噪声和振动污染控制工程概论.docx

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噪声和振动污染控制工程概论

第六章噪声和振动污染控制工程概论

噪声和振动有着非常密切的关系。

许多噪声是由振动引起的，这种振动以弹性波的形式在空气、液体和固体介质中进行传播，分别称为气体声、液体声和固体声，通常将固体声称为振动。

噪声和振动污染的控制原理十分相似：

隔振的同时也起到降噪作用。

第一节噪声和噪声污染

一、噪声定义

正如水、空气和土壤等是我们生存必要的条件那样，我们必须生活在一个有声的环境之中，声音可以帮助人们交流信息、认识事物等，成为人们一切生产和生活活动的前提基础。

但有些声音对人体有害或者是多余的，便称为噪声，由噪声造成的环境污染称为噪声污染。

广义上说来，一切可听的声音都有可能成为噪声。

我们所听到的各种声音是否成为噪声与许多条件和因素有关：

除与声音本身的基本特性（波长、频率和声级）有关外，还与人的心理和生理状态有关，因此噪声和非噪声的区别不仅在于其本身特性（频率和强弱），更在于接受对象的感受性和条件性。

二、噪声污染的特性

1，噪声属于物理性污染：

这种污染是局部性的，不会造成区域、全球性污染。

2，噪声污染一般没有残余污染物：

噪声一旦消除污染问题就得到彻底解决。

3，噪声污染往往易被人们所忽视：

尽管有影响，但我们需要生活在适度的声响环境中。

三、噪声的危害

1，听力损害

（1）暂时性听域迁移：

当人耳短时间暴露于噪声时，会引起人们的听觉疲劳，但此时的听觉器官尚未发生器质性病变。

一旦噪声消除，听觉疲劳也就逐渐消失，直至听觉恢复到正常状态。

（2）永久性听域迁移：

又称为噪声性耳聋，是指人耳长期暴露于强噪声环境之中，听觉反复受到噪声的不断刺激，听域迁移由暂时性逐渐成为永久性，听觉恢复越来越难，死亡的听觉细胞无法再生，造成永久性耳聋。

耳聋有轻重之分，一般以听力损失进行衡量，如表6－1所示。

表6－1听力损失与耳聋程度

听力损失

耳聋程度

20dB

耳聋的基准

20－40dB

轻度耳聋

40－55dB

中度耳聋

55－70dB

显著耳聋

70－90dB

重度耳聋

>90dB

极端聋

2，诱发疾病

诱发疾病是噪声污染的一个重要体现。

噪声作用于人的中枢神经系统，使得大脑皮层的兴奋和抑制平衡失调、条件反射异常，导致头昏脑胀、疲劳和记忆力衰退以及肠胃功能紊乱等症状，严重时诱发胃溃疡、冠心病和动脉硬化等疾病。

3，影响人们正常生活

降低人们睡眠、学习、工作、语言交流的效率和效果。

严重时使得这些活动无法进行。

四、噪声分类

声音由自然界和人类活动两方面产生。

虽然自然界的声音在特定情况下可能成为噪声，如雷鸣声、风的呼啸声等，但噪声通常主要是由于人类的生产和生活活动产生，称为人为噪声。

人为噪声的产生途径多种多样，通常有：

交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声等。

交通噪声由交通车辆产生，如公路和城市街道上的各种汽车轰鸣声、喇叭声，喷气式飞机螺旋桨产生的高速气流与空气的摩擦声以及火车车轮与铁轨的撞击声和汽笛声等；工业噪声由各种机器设备的振动、摩擦和管道排气产生；建筑施工噪声由各种施工机械设备造成，如打桩机与桩的撞击声、卷扬机噪声等。

噪声还可以产生于人们的社会活动与生活，如各种电影院、音乐厅、舞会在某些情况下都可能成为噪声的来源；居家的家用设备如空调器、电风扇、洗衣机和电视机等因为影响人们的休息、学习和工作而成为噪声。

环境治理系统中经常使用的鼓风机、空压机、水泵、搅拌机等也是噪声的重要来源。

按照发声机理，噪声可以分为：

机械噪声、空气动力性噪声和电磁噪声三类。

机械噪声是由于机械部件在撞击力、非平衡力作用下产生，是由固体振动而产生；空气动力噪声是由于高速或高压气流与周围介质（空气）发生剧烈混合而产生；电磁噪声是由于电磁场的交替变化引起机械部件或空间容积振动而产生，如日光灯的整流器、电动机和变压器产生的电磁噪声等。

