——也是按作用在人耳鼓膜的压力大小来衡量的。因此用声压表示声音的强弱更直观方便。好在声强和声压之间存在着一一对应的关系，在自由平面波或球面波的情况下，在传播方向上的声强为：式中：—有效声压，；—媒质密度，；—声速。二、声强

在声学中，将二者的乘积称为声特性阻抗，在和1个大气压力的空气中，。因此，与听域声强值相对应的听域声压为，与痛域声强值对应的痛域声压为。三、声功率

声功率：声源在单位时间内辐射出的声能量。它和声强的关系是：式中：——包围声源曲面的总面积，；

——曲面上某点的声强，。平面波：球面波：当声源方在有反射的地面上，声源只能向半球面空间辐射，此时：四、声级

物理学家韦伯的大量实验发现，人耳对声音的感觉（听觉）与客观物理量（声强、声压）之间并不是线性关系，而近似于对数关系，即人的听觉随刺激量的增大而逐渐趋于迟钝。为此，人们引出了一个成倍比关系的对比量——声级,用以表达声音的强弱大小。它是一个作相对比较的无量纲单位。与声强、声压、声功率等物理量的对应关系是声强级、声压级、声功率级，彼此之间的关系见下表。四、声级

声学量、级的关系表名称

听域

痛域可听范围比声强1

声压20声功率1声强级01201:121声压级01201:121声功率级01201:1211、声强级

声强级：式中：——被测声音的声强，；

——

听域声强，，。2、声压级

声压级：式中：——被测声音的声压，；

——听域声压（或称基准声压），在

Hz时的听域声压。3、声功率级

声功率级：式中：——被测声音的声功率，；

——基准音的声功率，。第二节声压级的合成与分解

有n各声源，各单一声源的声压分别为，对应的声压级分别为。下面分别介绍声压的合成与分解。1、声压的合成

由式知，声压是一定时间间隔内瞬时声压的均方根值，由此可见，n个声源其声压的叠加应为几何叠加，即：任一声源的声压级为：

式中：——第个声源的声压，；

——听域声压（或称基准声压），。N个声源的纵声压级应为：

[例1]有两个声源，其声压级分别为和，求总声压级。解：由式得：若两声源的声压级均为95dB，则总的声压级为：若两声源的声压级分别为，，其总的声压级为：

由上述计算结果不难看出：

⑴在单一声源的声场中，加入比该声源声压级略小的第二个声源，两声源总声压级的上升幅度相当有限；

⑵在两个声源的声场中，若减小较小声源的声压级，对降低噪声的效果不如减小较大者的声压级那么有效。因为，将两个声源中声压级较大者降低3dB，其降噪效果是：

而将两个声源中声压级较小者降低3dB，其降噪效果是：只降低了0.83dB。

由此可见，若要达到较为理想的降噪效果，比较有效的方法是：找到声压级最大的噪声源（即主噪声源），并设法使之降低。2、声压级的分解

若要从n个声源中将任一声源的声压级分解出来，将式进行改写得：式中：——第个声源的声压，；

——n个声源的总声压，；

——除第个声源之外的其他各声源的总声压，。将式带入式得第个声源的声压级为：[例题2]测得n个声源总的声压级，移去一个主要声源后，重新对其它各声源合成的声压级进行测量，其结果为，求移去的那个声源的声压级。解：将已知量、代入上式得：若，则移去的那个声源的声压级为：

由上面的计算结果可知，在n个声源共同作用的声场中，若其中一个主要声源不发声时测得的结果比n个声源同时都发生声所测的结果的差值大于或等于10dB，则可忽略除该主声源之外各个声源对进行主声源声压级测试时的影响。换言之，若已知除主声源之外，其它各声源合成声压级的数值比n个声源全部同时发声所测得的声压级小10dB以上，则欲测量主声源声压级时，可以用n个声源全部发声时的总声压级来代替该主声源的声压级。这一点在噪声测试中非常重要。如：进行汽车噪声测试时，除汽车这一主要噪声源外，还有周围环境中的无数个声源在发声。显然，我们测得的是全部声源同时发声的结果。那么，如何才能得到被测车辆的声压级呢？有了上述声压级分解的结论，测量汽车噪声这一十分复杂的问题就变得简单化了。3、噪声的测量方法

