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噪声与振动控制技术讲义

第二章污染物控制技术

3噪声与振动控制技术

3.1绪论………………………………………………………………………………………………2

3.1.1噪声的定义及分类…………………………………………………………………………2

3.1.2噪声的危害…………………………………………………………………………………3

3.1.3噪声控制的基本途径………………………………………………………………………4

3.2噪声的基本特征…………………………………………………………………………5

3.2.1噪声物理特征………………………………………………………………………………5

3.2.2噪声的声学特征……………………………………………………………………………7

3.2.3平面波、球面波和柱面波…………………………………………………………………8

3.3吸声和室内声场……………………………………………………………………10

3.3.1吸声系数和吸声量…………………………………………………………………………10

3.3.2吸声原理……………………………………………………………………………………10

3.3.3吸声材料和结构……………………………………………………………………………11

3.3.4室内声场和吸声降噪………………………………………………………………………13

3.4隔声与隔声结构……………………………………………………………………14

3.4.1隔声结构…………………………………………………………………………………………14

3.4.2隔声装置……………………………………………………………………………………………15

3.5消声技术……………………………………………………………………………16

3.5.1消声器的分类………………………………………………………………………………16

3.5.2阻性消声器…………………………………………………………………………………16

3.5.3抗性消声器…………………………………………………………………………………17

3.5.4阻抗复合式消声器…………………………………………………………………………18

3.6隔振和阻尼…………………………………………………………………………18

3.6.1隔振…………………………………………………………………………………………18

3.6.2阻尼…………………………………………………………………………………………20

3.7城市区域环境噪声控制……………………………………………………………21

3.7.1城市区域环境噪声…………………………………………………………………………21

3.7.2城市噪声控制………………………………………………………………………………23

3.8部分机电设备噪声控制……………………………………………………………24

3.8.1风机噪声控制………………………………………………………………………………24

3.8.2冷却塔噪声控制……………………………………………………………………………26

3.8.3内燃机噪声控制……………………………………………………………………………28

3.8.4水泵房的噪声治理…………………………………………………………………………29

3.8.5中小型空压站的噪声控制…………………………………………………………………30

3噪声与振动控制技术

3.1绪论

3.1.1噪声的定义及分类

3.1.1.1噪声的定义

人们一般把声音分成乐声和噪声。

物理学的观点是把节奏有调，听起来和谐的声音称为乐声，而把杂乱无章，听起来不和谐的声音称为噪声。

心理学的观点认为噪声和乐声是很难区分的，它们会随着人们主观判别的差异而改变。

因此，人们将使人烦躁、讨厌、不需要的声音都称之为噪声。

噪声是声的一种，它具有声波的一切特性，通常我们把能够发声的物体称为声源，产生噪声的物体或机械设备称为噪声源，能够传播声音的物质称之为传声媒质。

人对噪声吵闹的感觉，同噪声的强度和频率有关，频率低于20Hz的声波称为次声，超过20000Hz的称为超声，次声和超声都是人耳听不到的声波。

人耳能够感觉到的声音（可听声）频率范围是20～20000Hz。

物理学上通常用频率、波长、声速、声压、声功率级及声压级等概念和量值来描述声的一般特性。

衡量噪声强弱或污染轻重程度的基本物理量是声压、声强、声功率。

由于正常人的听觉所能感觉的声压或声强变化范围很大，因此采用了以常用对数作相对比较的“级”的表述方法，分别规定了“声压级”、“声强级”、“声功率级”的基准值和测量计算公式。