三类噪声中以机械振动噪声最为常见，其次为空气动力性噪声，而电磁噪声较少见。

表6－2常见的工业设备噪声范围

设备

A声级范围（dB）

飞机发动机

107～140

织布机

96～130

鼓风机

80～126

空压机

73～116

蒸汽锤

86～113

发电机

71～106

水泵

89～103

卷扬机

80～90

频率是声音的重要参数。

按照频率高低，噪声分为：

低频噪声（f<500HZ）、中频噪声（f=500HZ～1000HZ）和高频噪声（f>1kHZ）三类。

噪声对人体的危害与噪声的频率有关，其中危害最大的当属可听声，其频率范围为20HZ～2000HZ，成为噪声控制的主要对象。

五、噪声污染控制途径

与其它污染控制相似，噪声污染控制的途径主要有：

行政管理、规划和噪声治理。

1，行政管理措施

对噪声采取必要的管理方法以限制噪声污染，其基本做法为行政立法。

我国对交通噪声、机动车辆噪声、飞机噪声、工厂噪声、建筑施工噪声、娱乐场所噪声污染的控制进行立法。

如<中华人民共和国建筑施工场界噪声限值>（GB12348-90）中规定：

交通干道环境噪声≤70-87dB（A）；建筑施工场界噪声限值如下表6－3所示。

表6－3建筑施工场界噪声限值

施工机械

昼间

夜间

土石方

推土机、挖掘机、装载机等

75dB（A）

55dB（A）

打桩

打桩机

85dB（A）

禁止施工

结构

混凝土搅拌机

70dB（A）

55dB（A）

装修

吊车、升降机

65dB（A）

55dB（A）

2，规划性措施

（1）区域性规划：

城市规划部门在确定建设布局时，将飞机场、重工业区等高噪声源布置在远离市区的郊外，并按照噪声从高到低依次进行布局。

（2）道路规划：

依据国家声环境质量标准和民用建筑隔声设计规范，合理划定建筑物与交通干道的防噪声距离，并提出相应的规划设计要求。

如规定交通干道距离居住区不小于30m；一级、二级公路和铁路不允许穿越居民区等。

（3）控制城市人口密度：

入口密度决定了交通流量、商业以及生产活动等产生的噪声高低以及影响程度。

噪声A声级Ldn（dB）与当地入口密度ρ（人/km2）的关系为：

Ldn＝10logρ＋26。

（4）利用各种措施进行隔声，如利用土丘、绿化带等减轻噪声对安静区域的影响。

3，治理措施

（1）噪声源的控制

研究工艺过程：

使用低噪声工艺代替高噪声工艺

研究降低噪声源辐射噪声的激振力

研究降低噪声源中、噪声辐射部件对激振力的响应

（2）噪声传播途径的控制

研究城市、工厂和车间如何全面合理布局

研究噪声传播途径上的声学技术措施（隔声、吸声和消声）

（3）个人防护措施

常用的噪声个人防护用品有：

耳塞、耳罩和头盔三种。

这些防护用品除减弱噪声危害外，还有保暖、防冲撞的功能。

第二节声的基本知识

噪声也是声音，因此在讨论噪声治理和污染控制前对声的基本知识进行介绍是必要的。

一、声波和瞬时声压

在各种弹性介质中，物体的机械振动由近而远的传播过程称为声波。

依据声音传播的介质不同，声波有空气波、液体波和固体波三种。

声波的传播方向与介质有关：

空气和液体中声波传播方向与介质质点的振动方向基本相同，构成纵向波；而在固体介质中的声波则既有纵向也有横向。

声波在传播时将引起介质中质点所受压强的变化，通常将声场中某一质点在瞬时由静压（未受声波影响时的压强）P0变化为P’所产生的压强增量称为该质点的瞬时声压P，单位为Pa或N/m2。

