声音大小对人的影响

第5章 噪声监测

△本章教学目的、要求
1． 掌握噪声的概念、分类、危害；
2． 了解噪声监测参数；
3．掌握噪声测量仪器结构、原理、操作方法；
4．掌握噪声监测方法。

△本章ZD
噪声的分类、危害；等效连续声级、计权声级、声级计；噪声监测。

△本章难点
等效连续声级、噪声监测

△本章教学目录
5.1概述
5.2噪声监测

5.1 概述
5.1.1噪声的概念
声音：受作用的空气发生振动，当振动频率在20-20000Hz时作用于人的耳鼓膜而产生的感觉。
噪声：为人们生活和工作所不需要的声音。
5.1.2噪声的分类
5.1.2.1 机理分类
从噪声发生的机理，可将噪声分为三大类：
(1)空气动力性噪声：是由气体振动产生的，当气体中存在涡流或发生压力突变时引起气体的扰动。
(2)机械性噪声：是固体振动产生的，在撞击、摩擦、交变作用应力作用下，机械金属板、轴承、齿轮等发生的振动。
(3)电磁性噪声：是由于磁场脉动、磁致伸缩、电源频率脉动等引起电气部件的振动而产生的。
5.1.2.2 按来源分类
一是交通噪声：指机动车辆、船舶、航空器等交通运输工具在运行过程中产生的噪声；
二是工厂噪声：指工矿企业在生产活动中各种机械设备产生的噪声；
三是建筑施工噪声：指在施工活动中由各种建筑施工机械运转时产生的噪声；
四是社会生活噪声：指人类的社会活动和家庭活动产生的噪声。
五是自然噪声：指除去交通、工业、建筑施工、社会生活噪声的其他噪声。
5.1.3环境噪声的主要特征
(1) 噪声是感觉公害
(2) 噪声具有局限性和分散性
5.1.4噪声的危害
(1)损伤听力，造成噪声性耳聋
在强噪声下工作一天，只要噪声不是过强（120分贝以上），事后只产生暂时性的听力损失，经过休息可以恢复；但如果长期在强噪声下工作，每天虽可以恢复，经过一段时间后，就会产生性的听力损失，过强的噪声还能杀伤人体。见表5-1。
(2)干扰睡眠
(3)干扰语言通讯。见表5-2。
(4)影响人的心理变化
(5)能诱发多种疾病
5.1.5噪声监测参数及其分析
5.1.5.1声功率、声强和声压
（1）声功率（W）
声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。
在噪声监测中，声功率是指声源总声功率。单位为W。
（2）声强（I）
声强是指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量。单位为 W/米2（W/m2）。
（3）声压（P）
声压是空气受声波干扰而产生的压力增值。单位为Pa。声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化，所以压力增值是正负交替的。但通常讲的声压是取均方根值，叫有效声压，故实际上总是正值，对于球面波和平面波，声压与声强的关系：
I = P2/ρc
式中：ρ-空气密度；
c-声速。
5.1.5.2 分贝、声功率级、声强级和声压级
（1） 分贝
人们日常生活中听到的声音，若以声压值表示，由于变化范围非常大，可以达六个数量级以上，同时由于人体听觉对声信号强弱刺激反应不是线形的，而是成对数比例关系。所以采用分贝来表达声学量值。所谓分贝是指两个相同的物理量（例A1和A0）之比取以10为底的对数并乘以10（或20）。
N=10lg(A1/A0)
分贝符号为"dB"，它是无量纲的。
式中：A0是基准量（或参考量），A1是被量度量。
被量度量和基准量之比取对数，这对数值称为被量度量的"级"。
（2） 声功率级
Lw =10lg(W/W0)
式中：Lw——声功率级（dB）；
W——声功率（W）；
W0——基准声功率，为10-12 W。
（3） 声强级
LI = 10lg(I/I0)
式中：LI——声强级(dB)；
I——声强（W/m2）；
I0——基准声强，为10-12 W/m2。
（4） 声压级
LP = 20lg(P/P0)
式中：LP——声压级（dB）；
P ——声压（Pa）；
P0——基准声压，为2×10-5Pa，该值是对1000Hz声音人耳刚能听到的Z低声压。
5.1.5.3 噪声的叠加和相减
（1）噪声的叠加
两个以上独立声源作用于某一点，产生噪声的叠加。
声能量是可以代数相加的，设两个声源的声功率分别为W1和W2，那么总声功率W总=W1+W2。而两个声源在某点的声强为I1和I2时，叠加后的总声强:I总= I1+I2。但声压不能直接相加。
总声压级： LP=10lg[10(Lp1/10)+10(Lp2/10)]
式中 LP——总声压级，dB；
?LP1——声源1的声压级，dB；
?LP2——声源2的声压级，dB。
如LP1=LP2，即两个声源的声压级相等，则总声压级：
LP =LP1+10lg2≈LP1+3(dB)
也就是说，作用于某一点的两个声源声压级相等，其合成的总声压级比一个声源的声压级增加3dB。当声压级不相等时，按上式计算较麻烦。可以利用图11-1或表11-3查值来计算。方法是：设LP1>LP2，以LP1-LP2值按表或图查得ΔLP，则总声压级LP总=LP1+ΔLP。