它们的通用单位计为“分贝”，记作“dB”。

在这个基础上，为了反映人耳听觉特征，附加了频率计权网络，如常用的A计权，记作dB（A）。

对于非稳态的噪声，目前一般采用在测量采样时间内的能量平均方法，作为环境噪声的主要评价量，简称等效声级，记作“Lep-dB（A）”。

3.1.1.2噪声的分类

一般情况下，按噪声的强度可分为过响声、妨碍声、不愉快声、无影响声等；按噪声源的不同分为城市环境噪声、工业噪声和交通噪声3种。

（1）工业噪声污染源

工业噪声是指在工业生产过程中，由机械设备运转、工业操作和物料传输等发出的噪声。

工业噪声大都会在75～95dB（A）左右，有一些机械的噪声级甚至可达到120dB（A）以上，是我国目前城市环境噪声污染的主要来源之一。

与交通噪声、建筑施工噪声、社会生活噪声相比，工业噪声具有长期固定的作用地点和时间，因而很容易引起厂群矛盾。

噪声污染是一种能量污染，由发声物体的振动向外界辐射的一种声能。

若声源停止振动发声，声能就失去补充，噪声污染随之终止。

工业噪声没有污染物的积累。

工业噪声的分类大致有以下3种：

按噪声的频率特性和时间特性分

a.高频噪声、低频噪声。

b.宽频噪声、窄频噪声。

c.稳态噪声、非稳定、不连续噪声和脉冲噪声等。

按噪声源的发声机理分

a.空气动力性噪声——由于气体振动产生，气体的扰动和气体与物体之间的相互作用产生这种噪声。

如鼓风机、空压机、燃气轮机、高炉和锅炉等设备气体放空时所产生的噪声。

b.机械噪声——由于撞击、摩擦、交变机械应力等作用而产生的噪声。

如球磨机、轧机、粉碎机、机床以及电锯等所产生的噪声。

c.电磁噪声——由于交变电磁场产生周期性的交变力，引起振动时产生的。

如电动机、发电机和变压器所产生的噪声。

按行业性质分

机械制造、矿山冶金、纺织轻工、石油化工、航空航天、建筑建材、发电、造船等。

在许多行业中，如供热、供电、供水、供气等部门的噪声问题具有一定的共性。

但是，不同的行业生产工艺和设备不同，噪声问题会表现出不同的特点，从而发展了多种多样的治理技术措施。

（2）交通运输噪声污染源

交通运输噪声污染源包括起动和运行中的各种汽车、摩托车、拖拉机、火车、飞机、轮船等。

交通噪声强度与行车速度有关，车速加倍，噪声级平均增加7～9dB；车流量增加1倍，噪声级平均增加2.7dB。

不同交通运输工具的噪声差别也大，载重车的噪声级可达90dB（A），而飞机起飞时在测点上的噪声达100dB（A）以上。

交通噪声主要来源于发动机壳体的振动噪声、进排气声、喇叭声以及轮胎与路面之间形成的噪声。

交通噪声是一种不稳定的噪声，声源具有流动性，影响面较广，约占城市噪声源的40％。

（3）建筑施工噪声污污染

建筑施工噪声污染源包括运转中的打桩机、打夯机、挖掘机、混凝土搅拌机、准土机、吊车和卷扬机、空气压缩机、凿岩机、木工电锯、运输车辆以及敲打、撞击、爆破加工等，在距声源15m外，噪声级高达80～105dB（A）。