P＝P0－P’（6－1）

二、频率、波长、波速

声波在介质中传播时，1秒钟内质点振动的次数就是该声波的频率f，单位为HZ；质点往复振动一次所需要的时间称为振动周期T，单位为s；相邻波对应质点之间的距离称为波长λ，单位为m；声波在介质中的传播速度称为波速c，单位为m/s。

f、T、λ和c之间的关系为：

f＝1/T（6－2）

λ＝c/f＝c﹒T（6－3）

声波在介质中的传播速度与介质本身密切相关，如介质类型（气、液、固）、介质温度和密度以及压强等。

声波在固体介质中传播最快，其次为液体，而在气体中的传播较慢。

表6－4声波在各种介质中的传播速度（21.1℃）

介质

空气

水

软木

玻璃

钢

波速（m/s）

344

1372

3353

3658

5182

三、声波阵面

声波在传播过程中，同一时刻由相位相同质点构成的轨迹称为波阵面或波的基本几何形状，波阵面分为平面波和球面波两种。

1，平面波

平面波的波阵面与波的传播方向垂直，如活塞在汽缸中产生的声波为典型的平面波。

2，球面波

在点声源形成的声波中，波阵面为同心的球面，这种波称为球面波，球面波中声源的几何尺寸很小（<<λ）。

四、声强、声功率、声能密度、声阻抗率

在物理学上，声波是一种能量形式。

单位时间内声波辐射的声能量称为声功率W，单位为W；单位时间内透过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量称为声强I，单位为W/m2；单位体积介质内所含的声能量称为声能密度D，单位为W/m3；瞬时声压P与质点振动速度之比即为声阻抗率Zs，单位为Pa﹒s/m，Zs与介质密度和声速有关，而与声波波长和频率无关。

介质温度越高、密度越小、声速越大，则Zs越小。

Zs＝ρ0﹒c（6－4）

式中：

ρ0－介质密度（kg/m3）

五、声压级和声强级

声压级LP和声强级LI都是衡量声波强度的相对指标，简称为声级，单位均为dB，其相对基准分别为基准声压P0（0.2μPa）和基准声强I0（10-12W/m2）。

LP＝20lg（P/P0）；LI＝10lg（I/I0）

声压级和声强级是衡量噪声强弱及其对人影响程度的重要指标，在常温、常压下LP和LI在数值上相等。

噪声环境有稳态和不稳态之分，通常需要将不稳态噪声采用能量平均的方法换算为稳态噪声才能与稳态噪声进行比较，换算结果称为等效连续A声级Leq，其相互换算公式为：

Leq＝10lg

∫0t100.1LAdt（6－5）

式中：

t－不稳态噪声暴露时间,h

LA－t时间内的A声级，dBA

六、声源的指向性

当声源尺寸大于或接近于声波波长时，声源在各方向辐射的声压（或声强）不相同，成为指向性声源：

频率高的声波指向性强，频率低的声波指向性弱。

声源的指向性可以用指向性图来表示，类似于气象中的风向玫瑰图，将声源中某质点的声强与同一声功率声源在相同距离同心球辐射面上的平均声强之比称为声源指向性因数Q。

对于点声源，Q＝1，Q越大则声源的指向性越明显。

七、声波的叠加

通常我们听到的声音都是多种声波的混合，即由各种来源、各种频率、各种形状的许多列简谐波叠加的混合声波。

根据各种声波在叠加时是否发生相互干扰将声波分为相干波和不相干波两种。

在同一直线、相同方向上的相干玻叠加、合成的结果形成驻波，驻波属于相干波合成的特例。

表6－5相干波和不相干波

相干波

频率相同、有固定相位差

不相干波

频率相同、相位差物规则变化

频率不同、有固定相位差

频率不同、无固定相位差

相干波的叠加规律：

叠加后合成声压等于各相干波的声压之和，即：

n

Pt＝P1＋P2＋……＋Pn＝∑Pi（6－6）

i=1

式中：

Pi－第i列声波的声压

Pt－合成声场的声压

n－声波列数

不相干波叠加规律：

叠加后声压的平方等于各不相干波声压平方之和，即：

Pt2＝P12＋P22＋……＋Pn2＝∑Pi2（6－7）

八、声波的反射、透射、折射和绕射以及衍射

声波向介质中传播又称为入射，入射的声波遇到界面时一部分被反射或折射，另一部分将透过该界面继续传播。

入射、透射和反射情况和传播介质有关：

介质的Zs增加，难透射，易反射；Zs降低，易透射，难反射。

反射和折射的区别在于：

反射时反射线在入射面（由入射线和界面构成）内，入射角与反射角相等；折射线在入射面之外的第二种介质内，入射角θ1正弦与折射角θ2正弦之比等于介质1声速c1与介质2声速c2之比，即：

