建筑声环境及其测量.ppt

1 第六章建筑声环境及其测量 兰州理工大学土木工程学院建环教研室2012年 2 声音及其表征声音的特征参数 噪声 noise 及其来源和危害衡量噪声的物理 量度 参数 主观评价和噪声标准 噪声测量的方法 仪表 学习和掌握的内容 Keys 3 6 1环境噪声及其危害 声音产生 传播的条件声源 振动的固体 液体 气体 传播介质 弹性媒质或介质 如空气 水等声音 源自物体的振动 声源 而产生的 通过弹性介质向外传播的一种机械波 因此 当该机械波传入人耳 引起鼓膜振动 经过听觉器官的 译码 转换并且传送 信息 到听觉神经 从而产生听到 声音 的感觉 声音是什么 Note 声音不在真空环境中传播 4 基于能量角度 它是交变压力波 如图所示 声源的质点是振动非移动 向外传播声能 由于空气分子的振动方向和声波的传播方向是相同的 声音是纵波 周期 T 声源完成一次振动所需的时间 s 频率 f 1 T Hz 人耳的声音频率范围 20 20kHz 带宽 f fH fL 中心频率fc fH fL 1 2波长 一个周期内 声波所传播的距离 m 声速 C 声音传播的快慢程度 m s C T 在空气中 一般所涉及声速C是指在声音在弹性媒质 空气中的传播速度 5 声音以扩散波的形式传播 当其遇到两种弹性介质的分界面时 会产生反射 透射和吸收现象 因此 反射率r较小和吸收率 较大的材料 适合做消声材料 表征声音品质的参数 1 音量 又称音强 是指人耳对所听到的声音大小强弱的主观感受 2 音调 是指声音频率的高低 3 音色 又称声音的特色 泛指人耳对声音的综合感觉特性 噪声 Noise 凡是人们 不愿意 听到的各种声音的统称 是声音的特殊表现形式 6 建筑物内噪声的来源室外环境噪声的传入主要有交通运输工具 包括公路车辆 铁路火车 航空飞机 船舶等 运行 工厂噪声 建筑施工噪声 商业噪声和社会生活噪声等 透射能量E 经空气和围护结构传播 建筑自身内部的噪声主要有建筑设备 如中央空调系统的各种设备 电梯等 运行的噪声 办公设备运行的噪声 家电运行的噪声以及楼宇内的娱乐场所经营所产生的噪声 传入工作或者休息的室内 房间围护结构的撞击噪声主要有室内撞击声 人员活动所产生的楼板撞击声 室内水管 燃气管道中流体介质流动所产生的噪声等 7 环境噪声的危害对听觉器官的损害 感觉难受 耳鸣 噪音性或爆震性耳聋 引发多种疾病 作用于中枢神经系统 导致1 大脑皮层的兴奋和抑制失衡 2 头疼 昏晕 失眠 乏力和神经衰弱 3 心血管疾病 对正常生活的影响 降低睡眠质量 缩短睡眠时间 引发神经衰弱 阻碍儿童的健康成长 降低劳动生产率 导致人们心烦意乱 反应迟钝 工作极易疲劳 工作质量和效率大为降低 还容易引起工伤事故 能造成生物死亡 导致生物的生物钟紊乱 产生恐慌和惊悸等 损坏建筑物 声音是交变的压力波 声压级越高 产生的 轰声 能量越高 破坏力越强 8 决定噪声对人类影响程度的主要因素噪声强度 声压级或声强级 人们对噪声干扰的感觉随着噪声强度的增加而增加 还与噪声本身声压级与背景噪声级的差值相关 即差值越大 对人们刺激程度越强 噪声的持续时间噪声干扰程度不仅随着声音强度的增加而加剧 而且 随着噪声作用的持续时间的增长而加强 噪声随时间的变化情况噪声爆发得越突然 其干扰程度就越大 也就是说 声压的增长越快 dp dt的变化越大 所产生的干扰就越强 例如 爆炸声 枪炮声等 复合噪声的频谱特性在声压级相等的情况下 低频噪声的干扰比高频噪声要小 单一频率噪声的干扰比复合频率噪声要弱 此外 噪声所包含的信息量 人们对噪声的记忆与联想 以及人们的年龄 健康状况等 均影响着噪声对人们的干扰程度 9 1 声强I衡量声波在传播的过程中 声音强弱的物理量 其定义为 在单位时间内 通过垂直于声音的传播方向上的单位面积上的平均声功率的大小 W m2 物理意义 垂直于声音的传播方向 在单位时间内 通过单位面积上的声音能量大小 即单位面积上的声功率的大小 Note 声源的声功率 W 声源设备的电功率 kW 对于平面波 在无反射的自由声场里 由于在声波的传播过程中 其传播路线相互平行 声波通过的垂直它的传播方向上的所有面积均相同 因此 同一束平面声波通过与声源距离不同的表面时 声强不变 6 2衡量噪声的物理 量度 参数 10 对于球面波 点声源 随着球面波与声源的距离的增加 其所接触的面积也随之增大 所以 I与声源的能量成正比 与到声源的距离平方成反比 即 d r 2r 3r I I0 I0 4 I0 9 11 