建筑施工噪声具有多变娃、突发性、冲击性、不连续性等特点，不仅对附近居民干扰大，而且对现场操作人员的危害害也很大。

（2）社会生活噪声污染源

社会生活噪声污染源包括冷却塔、空调器、水泵、风机、排油烟机、高音喇叭、音响设备以及商业、交际和娱乐等社会活动和广泛使用的家用电器等。

虽然社会生活噪声户外平均声级不是很高（55～65dB），但给居民造成的干扰很大，城市中影响环境质量的主要污染源，其所占比例近50％。

3.1.2噪声的危害

噪声对人体的影响是多方面的，首先是在听觉方面。

噪声强度在70dB以上时，对人体的健康将有危害，最常见的是听觉的损伤。

人们在较强的噪声环境工作和生活时会感到刺耳难受，时间久了会使听力下降和听觉迟钝，甚至引起噪声性耳聋。

噪声不仅影响人们正常工作，妨碍睡眠和干扰谈话，而且还能诱发多种疾病。

噪声作用于人的中枢神经系统使大脑皮层的兴奋与抑制机能失调，导致条件反射异常，会引起头晕脑胀、反应迟钝、注意力分散、记忆力减退，是造成各种意外事故的根源。

噪声还影响人的整个器官，造成消化不良、食欲不振、恶心呕吐，致使胃溃疡发病率增高。

长期在高噪声车间工作的工人中有高血压、心动过速、心律不齐和血管痉挛等症状的可能性，要比无噪声时高2～4倍。

噪声对视觉器官也会造成不良影响。

此外，强烈的噪声影响会使仪器设备不能正常运转，灵敏的自控、遥控设备会失灵或失效。

特强的噪声还能破坏建筑物。

3.1.3噪声控制的基本途径

声学系统的主要环节是声源、传播途径、接受者。

因此，控制噪声必须从这三方面系统综合考虑，采取合理措施，消除噪声影响。

3.1.3.1噪声源治理

噪声源控制是最根本、最有效的手段，可以彻底消除噪声。

但从声源上根治噪声是比较困难的，而且受到各种环境和条件的限制。

然而，对噪声源进行必要的技术改造还是可行的。

（1）改进机械设备结构，运用各种新材料、新工艺生产出一些内摩擦较大、高阻尼合金、高强度塑料、陶瓷生产机械及零部件。

（2）改革工艺和操作方法。

例如，用低噪声焊接代替高噪声铆接，采用液压装置代替机械传动等。

（3）提高零部件加工精度，使机件之间尽量减少摩擦；提高装配质量，减少重心偏移，可减小偏心振动。

3.1.3.2在噪声传播途径上的降噪

当在噪声源上治理效果不理想时，可考虑在噪声传播途径上采取措施，主要包括吸声技术、隔声技术、消声技术、阻尼技术等。

除此之外，还要注意以下几种方式的应用。

（1）利用地形和声源的指向性降低噪声。

（2）利用绿化降低噪声。

（3）利用噪静分开的方法降低噪声。

3.1.3.3接受者保护

在机械多而人员少或机械噪声控制不理想、不经济的情况下，控制噪声还可以采取对接受者进行个体防护的措施，这是一种经济而有效的措施。

常用的防声器具有耳塞、耳罩、头盔、防声棉等，它们主要是利用隔声原理来阻挡噪声传入人耳。

3.2噪声的基本特征

3.2.1噪声物理特征

3.2.1.1声音的产生

声音来源于物体的振动，“制造”声音的振动着的物体称为声源。

这里需要指出的是，声源不一定是固体，液体和气体振动同样可以发出声音，如海浪声、汽笛声就是由这些流体发出的。

声源发出的声音必须通过中间媒质才能传播出去。

声源的振动带动了与它相邻近的空气层中的气体分子（质点），使它们产生压缩和膨胀运动。

由于这些气体分子之间有一定的弹性，这一局部区域的压缩和膨胀又会促使下一邻近空气层气体分子发生同样的压缩和膨胀运动。

如此周而往复，由近及远相互影响，就会使振动以一定速度沿着媒质向各个方向传播出去。

当这种振动传播到人耳时，引起人耳的鼓膜的振动，通过听觉机构的振动，刺激人的听觉神经而使人有了声音的感觉。

这种向外推进着的空气振动称为声波，也就是说，声波是依靠介质的质点振动向外传播声能，而介质的质点只是振动但不移动，是振动的传递，所以声音是一种波动。

有声波传播的空间叫声场。

在声场中人们最熟悉的传声媒质是空气，除此以外，液体和固体也都能传播声音。

声波传播过程中，若媒质质点的振动方向与声波的传播方向相平行，称为纵波。

若媒质质点的振动方向与声波的传播方向垂直，则称为横波。

3.2.1.2频率、波长与声速

物体振动产生声音，如果物体是周期性振动，那么媒质质点的振动状态也呈周期性变化。

我们把质点振动状态相同的两个相邻层之间的距离称为声波的波长，记作λ，单位是米（m）。

振动状态的传播需要一定的时间，这种振动状态（或能量）在媒质中自由传播的速度叫声速，记作c，单位是米/秒（m/s）。

而周期性物体每振动一次所经历的时间称为周期，记作T，单位是秒（s）。

而物体在1s内振动的次数称为频率，记作ƒ，单位是赫兹（Hz），单位是次/秒，1Hz＝1s-1，它是周期的倒数，即ƒ=1/T。

该式表明，每秒钟振动的次数越多，频率越高，人耳听到的声音就越尖，或者说音调越高。

如果媒质质点振动的频率是ƒ，则有c＝땃，表明媒质质点每振动一次，声波就向前移动一个波长λ，在1s内质点振动了ƒ次，因而1s内声波向前移动了땃的距离，这也就是声波的传播速度。