sinθ1c1

＝（6－8）

sinθ2c2

图6－1声波的入射、反射和折射

当声波的波长远远大于障碍物或孔洞尺寸时，声波能够绕过障碍物或孔洞的边缘继续前进并引起传播方向的改变，成为绕射声波或衍射声波。

声波的绕射与声波频率、波长和障碍物的相对大小有关，高频率、长波长的声波遇到尺寸较小的障碍物或孔洞时绕射或衍射明显，这是屏障隔声降噪的依据。

图6－2声波的绕射或衍射

九、声波衰减

声波在介质中传播，由于扩散作用、空气吸收以及障碍物的存在导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。

1，扩散引起的衰减

声波的传播过程即是声波在介质中的扩散过程，波阵面随扩散距离的增加而逐渐扩展，导致声能分散、声强随距离越来越弱，称为扩散衰减。

2，空气吸收引起的衰减

声波在空气中传播时，部分声波被空气吸收作用、部分声能将发生转换和迁移，籍此导致声波衰减。

传播导致空气质点振动，相邻空气质点由于运动速度不同而产生粘滞力，使得声能转换为热能，紧邻的空气温度越来越高，声能越来越弱。

温度的变化将导致相邻的空气质点之间存在温度差，形成温度梯度。

相邻空气质点存在出现温度梯度，发生热交换，声能转换为热能进行扩散。

由于声波的传播打破了空气中各种气态分子能量的原有平衡状态，从不平衡到重新建立新的平衡的过程称为热驰豫过程，热驰豫使得声能耗散、声波衰减。

3，其它原因引起的衰减

空气中的各种障碍物如尘粒、雾、雨、雪等将引起声波产生散射，导致声波衰减。

广义上说，空气中存在的各种大型屏障如土丘、围墙和门窗以及林带等也属于引起声波衰减的障碍物，其作用与空气中的雨雪、尘雾没有本质的区别。

声波的衰减程度可以用声压衰减系数α来衡量，即在空气中声波传播1m所衰减的分贝数，单位为dB/m。

α与声波本身性质（波长、波面、声源类型、频率、声强等）、传播距离、空气的温度和湿度以及障碍物情况密切有关。

点声源因为空气吸收而引起的声波衰减：

ΔLP＝LP1－LP2＝20lg（γ2/γ1）－α（γ2-γ1）（6－9）

线声源因为空气吸收而引起的声波衰减：

ΔLP＝LP1－LP2＝10lg（γ2/γ1）－α（γ2-γ1）（6－10）

式中：

ΔLP－声级的衰减量（dB）

LP1、LP2－衰减前后的声级（dB）

γ2、γ1－声波传播的距离（m）

第三节噪声的测量和评价

一、噪声的测量

声压计是测量噪声的主要仪器，测量的基本原理是将声信号转换为电信号。

根据噪声的声级范围，普通声级计的频率特性有A、B、C三档，分别称为A声级、B声级和C声级，测定噪声声级分别以dB（A）、dB（B）和dB（C）表示。

二、噪声评价

噪声评价是城市和工业区规划以及环境治理的重要依据，噪声评价与噪声评价标准以及测量方法密切相关。

噪声评价标准有：

工业企业噪声卫生标准、环境噪声标准、工业企业噪声控制设计标准、机动车辆允许噪声标准、机械产品噪声标准、建筑施工场界噪声标准等。

表6－6中华人民共和国城市区域环境噪声标准（GB3096－93）等效声级LAeq：

dB

类别

昼间

夜间

区域性质

0

50

40

疗养区、高级别墅区、高级宾馆

1

55

45

居住区、文教区

2

60

50

居住、商业和工业混杂区

3

65

55

工业区

4

70

55

城市中道路交通干线两侧、穿越城区的内河航道两侧区域等

表6－7中华人民共和国工业企业厂界噪声标准（GB12348－90）等效声级LAeq：

dB

类别

昼间

夜间

区域性质

I

55

45