声音是一种可以对人耳和大脑产生影响的气压变化 对此 人耳的听觉范围有一个确切的数据范围 该范围称之为 阙 可闻阈 听阈 人耳刚能感受的声音 p0 2 10 5Pa I0 1 10 12W m2痛阈 闻之 人耳则痛 p 20Pa I 1W m2 12 2 声压p声压是指声波在 空气 介质中传播时 介质中的压强相对于无声波时介质压强的改变量 Pa声压p与声强I密切相关 对于球面声波或平面声波 即自由声场 若测得声场中某一点的声强I 该点处介质的密度 及声速v 就可计算出该点的声压p Exanple 对应于声强I为10 12W m2的可闻阈 其声压p约为2 0 10 5Pa 13 引入的必要性1 使用W m2 Pa时 导致计算数据的范围变化太大 如 1 10 12W m2 1W m2 2 10 5Pa 20Pa 不方便 2 人的听觉响应与声强 声压呈对数关系 引入 级 声强级声压级 声强级与声压级 其中 I0 10 12W m2 p0 2 10 5Pa作为参考基准 LI0 Lp0 0dB 由定义可知 LI Lp 在实际噪声测量中 经常使用Lp 14 声强 声压和对应的声强级 声压级以及与其相对应的声学环境 15 3 声功率和声功率级 声功率W 表征声源所发射声音能量大小的参数 声源在单位时间内对外所辐射的声能 即在全部可听范围 20 20kHz 所辐射的功率 单位W 也可特指在某个有限频率范围 fL fH 所辐射的功率 亦称频带声功率 属于声源本身的一种特性 一般可认为是不随环境条件而改变的 一般而言 所有声源的平均声功率都是很微小的 例如 一个人在室内讲话 自己感到比较合适时 其声功率大致是 1 5 10 5W 400万人同时大声讲话产生的功率只相当于一只40W灯泡的电功率 基于W的数量而言 16 声功率级与声压一样 也可以用 级 来表示几种不同声源的声功率 17 若干个声源的声压级叠加 非线性 n个声源叠加 I P W声级同理 当n个声源均相同时 可得Example 两个相同声源叠加 声压级增加了10lg2 3dB 18 Note 两个不同声源进行叠加 当它们的声压级差超过10 15dB 可以忽略声压级较小的声音对叠加音效果的影响 19 6 3噪声的频谱特性 频程 为了便于研究 把声频范围划分成若干个频段 如 fL1 fH1 fL2 fH2 fLn fHn 称作频程或频带 倍频程 对于任意两个带宽 f1 fH1 fL1 f2 fH2 fL2的频带而言 f2 f1的比值为整数比的频程 如2 1 一般用中心频率fc fH fL 1 2来划分频带 其标准值分别为 31 3 31 25 63 62 5 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000Hz 这10个倍频程将人耳可以识别的声音全部包括进来 一般的噪声测控 仅8个 20 Example 人耳可以听见的范围为20 20000Hz 人耳听不见的范围20Hz以下 次声波 20000Hz以上 超声波 纯音 单一频率的声音 复合声 包含多个频率的声音 21 6 4噪声的主观评价和噪声标准 响度级 等响曲线由于人耳对声音的感受不仅与声压相关 也和声频有关 即 声压级相同 或不同 而频率不同 或相同 的声音听起来的效果是不一样的 因此 参照声压级 引入与声频相关的参数 响度级 单位为方 phon 来综合描述对声压 声频对人耳的作用效果 响度级 将1000Hz的纯音作为基准声音 若某一声音听起来与该纯音一样响 则该纯音的声压级数值 dB值 就定义为该声音的响度级 phon值 例如 若某个声音听起来与声压级数值为60dB 频率1000Hz的纯音一样的响 则该声音的响度级就是60phon 将频率不同 声压级数值不同 但是听起来响度一样的各种声音的声压级数值对应地连成曲线 即得到响度 phon 曲线 22 分析可知 图中每一条曲线的点 其频率和声压级数值均不同 但是 响度级数值是一样的 例如 S1 S2 S3均位于响度值为40phon的曲线上 其中 f1 3500Hz Lp1 33dB f2 1000Hz p2 40dB f3 100Hz Lp3 52dB 人耳对高频声 2000 5000Hz 比对低频声敏感 23 噪声评价曲线 NR NoiseRating 基于等响曲线 为模拟人耳对声音响度的感觉特性 在声学测量仪表 声 压 级计上设计了三种不同的计权网络 分别模拟人耳对40phon 70phon和100phon的纯音的反应 而得到A B C三种计权方式 即LpA LpB LpC 