另外还表明，声波波长与频率成反比，频率愈高，波长愈短；频率愈低，波长愈长。

也就是说，声波的频率或声源振动的频率决定了声波的波长。

人耳听阈的频率范围20～20000Hz，相应的波长从17m到1.7cm。

由此可见，如此宽的频率范围，给噪声控制带来很大的困难。

必须指出，声速不是质点振动的速度，而是振动状态传播的速度。

它的大小与振动的常性无关，而与媒质的弹性、密度以及声场的温度有关。

通常室温下（15℃）声音在空气中的传播速度为340m/s，100～4000Hz的声音的波长范围约在3.4～8.5cm之间，次声和超声不能使人产生听觉。

3.2.1.3声压、声强和声功率

（1）声压与声压级

当没有声波存在，大气环境处于相对静止状态时，空气每一媒质质点的压强为一个标准大气压Pa。

当有声音传入时，局部空气产生压缩和膨胀，在压缩的媒质层上压强增加，在膨胀的媒质层上压强减小。

这样就在原来的大气压上又叠加一个压强的变化。

这个叠加上去的压强变化是由声波的存在而引起的，所以被称为声压，用р表示，单位是帕斯卡（Pa），1р＝1N/m2。

在一个声场里任一媒质层质点的声压都是随时间变化而变化的，每一时间点（瞬时）的声压称为瞬时声压，某段时间内声压的均方根值称为有效声压，用рe表示。

空气中传播的声波，在1000Hz时，正常人的听阈声压为2×10-5Pa，痛阈声压为20Pa，由于正常人的听阈的声压与痛阈的声压大小之间相差1OO万倍，不方便表达和应用，因此采用了以常用对数作相对比较的“级”的表述方法。

用对数表示的声压就称为声压级，用Lp表示。

若把声压以10倍为一级划分，那么从听阈到痛阈可划分100、101、102、103、104、105、106七个级数。

此时各声压的比值是10n形式，级就是n的数值，但数值过少，所以都乘以20，这时声压的变化范围为0～120，即Lp=20lg（P/P0），表明声压每变化10倍，相当于声压级变化20dB。

（2）与声强级

声波的强弱有多种不同的描述方法，可以测量振动位移、振动速度等，但最方便的是测量声波的声压。

除此之外，往往还需要知道声源振动发出噪声的声功率，这时就要用到声能量和声强来描述。

任何运动的物体包括振动物体都能够做功，声音的产生与传播也必定伴随着振动能量的传递。

当声波向四周传播时，振动能量也跟随转移。

我们把声音传递的振动能量叫做声能量。

在声波传播方向上单位时间垂直通过单位面积的声能量，称为声强，用I表示，单位是瓦特/平方米（W/m3）。

声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。

与声压一样，声强也可以用级来表示，即声强级L1，单位是分贝（dB），定义为两个声强之比的对数，再乘以10，即L1=lg（I/I0）L1。

（3）声功率与声功率级

所谓的声功率是指声源在单位时间内辐射的总能量，通常用W表示，单位是瓦特（W）。

声强与声源辐射的声功率有关，声功率愈大，在声源周围的声强相对也就愈大，两者成正比关系：

声功率是衡量噪声声源声能输出大小的基本量。

声功率不受距离、方向、声场条件等因素影响，所以被广泛用于鉴定和比较各种声源。

在一般声学测量中，直接测量声强和声功率的设备比较复杂和昂贵，常常在某种条件下可以通过利用声压测量的数据计算得到。

声功率也可以用声功率级Lw表示，单位是分贝（dB）。

若声源功率为W，其声功率级为

Lw=10lg（W/W0）W0为基准声功率，W0=10-12W

（4）噪声级的叠加

如果有多个不同的声源同时在同一个声场中，若它们在离声源相同距离的某一点上所产生的振动时而加强，时而减弱，其结果与它们没有相互发生作用时一样，这样的声波叫不相干波。