图5-1两噪声声源叠加曲线
表5-3 分贝和的增值表
LP1和LP2的级差(LP1-LP2) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
增值ΔLP 3.0 2.5 2.1 1.8 1.5 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4

（2）噪声的相减
噪声测量中经常碰到如何扣除背景噪声问题，这就是噪声相减问题。通常是指噪声源的声级比背景噪声高，但由于后者的存在使测量读数，需要减去背景噪声。方法是：以LP>LP1，按图5-2查得ΔLP，则LP2=LP-ΔLP

图5-2为背景噪声修正曲线，

例：为测定某车间中一台机器的噪声大小，从声级计上测得声级为104dB，当机器停止工作，测得背景噪声为100dB，求该机器噪声的实际大小。
解：设有背景噪声时测得的噪声为LP，背景噪声为LP1，机器实际噪声级为LP2。由题意可知LP-LP1=4dB，从图11-2中可查得ΔLP=2.2dB，因此该机器的实际噪声声级为：LP2=LP -ΔLP=104dB-2.2dB=101.8dB。
5.1.5.4响度和响度级
（1）响度（N）
响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，它不仅取决于声音的强度(如声压级)，还与它的频率及波形有关。响度的单位为"宋"，1宋的定义为声压级为40dB，频率为1000Hz，且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比1宋的声音大n倍，即该声音的响度为n宋。
（2）响度级(LN)
响度级是建立在两个声音主观比较基础上的。定义1000Hz纯音声压级的分贝值为响度级的数值，任何其他频率的声音，当调节1000Hz纯音的强度使之与这声音一样响时，则这1000Hz纯音的声压级分贝值就定为这一声音的响度级值。响度级用LN表示，单位是"方"。如果某噪声听起来与声压级为120dB，频率为1000Hz的纯音一样响，则该噪声的响度级就是120方。见图5-3。
（3）响度与响度级的关系
根据大量的实验得到，响度级每改变10方，响度加倍或减半。
它们的数学关系式为：N = 2[(LN-40)/10] 或 LN = 40+33lgN
5.1.5.5 A计权声级
为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量，有关人员在噪声测量仪器——声级计中设计了一种特殊滤波器，叫计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声压级，而叫计权声压级或计权声级，简称声级。通用的有A、B、C、D四种计权声级。
A计权声级是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性；人们发现A声级(LA)用来作噪声度量标准，能较好地反映出人们对噪声吵闹的主观感觉。因此，A声级几乎成为一切噪声评价的基本值。对稳定噪声可以直接用A声级评价。见图5-4。