用A计权方式测得的噪声级称作A声级 记作dB A 由于通常环境噪声的响度多在40方上下 故A声级能够较好地反映人对噪声的主观反应 24 由于实际测量噪声时 声级计所获取的声压级数值为LA dB A LA NR 5dB例如 测量值为90dB A 相当于NR85 dB ISO提出了将NR曲线作为标准 来合理评价人们对于室外噪声的反应 如图所示 NR曲线中的NR值是指曲线通过中心频率为1000Hz的各声压级的数值 例如 NR100 表明在NR100曲线上 各倍频程 31 5 16000Hz 的声压级允许值为100dB NR 目前 我国和欧洲都是使用NR来评价噪声的危害 25 我国的室内噪声标准 房间类型NR dB A声级dB A 卧室 书房 病房35 45 40 50起居室40 45 40 50语言教室35 40一般教室45 50门诊室50 55 55 60手术室40 45 40 50宾馆客房30 45 35 50会议室3035学术报告厅 阅览室2530办公室3540宴会厅3540 26 6 5噪声的测量 一 声级计 SoundLevelMeter SLM 声级计的工作原理声级计的分类使用声级计的注意事项二 其它噪声测量仪器声级频谱仪脉冲积分声级计声级记录仪噪声统计分析仪三 测量噪声的方法 27 1 声级计 SLM 的测量原理由传声器 放大器 衰减器计权网络 检波器 对数变换器 示波器 声级记录仪及显示仪表等部分组成 测量过程 被测声音的声压由电容传声器接收后 将声压信号转换成电信号 传至前置放大器 由于传声器接收来的信号一般是微弱的 在进行分析前必须加以放大 进行信号放大且作阻抗变换 再送到输入衰减器进行量程控制 然后 由计权网络 A B C 进行计权 经过对数转换 输出所测声音对应的声压级数值 dB A 28 计权网络分为A B C几种 通过计权网络 测得的声压级 被称为计权声压级或简称为声压级 对应不同计权网络分别称为A声级 LA B声级 LB 和C声级 LC 并分别记为dB A dB B 和dB C 29 声级计的分类根据精度的不同 分为普通声级计 如图所示它对传声器要求不高 动态范围较狭窄 f 一般不与带通滤波器相联用 精密声级计其传声器要求频响范围广 灵敏度高 稳定性能好 且能与各种带通滤波器配合使用 其输出还可直接和声级记录仪 录音机等相连接 可将噪声信号显示或储存起来 30 使用声级计的注意事项声级计每次使用前 都要用声级校正设备对其灵敏度进行校正 常用的校正设备有声级校正器 它发出一个1000Hz的纯音 当其套在传声器上时 会在传声器膜片处产生一个恒定的声压级 通常为94dB 另一种校正设备为 活塞发声器 其信号频率为125Hz 同样产生一个恒定声压级 通常为124dB 所以 在校正时 声级计的计权网络必须放在 线性 档或 C 档 除特殊场合外 测量噪声时 一般传声器应离开墙壁 地板等反射面一定的距离 在进行精密测量时 为了避免操作者干扰声场 可使用延伸电缆 使得操作者远离传声器 测量时 当背景噪声较大 则会产生测量误差 若被测噪声出现的前后 其差值在10dB以上 则可忽略背景噪声的影响 如背景噪声无变化则 需进行修正 测量时 若遇上强风 风会在传声器边缘上产生风噪声 给测量带来误差 在室外有风情况下使用 给传声器套上防风罩 可减少风噪声的影响 31 其它噪声测量仪器噪声测量中 若需要进行频谱分析 通常在声级计中配以倍频程滤波器 根据规定使用十档 即中心频率分别为31 5Hz 63Hz 125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz 8000Hz 16000Hz 脉冲积分声级计脉冲积分声级计是在一般的声级计的基础上增加了CPU 即增加了储存和计算功能 可以按一定采样间隔在一段时间内连续采样 最后计算出统计百分数声级和等效连续A声级 可以进行等效噪声级 单爆发声暴露级 振动级等测量 实际上已成了一台噪声分析仪 用于环境噪声的测量十分方便 32 声级记录仪声级记录仪是常用的记录设备之一 它能记录直流和交流信号 可用于记录一段时间内噪声的起伏变化 以便于对环境噪声作出准确评价 如分析某时段交通噪声的变化情况 也可用来记录声压级衰变过程 如测量房间的混响时间 磁带记录仪 录音机 可以把噪声记录在磁带上 加以保存或重放 33 噪声统计分析仪一种数字式谱线显示仪 能把测量范围的输入信号在短时间内同时反映在一系列信号通道显示屏上 这对于瞬时变化声音的分析很有用处 通常用于较高要求的研究 测量 型号很多 其中有用干电池可携带的小型实时分析仪 