先测被测对象不发声时的环境噪声，此噪声又称本底噪声，常用表示；再进行在该环境下被测对象发声时总噪声的声压级的测量，若，则可用来代替被测对象的噪声值。这就是噪声测试标准中规定必须测量本底噪声，且要求的直接原因。第三节声学分析方法

人耳对不同频率声音的反应是不一样的，通常人耳对高频声音的反应敏感，对低频声音反应迟钝。因此，在测量噪声时，应注意到人耳的主观反应与客观物理量间的关系。前面在表7—1中所列的听域声压和痛域声压是在1000Hz纯音条件下的数值，若频率发生变化，其听域和痛域的数值亦会随之发生变化。为了使对客观物理量的测试结果能反应人耳的这一固有特性，就需要引入响度、响度级及计权网络等重要概念。一、响度与响度级

人耳对声音的听觉反应是“响”或“不够响”，因此用响度对其度量。由于人耳对不同频率声音的反应不同，所以不同频率的声音，尽管其声压级相同，但人耳所感觉到的响度却不一样。为了获得响度与声压级间的关系，美国的弗莱切（Fletcher）和芒森（Munson）及英国的鲁宾逊（Robinson）和达逊（Dason）对许多人群进行了各种频率的听觉试验，他们将不同频率、响度相同的点连成一条曲线，便得到了等响曲线。再将各个频率的听域声压级点和痛域声压级点分别相连，便得到了听域线和痛域线。在两线之间，按响度的不同，将其分为若干个级，即响度级。在国际标准中，将其分为13级，其单位为仿（Phon）。每一级都有一条对应的等响曲线。其中：零响度线即听域线，120仿的响度线即痛域线。

等响曲线

响度的单位是宋（Sone)，1宋的响度相当于1000Hz的纯音、声压级为40dB（响度级为40仿）的听觉反应。50仿为2宋，60仿为4宋。实验证明，响度级每增加10仿，响度增加一倍。若用代表响度级，N表示响度，二者的关系为：二、声级计的计权网络

由于噪声对人体有危害，所以要对其进行检测和控制。检测噪声的仪器就是我们常说的声级计，其检测量是声压级。人耳对不同频率的声音有不同的反应，因此声级计应能反映人耳的这一固有特性。为此，国际组织规定，声级计设有三套修正电路，即A、B、C三种计权网络。其中：A计权网络是仿效40仿的等响曲线设计的，其特点是对中频和低频声有较大的衰减，这种特性与人耳的感觉比较接近；B计权网络接近70仿等响曲线，仅在低频段有一定的衰减；C计权网络接近100仿等响曲线，在任何频率都没有衰减。在汽车噪声测试过程中,标准规定用A、C两套计权网络。典型环境、典型噪声源的声压级A声级（dB）测点说明10～20静夜消声室内20～30轻声耳语、很安静的房间内40～60普通室内谈话80左右城市街道、公共汽车内90左右重型车内、泵房、嘈杂吵闹的街道100～110织布车间、电锯房110～120距柴油机1～1.5m处测得120～130距高射机枪、风铲、螺旋桨式飞机1～1.5m处测得130～140距喷气式飞机、大炮1～1.5m处测得160以上距火箭、导弹、飞船1～1.5m处测得三、噪声的测量与分析

（一）噪声的测量

汽车噪声的测量主要有加速行驶的车外噪声和匀速/加速行驶的车内车外噪声。

1、车外噪声A计权网络、快档；

2、车内噪声A、C计权网络、慢档。（二）噪声分析

研究噪声的目的在于设法降低噪声，然而，用前面介绍的噪声度量方法很难达到这一目的。为此需要对噪声进行分析。常用的噪声分析方法主要有：频谱分析声强测试分析声学有限元分析声学全息分析技术1、频谱分析

将声频划分为若干个小的频段，每个频段的宽度称为频带或频程。噪声的频谱分析需对频带的划分作出规定，为了既便于分析，又能表达人耳对频率的反应特征，国际、国内的相应标准均规定了两种频带划分方法，即倍频程和1/3倍频程法。

倍频程：

1/3倍频程：1、频谱分析

噪声的频谱分析与振动的频谱分析方法完全相同，所用数学工具均是FFT，所不同的是：汽车的振动频率较低（客车0.1～100Hz,货车0.1～500Hz);而噪声的频率比较高，20～20000Hz。2、声强测试分析

