噪音学基础.pptx
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1、噪音基本知识一、噪音信号的特征二、噪音的物理性质三、噪音的物理量度四、噪音的主观量度和评价方法五、声学噪音测量(含振动)什么是噪音?噪音是人类社会日常活动中以声音形式出现的一种声响,它引起人们不舒适,产生烦躁感,因此它是一种为人们所不希望、不喜欢但经常又是难以避免的声音。什么是噪音?随着人们生活水平的提高,噪音的控制也渐渐受到社会的重视。工业产品的噪音控制,国家已经制定了很多标准,成为衡量产品质量的一个重要标识。空调中使用的压缩机,由于其振动、噪音都相当大,因此控制其噪音,是一项必须要做而且具有极大社会效益的工作。一、噪音信号的特征一、噪音信号的特征纯音信号一、噪音信号的特征纯音信号含有一些关
2、键参数,T周期、Ao-p振幅、Aavg振幅均值、Ap-p振幅峰值、Arms振幅均方根值ArmsAo-p/1.414=(/2.828)Aavg一、噪音信号的特征实际上,大多数声信号不是正弦信号,而是频率和振幅都随时间变化的信号。Arms、Ao-p、Aavg不存在上述简单关系。但在研究冲击、脉冲和短周期噪音时,Ao-p却是一个非常重要的参数。纯正弦波是一个单频信号,在频率域中是一条直线,如图1.2(a)所示。如果将两个正弦信号相加,且其中一个信号的频率是另一个的三倍,则可得到图1.2(b)所示的波形,在频率域中是两条直线。图1.2(c)所示的方波是更为复杂的周期信号,在频率域中为无限条间隔相等的直
3、线,表示无限多奇次谐波成分。一、噪音信号的特征一、噪音信号的特征实际生活中经常遇到的随机噪音有如图1.2(d)所示的特点。随机噪音有多种频率组成,这些频率之间没有谐波关系,它们是非周期的,具有连续频谱。最典型的是“白噪声”,具有完全平坦的连续频谱。随机噪声要用统计分析方法或傅立叶分析方法才能进行研究。二、噪音的物理性质二、噪音的物理性质声音是由声源振动产生的,振动在空气中传播就是声音。空气在振动源作用下,它的疏密程度发生变化,从而将振动的能量传送出去。下面以鼓面振动为例作简单介绍。2.1、声波的产生二、噪音的物理性质2.1、声波的产生二、噪音的物理性质鼓面振动之后,鼓面附近的空气一会儿受压缩而
4、变得密集,一会儿鼓面反方向运动,空气变得疏松,于是振动的能量就随着空气的疏密相间传播出去。声波振动的方向和传播方向一致,因此它是纵波,也叫疏密波。而水波的振动方向和传播方向垂直,因此它是横波,光波也是横波。2.1、声波的产生二、噪音的物理性质声波的波长、频率f和声速c之间有如下关系:c=f健康的年轻人能够听到的声音频率范围时20Hz到20,000Hz。钢琴从最低音到最高音是27.54186Hz。小于20Hz的声波叫次声波,大于20,000Hz的声波叫超声波。2.1、声波的产生二、噪音的物理性质媒质中有声波存在的区域叫声场。声场大致可以分为自由场、扩散场和半扩散场。2.2、声场二、噪音的物理性质
5、自由场自由场在均匀各向同性的媒质中,边界影响可以忽略不计的声场称为自由场。消音室的四壁、顶棚、地板都有吸声能力很强的吸声材料和吸声尖劈,传播到各个方向的声音全部被吸收或透过无反射,可以看成是自由场。2.2、声场二、噪音的物理性质扩散场扩散场声能量均匀分布,并在各个传播方向上作无规则传播的声场,称扩散场,或混响场。混响室中的所有内表面都有很强的反射性,使声波几乎接近全反射。室内各处声压接近相等,声能密度处处均匀。半扩散场半扩散场实际工程中遇到的情况往往介于上述两种场之间,这就是半扩散场。2.2、声场三、噪音的物理量度声强声强单位时间内单位面积上通过的声音能量称为声强。通常用I表示,单位为瓦/米2
6、,记为W/m2。如果在一个没有杂音干扰的自由场,有个向四面八方均匀辐射声音的点声源,在离点声源r处的声强为I球W/(4r2)其中W为声源的声功率。3.1、声强、声压、声功率三、噪音的物理量度声压声压声强不容易直接测量,而声压相对容易测量。声压就是声音在单位面积上的压力,通常用p来表示。声压和声强有着内在的联系,当声波在自由场中传播时,在传播方向上声强I和声压p关系为Ip2/(0c)其中,0为空气密度(Kg/m3),c为空气中声音的速度(m/s)。从上式可以看出声强和声压的平方成正比,测出声压就可以求出声强和声功率。3.1、声强、声压、声功率三、噪音的物理量度声功率声功率声源发出的全部声音的总功