并具有储存功能 对现场测量 特别是测量瞬息变化的声音很方便 计算机应用于声学测量越来越广泛 经传声器接收 放大器放大后的模拟信号 通过模数转换成为数字信号 再经数字滤波器滤波或快速傅利叶变换 FFT 就可获得噪声频谱 对此由计算机作各种运算 处理和分析 可以得到各种所需的信息 最终结果可以很方便地存贮 显示或通过打印机打印输出 做到测量过程自动化 使显示结果直观化 大大节省人力 提高测量效率 可预计 将来的环境噪声的测量 将把计算机作为接收系统分析 处理数字信号的核心设备 34 三 测量噪声的方法 本专业经常遇到的是通风空调设备的噪音测量 以及工业企业生产过程中的噪声测量 工程中所测量的噪声参数 常常是指声源的声功率和声压级两个参数 声功率是衡量声源每秒所辐射出多少 声音 能量的数值 它与测点距离以及外界条件无关 是噪声源的重要声学参数 测量声功率的方法有混响室法 消声室或半消声室法 现场法 用这三种方法 测量空调设备或机器噪声的声功率 依据的机理就是声强I的定义 或 即 通过直接测量声场中的声压级 进而计算出被测设备的声功率 35 1 现场法 一般在设置有声源设备的机房或车间内进行 分为直接测量和比较测量两种 直接测量法 假定用一个空心的 且壁面足够薄的封闭物体将声源设备包围起来 测量该物体表面上各测点的声压级 求出测量表面的平均声压级 然后 就可以计算出声源设备的声功率级Lw 36 比较测量 采用经过实验室标定过声功率的任何噪声源 作为标准噪声源 LWS已知 一般可用频带宽广的小型高声压级的风机 在现场测量中 将标准噪声源放在被测声源设备附近 对标准噪声源和被测声源设备 各进行一次同一包围物体表面上各点的直接测量 然后 比较测量两者的声压级 从而得出被测声源设备的声功率大小 37 Note 工业企业的噪声测量 分为工业企业内部的生产噪声测量和对周围环境造成影响的噪声测量 生产车间内噪声的测量包括车间内部环境噪声和机器本身 噪声源 辐射噪声的测量 机器本身噪声的测量按照前述方法测量 对直接操作机器的工人健康影响的噪声测量 传声器应置于操作人员常在位置 高度约为人耳高处 但测量时人需离开 如为稳态噪声 则测量A声级 记为dB A 如为不稳态噪声 则测量等效连续A声级 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噪声的大小的方法 或测量不同A声级下的暴露时间 计算等效连续A声级 38 如果车间内各处A声级波动小于3dB 则只需在车间内选择1 3个测点 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 任意两区域的声级差应大于或等于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 测量时 SLM使用慢档 取平均数 要注意减少气流 电磁场 温度和湿度等环境因素对测量结果的影响 如果要观察噪声对工人长期工作的听力损失情况 则需做频谱的测量 39 对周围环境影响的噪声测量 要沿生产车间和非生产性建筑物外侧选取测点 对于生产车间 其测点应距车间外侧3 5m 对于非生产性建筑物测点应距建筑物外侧1m 测量时 传声器应离地面1 2m 离窗口1m 如果手持声级计 应使人体与传声器距离0 5m以上 测量应选在无雨 无雪时 特殊情况除外 测量时 声级计应加风罩以避免风噪声干扰 同时也要保持传声器清洁 四级以上大风天气应停止测量 非生产场所室内噪声测量 一般应在室内居中位置附近 选3个测点取其平均值 测量时 室内声学环境 门与窗的启与闭 打字机 空调器等室内声源的运行状态 应符合正常使用条件 40 思考题 1 声强和声压有什么关系 声强级和声压级是否相等 为什么 2 某一个声音的声强是3 16 10 4W m2 请计算这个声音的声强级 3 请计算一个声压级为72dB的声音的实际的声压值 4 某车间内有10台相同的车床 当只有1台车床运转时 车间内的平均噪声级是55dB 当有2台 4台及10台同时运转时 车间内的平均噪声级各是多少 5 某居住区与一工厂相邻 该工厂10台同样的机器运转时的噪声级为54dB 如果夜间的噪声级允许值为50dB 问夜间只能同时开启几台机器 41 思考题 6 求具有100dB声强级的平面波的声强与声压 已知 空气密度为1 21kg m3 声速为343m s 7 在有风的环境条件下测量环境中的噪声时应注意哪些事项 在何种情况下测量的结果可视为无效测量 8 简述噪声对建筑环境及人类的危害