图5-4 常见环境噪声

5.1.5.6 等效连续声级、噪声污染级和昼夜等效声级
（1）等效连续声级
A计权声级能够较好地反映人耳对噪声的强度与频率的主观感觉，因此对一个连续的稳态噪声，它是一种较好的评价方法，但对一个起伏的或不连续的噪声，A计权声级就显得不合适了。例如，交通噪声随车流量和种类而变化；又如，一台机器工作时其声级是稳定的，但由于它是间歇地工作，与另一台声级相同但连续工作的机器对人的影响就不一样。因此提出了一个用噪声能量按时间平均方法来评价噪声对人影响的问题，即等效连续声级，符号“Leq”。它是用一个相同时间内声能与之相等的连续稳定的A声级来表示该段时间内的噪声的大小。例如，有两台声级为85dB的机器，diyi台连续工作8小时，第二台间歇工作，其有效工作时间之和为4小时。显然作用于操作工人的平均能量是前者比后者大一倍，即大3dB。因此，等效连续声级反映在声级不稳定的情况下，人实际所接受的噪声能量的大小，它是一个用来表达随时间变化的噪声的等效量。
Leq=10lg[1/T 100.1LAdt]
式中：LA—— 某时刻t的瞬时A声级（dB）；
T —— 规定的测量时间（s）。
如果数据符合正态分布，则可用下面近似公式计算：
Leq≈L50+d2/60，
d=L10-L90
其中L10、L50、L90为累积百分声级，其定义是：
L10——测量时间内，10%的时间超过的噪声级，相当于噪声的平均峰值；
L50——测量时间内，50%的时间超过的噪声级，相当于噪声的平均值；
L90——测量时间内，90%的时间超过的噪声级，相当于噪声的背景值；
d——噪声的起伏程度。
累积百分声级L10、L50和L90的计算方法有两种：其一是在正态概率纸上画出累积分布曲线，然后从图中求得；另一种简便方法是将测定的一组数据（例如100个），从小到大排列，第10个数据即为L90，第50个数据即为L50，第90个数据即为L10。
（2）噪声污染级
许多非稳态噪声的实践表明，涨落的噪声所引起人的烦恼程度比等能量的稳态噪声要大，并且与噪声暴露的变化率和平均强度有关。经实验证明，在等效连续声级的基础上加上一项表示噪声变化幅度的量，更能反映实际污染程度。用这种噪声污染级评价航空或道路的交通噪声比较恰当。故噪声污染级（LNP）公式为：
LNP = Leq + Kσ
式中：K——常数，对交通和飞机噪声取值2.56；
σ——噪声测量的标准偏差。
（3）昼夜等效声级
也称日夜平均声级，符号“Ldn”。用来表达社会噪声昼夜间的变化情况，昼夜等效声级Ldn表达式为：
Ldn=10lg
式中：Ld——白天的等效声级，时间从6∶00－22∶00，共16个小时；
Ln——夜间的等效声级，时间从22∶00－第二天的6∶00，共8个小时。
为表明夜间噪声对人的烦扰更大，故计算夜间等效声级这一项时应加上10dB。
5.1.5.7 噪声的频谱分析
除频率单一的纯音外，一般声音都是由许多不同频率、不同强度的纯音组合而成。以声压级为纵坐标，频率的横坐标绘制成的噪声特性曲线称为噪声频谱图，见图5-5。研究噪声的频谱分析很重要，它能深入了解噪声声源的特性，帮助寻找主要的噪声污染源，并为噪声控制提供依据。
图5-5 某鼓风机的噪声频谱

噪声频谱能形象地反映出声音的频率分布和声级大小的关系。人耳不仅对声压微小变化的识别能力较差，同样对声频的微小变化也难于识别。因此，在噪声监测中，为了方便，将动态范围内大的连续声谱(20～20000Hz)划分为若干个部分，每个部分叫做频带。f0、f1、f2分别为该频节的ZX频率、Z低频率、Z高频率。