7、率。3.1、声强、声压、声功率三、噪音的物理量度健康人耳能听到的最微弱的声压是20Pa,叫做听阈。人们能忍受的最大声压为20Pa。两者相差100万倍。这说明人的耳朵听觉范围非常广。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非常不方便,因此,人们引入“级”的概念,用分贝来表示。3.2、分贝制三、噪音的物理量度声压级的定义声压级的定义Lp20Lg(p/p0)其中,Lp表示声压级,单位dB(decibel的缩写,原义为十分之一贝尔),p0表示基准声压(取20Pa),单位Pa。这样,刚刚听得到的声音与震耳欲聋的声音之间的声压就可以用0120dB来表示了。而且它与人耳对声音的感觉大体一致。例
8、如声压变化1.4倍,声压级变化3dB,这种变化人耳刚刚可以分辨。又如声压变化3.16倍,声压级变化10dB,人耳感到响度变化1倍。3.2、分贝制三、噪音的物理量度声强级的定义声强级的定义LI10Lg(I/I0)LI表示声强级,I0表示基准声强值(听阈值,取1012W/m2)。声功率级的定义声功率级的定义LW10Lg(W/W0)LW表示声强级,W0表示基准声强值(听阈值,取1012W)。从能量角度来说,10dB的变化,相当于10:1的变化;30dB的变化,相当于1000:1的变化。3.2、分贝制三、噪音的物理量度注意:噪音级的叠加不是将分贝值直接相加。两个相同的噪音源的叠加两个相同的噪音源其噪音
9、级只比单台噪音级提高3dB。N个相同的噪音源的叠加如有N台同样响的声源Lp1所产生的总声压级为Lp总20Lg(p/p0)+10LgN=Lp1+10LgNN个不同的噪音源的叠加对于N台不同的噪音级同时发声,其噪音叠加后的总声压级Lp总10Lg(100.1Lp1+100.1Lp2+100.1Lpn)3.3、分贝的运算三、噪音的物理量度工程上的简易计算方法在工程上为了简便,对多台不同的噪音源同时发声,计算其总声压级常查图3-1分贝的增值或表3-1来进行换算。3.3、分贝的运算三、噪音的物理量度工程上的简易计算方法3.3、分贝的运算三、噪音的物理量度例如:两台机器的声压级差为Lp1Lp292-893d
10、B,查表或图得相应L为1.8dB,于是合成声压级为LpLp1Lp2921.893.8dB如果已知厂房中全部机器的声压级为Lp,关掉需要测量的那一台,测得声压级为Lp2,根据LpLp2查得L,设关掉的那一台声压级为Lp1,则Lp1LpL注意如果LpLp2小于3dB,表示环境噪音太高,无法获得正确的测量值,当此差值大于10dB时,L又太小(小于0.5dB),可以忽略。因此,合理的使用范围是LpLp2在3至10dB之间。3.3、分贝的运算三、噪音的物理量度平均值的计算LpA10Lg(100.1Lp1+100.1Lp2+100.1Lpn)/N其近似求法如下:如果待平均的n个分贝值的差值小于或等于5dB
11、,其平均值近似于算术平均值的计算;若待平均的几个声级最大差值在510dB之间,其近似值为算术平均值加1dB。3.3、分贝的运算三、噪音的物理量度噪音一般是宽频带的,为了便于分析方便,我们把可听声频率(20Hz20KHz)范围按一定规律分成若干段,称为频带或频程。以频率为横坐标,以声音的强弱为纵坐标,绘出声音强弱随频率分布的线图称为频谱。3.4、频谱三、噪音的物理量度频谱分析时,频率坐标(横坐标)常采用两种表示方法,即恒定带宽法和等百分比带宽法。倍频程分析法属于后者。倍频程常写成1/1倍频程,它的特点是,每个频带中的频率最大值(上限频率fu)是该频带频率最小值(下限频率fl)的两倍。其中心频率(