前面所谈到对噪声的测量，其测试量是声压或声压级，是一种标量，只有大小没有方向。然而，声音的本性却是一个矢量，它不仅有大小，而且还有方向。在前面所述度量声音的量中只有声强是矢量。因此要想深入研究声音，就需对声强进行测量。自上世纪70年代初开始，许多物理学家及声学工作者都试图测出声强这一物理量，但直到1977年美国科学家J·R·Chung和英国科学家F·J·Fang分别独立证明了声强的互谱关系式才获得成功。声强的成功测试使得声学研究有了突破性的进展。声强测试系统可用于声源的定位和识别、声能测线的测量、材料隔吸声性能的测定及机械故障的诊断。3、声学有限元分析

声学有限元始于英国perkins公司的一项研究计划，他们试图利用计算机程序、根据噪声限制的要求设计发动机。如此便需要确定发动机的振动模式特性、发动机的激振力谱，并将所有这些特性综合起来建立相应的数学模型，以计算发动机的表面响应，从而计算辐射出的噪声级。4、声学全息技术的噪声分析

声学全息术是一种将噪声映射为声强分布并定位噪声源的技术，它使用麦克风或天线阵列生成噪声源的声音图像。系统中的通道越多，图像的分辨率就越高。

第四节噪声对人体的危害

噪声对人体的危害早在公元前7世纪已被人们所认识。当然，当今人们对噪声危害的认识更加深入。1979年世界环境保护会议上将噪声列为当代人类最不可容忍的灾难之一。关于噪声对人体的危害可从如下几个方面去理解。噪声的物理效应听觉损伤噪声引起的其他疾病一、噪声的物理效应

高强度的噪声可以损坏建筑物，如超音速飞机的轰鸣声、爆破声等会将建筑物的玻璃振碎、烟筒倒塌等。在特高强度噪声（＞160dB）的影响下，不仅建筑物受损，发声体本身也可能因疲劳而损坏，并使一些自动控制和遥控仪表失效。这种声疲劳失效对火箭发射、飞机航行的影响很大。二、听觉损伤1、暂时性听域提高：短时在高强度噪声环境下工作，会出现暂时性听域提高现象。

2、噪声性耳聋：长期在高强噪声环境下工作，听觉疲劳是不能恢复的，内耳听觉器官发生病变，暂时性听域上移逐渐变成永久性听域上移，当其超过一定限度时，将导致噪声性耳聋。噪声性耳聋按其程度的不同，将其分为三类。①轻度噪声性耳聋：讲话可以听到，只是有些耳背；②中度噪声性耳聋：平常讲话已听不清，必须大声讲话才能听到；③高度噪声性耳聋：面对面的大声讲话已听不见，需带助听器。

3、爆炸性耳聋：人体暴露在高强噪声（140—160dB）环境下，会使听觉器官发生急性外伤，耳鼓膜破裂流血，螺旋体从基底急性剥离，耳鸣强烈，双耳完全失听。三、噪声引起的其他疾病神经系统疾病头晕、头胀、头痛、失眠、神经过敏、记忆力衰退、注意力不集中；心脏的影响心跳过速、血压上升、心血管疾病；消化系统的影响消化不良、闻声呕吐等；对工作和生活的影响使人烦躁、注意力不集中、工作效率降低、影响正常的休息和睡眠。第五节噪声的控制标准

为了保护和改善人类的生存环境，必须对噪声进行控制。要想有效地控制噪声，就必须制定科学、统一的控制标准。听力保护与健康保护的噪声标准脉冲噪声听觉损伤标准语言交谈与通讯的允许噪声标准环境噪声与允许标准汽车噪声标准一、听力保护与健康保护的噪声标准

人对噪声的承受能力存在一定的差异，一般认为，对人体无影响；对90%的人无影响；对85%的人无影响。噪声对人体的影响与作用时间有关，ISO是按8h/天×5（天）×48（周）×10（年）来计算时间。

1961年ISO会议提出，从妨碍听力、妨碍交谈和烦恼三个方面进行评价，建议噪声评价数N=85dB曲线（相当于）作为听力损伤标准,1971年建议自1974年开始试行N80dB曲线（相当于）作为听力损伤标准。在