5.2 噪声监测
5.2.1噪声测量仪器
了解噪声测量仪器的基本结构和工作原理，掌握仪器的功能和适用场合，学会仪器的正确使用方法，并能判别和排除仪器的常见故障，应是监测人员所具备的Z基本技能。
噪声测量仪器的测量内容有噪声的强度，主要是声场中的声压，至于声强、声功率的直接测量较麻烦，故较少直接测量；其次是测量噪声的特征，即声压的各种频率组成成分。随着现代电子技术的飞速发展，噪声测量仪器发展也很快。在噪声测量中，人们可根据不同的测量与分析目的，选用不同的仪器，采用相应的测量方法。
常用的测量仪器有声级计、频谱分析仪、自动记录仪、录音机和实时分析仪等。
5.2.1.1 声级计
声级计也称噪声计，它是用来测量噪声的Z基本仪器。
（1）声级计的工作原理
工作原理是：声压大小经传声器后转换成电压信号，此信号经前置放大器放大后，
Z后从显示仪上指示出声压级的分贝数值。见图5-6。
图5-6 声级计工作方框图

图5-7 PSJ-2声级计外形图

（2）种类
声级计整机灵敏度是指在标准条件下测量1000Hz纯音所表现出的精度。根据该精度，声级计可分为两大类：一类是普通声级计，它对传声器要求不太高，其动态范围和频响平直范围较狭，一般不与带通滤波器相联用；另一类是精度声级计，其传声器要求频响宽、灵敏度高，稳定性好，且能与各种带通滤波器配合使用，放大器输出可直接和电平计录器、录音机相联接，可将噪声讯号显示或贮存起来。图5-7是一种普通声级计的外形图。
5.2.1.2 其它噪声测量仪器
（1）频谱分析仪
频谱分析仪是测量噪声频谱的仪器，它的基本组成大致与声级计相似，只是设置了完整的计权网络(滤波器)。借助于滤波器的作用，可以将声频范围内的频率分成不同的频带进行测量。一般情况下，都采用倍频程划分频带。如果对噪声要进行更详细的频谱
分析，可用1/3频程划分频带。在没有专用的频谱分析仪时，也可以把适当的滤波器接在声级计上进行频谱分析。
（2）自动记录仪
在现场噪声测量中，为了迅速、准确、详细的分析噪声源的特性，常把声级频谱仪与自动记录仪连用。自动记录仪与声级计或频谱分析仪联合使用时，可以连续测量、记录声级与频谱，并能将噪声随时间的变化情况记录下来。
（3）录音机
在噪声测量中，用声级计或频谱分析仪往往不能把噪声的全部情况(如瞬时噪声)测试下来。为获得噪声的全部情况，可先用磁带录音机将噪声录制下来，然后在实验室中进行测定和研究。
（4）实时分析仪
实时分析仪是一种数字式谱线显示仪，能把测量范围内的输入信号在极短时间内同时反应在一系列信号通道示屏上，通常用于较高要求的研究、测量。
5.2.2 噪声监测
城市环境噪声监测包括：城市区域环境噪声监测、城市交通噪声监测、城市环境噪声长期监测和城市环境中扰民噪声源的调查测试等。
11.2.2.1 城市区域环境噪声监测
基本测量仪器为精密声级计或普通声级计。仪器使用前应按规定进行校准，检查电池电压，测量后要求复校一次，前后灵敏度不大于2dB。
布点：将要普查测量的城市分成等距离网格（例如500m×500m），测量点设在每个网格ZX，若ZX点的位置不宜测量（如房顶、污沟、禁区等），可移到旁边能够测量的位置。网格数不应少于100个。
测量：测量时一般应选在无雨、无雪时（特殊情况除外），声级计应加风罩以避免风噪声干扰，同时也可保持传声器清洁。四级以上大风应停止测量。声级计可以手持或固定在三角架上。传声器离地面高1.2米。放在车内的，要求传声器伸出车外一定距离，尽量避免车体反射的影响，与地面距离仍保持1.2米左右。如固定在车顶上要加以注明，手持声级计应使人体与传声器距离0.5米以上。测量的量是一定时间间隔（通常为5秒）的A声级瞬时值，动态特性选择慢响应。
测量时间：分为白天（6：00-22：00）和夜间（22：00-6：00）两部分。随地区和季节不同，上述时间可稍作更改。
测点选择：测点附近有什么固定声源或交通噪声干扰时，应加以说明。按上述规定在每一个测量点，连续读取100个数据（当噪声涨落较大时应取200个数据）代表该点的噪声分布。白天和夜间分别测量，测量的同时要判断和记录周围声学环境，如主要噪声来源等。
数据处理：由于环境噪声是随时间而起伏的非稳态噪声，因此测量数据一般用统计噪声级或等效连续A声级表示，即把测定数据代入有关公式，计算L10、L50、L90、Leq的算术平均值（L）和Z大值及标准偏差（σ），确定城市区域环境噪声污染情况。
评价方法：
1)数据平均法：将全部网点测得的连续等效A声级做算术平均运算，所得到的算术平均值就代表某一区域或全市的总噪声水平。
2)图示法：即用区域噪声污染图表示。为了便于绘图，将全市各测点的测量结果以5dB为一等级，划分为若干等级（如56-60，61-65，66-70…分别为一个等级），然后用不同的颜色或阴影线表示每一等级，绘制在城市区域的网格上，用于表示城市区域的噪声污染分布。
11.2.2.2 城市交通噪声监测
布点：在每两个交通路口之间的交通线上选择一个测点，测点设在马路边的人行道上，离马路20cm，这样的点可代表两个路口之间的该段道路的交通噪声。
测量：测量时应选在无雨、无雪的天气进行。测量时间同城市区域环境噪声要求一样，一般在白天正常工作时间内进行测量。每隔5秒记一个瞬时A声级（慢响应），连续记录200个数据。测量的同时记录车流量（辆/h）。
数据处理：测量结果一般用统计噪声级和等效连续A声级来表示。将每个测点所测得的200个数据按从小到大顺序排列，第20个数据即为L90，第100个数据即为L50，第180个数据即为L10。经验证明城市交通噪声测量值基本符合正态分布，因此，可直接用近似公式计算等效连续A声级和标准偏差值。
Leq≈L50+d2/60， d= L10-L90
评价方法：
（1）数据平均法：全市测量结果应得出全市交通干线的L10、L50、L90、Leq平均值L和Z大值、标准偏差，以作为城市间比较。