12、fc)是该频带上下极限频率的几何平均数。fu/fl=2(fc)2=fuflfc1.414fl相对带宽f/fc=(fu-fl)/fc=70.7%3.4、频谱三、噪音的物理量度需要注意的是,中心频率(fc)是某一频带的代号,它代表一个频率范围的声音,而不是某单个频率的纯音。例如fc500Hz代表355710Hz的频带。图3-2列出了倍频程中心频率及上下限频率范围。3.4、频谱三、噪音的物理量度3.4、频谱三、噪音的物理量度1/3倍频程是把每个1/1倍频程按等比例带宽再分成三份(图3-3),其上下限频率之比为fu/fl21/31.26频带的中心频率为fc(fu*fl)1/221/8fl1.12fl相
13、对带宽为f/fc=(fu-fl)/fc=(21/3flfl)/(21/8fl)=(21/31)/21/8=23.1%常用的1/3倍频程中心频率及上下限频率范围列于表3-3。3.4、频谱三、噪音的物理量度3.4、频谱三、噪音的物理量度现代振动及噪声测量分析仪器,可以实现比1/3倍频程更细的频带划分,1/12倍频程、1/24倍频程或更高。3.4、频谱三、噪音的物理量度声波的传播衰减有两个主要原因:(1)声波向四面八方传播时,随着波阵面的扩大,单位面积上的能量下降,这是扩散衰减。(2)声波在媒质中传播,由于媒质的粘滞作用、热传导及内分子的驰豫过程,导致声能不断下降。另外,媒质的不均匀,界面的反射、散
14、射及其它原因也会使声波在某一方向传播的声波衰减。下面主要简单介绍一下扩散衰减。3.5、声波在传播过程中的衰减三、噪音的物理量度点声源点声源IW/(4r2)已知a、b两点到点声源距离为ra、rb及a点的声压级Lpa,则b点的声压级LpbLpa20Lg(rb/ra)如果rb2ra,则LpbLpa6,即声源在自由声场中传播,距离增大一倍,声压级衰减6dB。3.5、声波在传播过程中的衰减三、噪音的物理量度线声源线声源长管道或有连续交通流量的公路可以看成线声源。IW/(2r*l)同样,声场中a、b两点的声压级有如下关系:LpbLpa10Lg(rb/ra)如果rb2ra,则LpbLpa3,即距离增大一倍,
15、声压级衰减3dB。3.5、声波在传播过程中的衰减三、噪音的物理量度面声源面声源当声源面积很大或离声源的距离与面声源面积之比很小的时候,可以看成面声源,此种情况下,声波保持不变。3.5、声波在传播过程中的衰减四、噪音的主观量度和评价方法四、噪音的主观量度和评价方法噪音的控制最终要人来评价,而人耳的听觉特性又是十分复杂的。声压是一个客观的物理量,但是它与人在主观心里上的感受并不一致。目前被广泛采用的是图3-2所示的、已作为国际标准的纯音等响度曲线。它是选取大量1825岁之间的听力正常的人进行试验,统计平均之后得出的。试验以1000Hz纯音为参考基准,将0120dB的声音以10dB为间隔分成12等分
16、。对应这12个等分,把人耳听到的声响强弱定位响度级,单位为“方”(phon)。这样,响度级共有0120phon。4.1、响度与响度级四、噪音的主观量度和评价方法改变纯音的频率,使之达到另一个频率点,再调节声压,直到试验人员感到此频率的声响与1000Hz参考基准的声响相等为止。这样,就得到了另一个等响点。在2015000Hz范围内重复进行试验,就得到了图4-1所示的等响曲线。由图可知,人耳对声响的感觉,跟频率有关。人耳对20004000Hz的频率最为敏感。声压很低时,对低频不敏感;声压很高时,高低频感觉都差不多。4.1、响度与响度级四、噪音的主观量度和评价方法4.1、响度与响度级四、噪音的主观量
17、度和评价方法响度级这一参数,把声级级和频率这两个客观物理量与人耳主观感觉量统一地联系起来。但是响度级是个相对量,因此定义了响度来表示人们主观感觉声音的强弱。响度的单位为“宋”(sone),一般取响度级40phon为响度标准称为1sone。用另外一个声音与它比较,也用很多人的听力来判断,听起来有它的两倍响,这个声音的响度就是2sone。听起来有4倍响,其响度就是4sone。响度和响度级的关系为S2(P-10)/10其中S表示响度,单位sone;P表示响度级,单位phon。由上式可以知道,声强增大到10倍,人耳感觉响度加倍。4.1、响度与响度级四、噪音的主观量度和评价方法图4-2直观的表示不同环境
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