居住区、文教区

II

60

50

居住、商业和工业混杂区以及商业集中区

III

65

55

工业区

IV

70

55

城市中道路交通干线两侧、穿越城区的内河航道两侧区域等

表6－8中华人民共和国建筑施工场界噪声标准（GB12523－90）等效声级LAeq：

dB

施工阶段

主要噪声源

噪声限值

昼间

夜间

土石方

推土机、挖掘机、装载机等

75

55

打桩

各种打桩机等

85

禁止施工

结构

混凝土搅拌机、振捣棒、电锯等

70

55

装修

吊车、升降机等

65

55

第四节噪声治理技术

与其它类型的污染治理一样，噪声治理应从噪声的产生源着手，即：

在噪声产生之前采取多种措施防止产生噪声；噪声产生之后首先在声源处降低噪声；在有人活动的地方进行隔声降噪，减轻噪声的危害。

依据技术作用原理，隔声降噪技术分为：

吸声、隔声和消声三种类型，其适用的场合也不相同。

一、吸声

未做任何声学处理的墙壁、门窗、地板等与空气的特性阻抗相差很大，因此造成声波的强烈反射，声波的一次与多次反射、叠加的结构构成混响声，实际空间内听到的声音既有直达声又有混响声，声波的反射、叠加增加了噪声的声级和危害性。

采用能够吸收声能的材料或结构可以吸收声能，使得反射声减弱，达到吸收降噪的效果。

图6－3吸声原理示意图

吸声主要应用于：

降低体积大、混响时间长的室内噪声；改善室内音质；与消音、隔音结合起来共同隔声降噪。

吸声的主要优点是效果稳定，对机械设备的操作维修无影响。

一般情况下可以降噪3～5dBA，对于混响严重的车间可以降噪6～10dBA。

吸声效果以吸声系数α’与吸声量A来衡量，能够起到吸声作用的称为吸声材料或结构。

1，吸声系数

α’＝（Eα－Et）/E＝（E－Eγ）/E＝1－γ（6－11）

式中：

E－入射总声能（W）

Eα－被材料或结构吸收的声能（W）

Et－透过材料或结构的声能（W）

Eγ－被材料或结构反射的声能（W）

γ－反射系数

影响α’的因素：

声波的入射角度、声波的频率、材料本身的性质和结构。

表6－9常见吸声材料的吸声系数

吸声材料

容重（kg/m3）

厚度（cm）

倍频程α’

125

250

500

1000

2000

4000

玻璃棉

15

2.5

0.02

0.07

0.22

0.59

0.94

0.94

矿物棉

240

6

0.25

0.55

0.78

0.75

0.87

0.91

聚氨脂泡沫塑料

40

4

0.10

0.19

0.36

0.70

0.75

0.80

膨胀水泥

350

5

0.16

0.46

0.64

0.48

0.56

0.56

珍珠岩板

350

8

0.34

0.47

0.40

0.37

0.48

0.55

玻璃窗

-

-

0.35

0.25

0.18

0.12

0.07

0.04

实木板

1.3

0.30

0.30

0.15

0.10

0.10

0.10

吸声系数的测量方法有混响室法、驻波管法两种。

2，吸声量

也称为等效吸声面积，即吸声系数与吸声面积的乘积

A＝α’·S（6－12）

Ai＝αi’·Si（6－13）

n

A＝∑Ai（6－14）

i=1

式中：

S－吸声面积（m2）

3，吸声材料或结构

利用共振原理做成的吸声结构称为共振吸声结构，如薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微孔板共振吸声结构。