式中：l ——全市交通干线的总长度（km）；
lk——第k段干线的长度（km）；
Lk——第k段干线测得的等效声级Leq或统计声级L10（dB）。
（2）图示法：即用噪声污染图表示。当用噪声污染图表示时，评价量为Leq或L10，按5dB一等级，以不同颜色或不同阴影线划出每段马路的噪声值，即得到全市交通噪声污染分布图。
5.2.2.3 工业企业噪声监测
测点选择的原则是：
（1）若车间内各处A声级波动小于3dB，则只需在车间择1-3个测点；
（2）若车间内各处声级波动大于3dB，则应按声级大小，将车间分成若干区域，任意两区域的声级应大于或等于3dB，而每个区域内的声级波动必须小于3dB，每个区域取1-3个测点。这些区域必须包括所有工人为观察或管理生产过程而经常工作、活动的地点和范围。
（3）如为稳态噪声则测量A声级，记为dB（A）；如为不稳态噪声，测量等效连续A声级。测量时使用慢档，取平均读数。
（4）测量时要注意减少环境因素对测量结果的影响，如应注意避免或减少气流、电磁场、温度和湿度等因素对测量结果的影响。
5.2.2.4 工业企业厂界噪声监测
测量工业企业厂界噪声应在工业企业边界线1m处进行。据初测结果，声级每涨落3dB布一个测点。如边界模糊，以城建部门划定的建筑红线为准。如与居民住宅毗邻时，应取该室内ZX点的测量数据为准，此时标准值应比室外标准值低10dB(A)。如边界设有围墙、房屋等建筑物时，应避免建筑物的屏障作用对测量的影响。
计数特性选择A声级，动态特性选择慢响应。稳态噪声，取一次测量结果。非稳态噪声的声级涨落在3～10dB范围，每隔5s连续读取100个数据；声级涨落在10dB以上，连续读取200个数据，求取各测点等效声级值。
测量应在工业企业的正常生产时间内进行。必要时，适当增加测量次数。