适用于对低频、中频噪声的吸收。

（1）薄板吸声结构

常见的薄板吸声材料或结构有：

三夹板、五夹板和木丝板等，相邻薄板之间存在封闭的空气层。

薄板起质量块作用，空气层起弹簧作用，由此发生振动，并消耗声能。

共振频率：

fo＝

√

（6－15）

式中：

c－声速（m/s）

ρ0－空气密度（kg/m3）

m－薄板密度（kg/m3）

h－相邻薄板之间空气层厚度（m）

由式6－15可知：

薄板共振结构的共振频率主要取决于板的密度与空气层厚度。

而共振效果与薄板厚度、空气层厚度以及薄板材料强度有关：

板越薄、空气层越厚、薄板强度约小，则共振降噪效果越好。

薄板共振的主要缺点是吸声频率窄、吸声系数不高（α’＝0.2～0.5）。

改善措施有：

增加结构阻尼，如使用海绵条或毛毡等；在相邻薄板的空腔中设置矿物棉或玻璃棉毡等。

（2）穿孔板共振吸声结构

穿孔板吸声结构有单孔共振吸声结构和多孔共振吸声结构两种。

单孔共振吸声结构

单孔共振吸声结构是一个封闭的空腔，在腔壁上开一个小孔与外界空气相通。

其吸声原理也是质量块和弹簧的振动。

使用条件：

颈口尺寸必须比空腔尺寸小很多，且声波的波长λ大于空腔尺寸。

基本特点：

吸声频带窄，适用于对低频噪声的吸收。

共振频率：

fo＝fo＝

√

（6－16）

式中：

S－小孔截面积（，m2）

V－空腔体积（m3）

Lk－小孔有效颈长（m）

L－颈口实际长度,板厚（m）

d－颈口直径（m）

在颈口处放置玻璃棉等多孔材料或加贴一薄层尼龙布等透声结构，可增加颈口处的摩擦阻力，从而增宽吸声频带，提高吸声降噪效果。

多孔共振吸声结构

是单孔板共振器的并联组合。

其吸声的原理类似于单孔吸声板，但吸声状况和效果大大改善。

吸声带况：

设共振频率fo处的最大吸声系数为α’，则在fo左右能够保持吸声系数为α’/2的频带宽度Δf为吸声带宽。

穿孔板吸声结构的Δf一般为50HZ～300HZ。

改善措施：

穿孔板孔径取偏小值，提高孔内阻尼；板后盖一层透声纺织品，增加孔颈的摩擦；空腔内填充多孔吸声材料；组合不同尺寸的共振吸声结构，加宽吸声频带；采用不同的穿孔率、不同腔深的多层穿孔板结构。

设计：

板厚：

2～5mm，孔径：

2～10mm；穿孔率：

1～10％；腔深：

100～250mm

（3）微孔板吸声结构

吸声原理也属于共振，利用空气气流在小孔中的来回摩擦来消耗声能、利用腔深控制吸声峰值的共振频率，由于孔径小因此声阻显著增加，提高了吸声系数，曾宽了系数频带宽度。

结构：

金属薄板厚度<1mm、孔径<1mm，穿孔率为1～4％。

材料为铝板或钢板。

可以是单层、双层或多层。

微孔板共振系数结构的基本优点为吸声系数高（可以达到0.9以上）、吸声频带宽（4～5倍频程）、耐恶劣环境、结构简单。

缺点为孔径太小；容易堵塞；成本较高。

典型设计参数：

孔径为0.5～1mm，穿孔率为1～4％；腔深为5～20cm。

应用于高速气流干道、高温潮湿和腐蚀性的环境吸声。

4，吸声技术的应用场合

吸声法适用于混响声为主的情况。

如在车间体积不太大，内壁吸声系数很小，混响声较强，接受者距离声源较远时，可以采用吸声处理来获得较理想的降噪效果。

而在车间体积很大的情况下，类似声源在开阔空间辐射噪声或接受者距离声源较近，直达声占优势时，吸声效果不会明显。

二、隔声

使用构件将噪声和接受者分开，阻断空气中声波的传播，从而达到降噪的目的的措施称为隔声。

1，隔声原理

图6－4隔声基本原理示意图

声波在通过空气的传播途径中，碰到一匀质屏蔽物时，由于两分界面的特性阻抗的改变，使得部分声能被屏蔽物反射回去，一部分被屏蔽物吸收，另一部分可以透过屏蔽物到另一空间去，从而降低了噪声的传播。

隔声的效果用透声系数和隔声量表示；具有隔声效果的称为隔声材料或构件。

2，透声系数和隔声量

（1）透声系数

隔声构件本身的透声能力可以用透声系数τ表示。

τ＝Wt/W（6－17）

式中：

Wt－透射声功率，W

W－入射声功率，W

（2）隔声量

一般隔声构件的τ很小，约为10－1～10－5，使用不方便，因此采用隔声