我们平常所遇到的噪声大多是不相干波。

根据能量叠加的法则，n个不相干波叠加后的总声压（有效声压）的平方是各声压平方的和。

两个数值相等的声压级叠加时，比原来增加3dB，而不是增加一倍。

3.2.1.3噪声的频谱与声源的指向性

（1）噪声的频谱

一个单一频率的简谐声信号叫纯音。

如果声压随时间变化都是呈正弦曲线形式，那么这声音一定是只含有单一频率的纯音。

只有音叉、音频振荡器等少数声源才能发出纯音，而一般我们听到的其他声音，尤其是噪声，都是由多种频率声波组成的复合声波。

组成复合声波的频率成分及各个频率成分上的能量分布是不同的，我们把频率成分与能量分布的综合量称为声音的频谱。

噪声的频率特性，常用频谱来描述。

而描述方法通常是坐标法，即用横轴代表频率，纵轴代表各频率成分的强度（声压级、声强级和声功率级），这样绘出的图形称为频谱图。

频谱图能反映噪声能量在各个频率上的分布特性。

在作频谱分析时，为方便起见，将噪声的频率范围分成若干个相连的小段，每一小段叫做频带或频程。

根据精度要求，频带的带宽可窄可宽，且每一小段内声能量被认为是均匀的。

（2）噪声源的指向性

在自由声场中，噪声源辐射强度的分布情况称为噪声源的指向性。

当声源的尺寸大小比波长小很多时，可以看作噪声源是无指向性的点声源，即在距声源中心等距离处的声压级相等。

当声源的尺寸大小与波长相近或更大时，则噪声源被认为是由许多点声源组成的，在距声源中心等距离不同方向的空间处的声压级不相等。

因而叠加后各方向的声能辐射量各异，具有指向性。

声源的尺寸大小与波长之比越大，指向性就越强。

通常用极坐标图来表示声源的指向性：

在同一极坐标图中，同一曲线上的各点具有相同的声压级。

指向性愈强，声能就愈集中于声源辐射的轴线附近。

室内建筑设计、音响布置等，都要考虑声源的指向性。

还要强调的是，频率愈高，指向性愈强。

3.2.2噪声的声学特征

3.2.2.1等响曲线与响度级

人耳对于不同频率声音的主管感觉是不同的，为了使人耳对频率的感觉与客观声压级联系起来，人们采用响度级来定量地描述这种关系，它是以1000Hz纯音为基准，通过试听比较的方法来定出声音的响度级。

响度级的定义是以频率1000Hz的纯音的声压级为其响度级。

对频率不是1000Hz的纯音，则用1000Hz的纯音与之进行试听比较，调节1000Hz纯音的声压级，使它和待定的纯音听起来一样响，这时的1000Hz的声压级就是这一纯音的响度级记为LN，单位是“方”，符号为phon。

把各个频率的声音都作这样的试听比较，再把听起来同样的响应声压级按频率大小连成一条条曲线，这些曲线被称为等响曲线，在同一条曲线上的每个频率的声音感觉一样响，它们的响度级都是这条曲线上1000Hz处的声压级值。

由等响曲线可以得出各个频率的声音在不同声压级时，人们主观感觉出的响度级是多少。

由定义可知，响度级也是一种对数标度单位。

不同响度级的声音不能直接进行比较。

比如：

响度级由20phon增加到40phon，并不意味着40phon声音比20phon声音加倍响。

3.2.2.2响度

响度级只反映了不同频率声音的响度感觉，且其单位“方”仍基于客观量“分贝”，还不能表达出一个声音比另一个声音响多少倍的那种主观感觉。

而响度就是人们用来描述声音的主观感觉的量，用N表示，单位是“宋”，符号为sone。

它的定义是1000Hz纯音，声压级为40dB的响度为lsone。

2sone的声音是40phon声音响度的2倍，0.5sone的声音是40phon声音响度的1/2，……对许多人来讲，大约响度级每改变lOphon，响度感觉就增减一倍。

响度涉及人的主观感受，所以两个声音叠加时，不能将响度值作代数相加，而是需要借助实验得出的频率加以修正，才能得到总响度。

3.2.2.3斯蒂文斯响度

如果有两种声音同时存在，它们就会相互干扰，使人分辨不清。

其中一个声音感觉会因为另一个声音所干扰，使该声音听阈提高，这种现象称为掩蔽效应，提高的分贝数值称为掩蔽阈。

假定对声音A的阈值已经确定为50dB，若同时又听到声音B，人们发现，由于声音B的存在使声音A的阈值提高到64dB，即比原来的声音提高14dB才能被听到。

一个声音的阈值因另一个声音的出现而提高听阈的现象称为听觉掩蔽。

上例中，声音B称为掩蔽声，声音A称为被掩蔽声，14dB称为掩蔽阈。

注意：

掩蔽效应与听觉传导系统无关，它是神经系统判断的结果。

对于宽频带的连续谱噪声的响度计算方法，国际标准化组织推荐斯蒂文斯（Stevens）和茨维克（Zwicker）方法（ISO532）。

两种方法的计算结果比较接近，一般后者比前者高5dB，茨维克法的精确度高一些，但计算方法复杂得多，在欧洲使用较多，而在我国通常采用斯蒂文斯法。

斯蒂文斯法考虑到不同频率噪声之间会产生掩蔽效应，得出了一组等响度指数曲线，并认为响度指数最大的频带贡献最大，而其他频带由于前者的掩蔽而贡献减小。

3.2.3平面波．球面波和柱面波

3.2.3.1声音的衰减

声源的振动在传播过程中，其声压、声强随着传播距离的增加而逐渐衰减。

造成这种衰减的原因有两个：

一个是传播衰减，另一个是空气对声波的吸收。

（1）传播衰减。

声波在传播过程中波振面不断扩展，距声源的距离愈远，波振面的面积愈大，这样在声能不变的情况下，通过单位面积的能量就相应减少。

像这样由于波振面扩展而引起的声强随距离增加而减弱的现象称为传播衰减。

（2）空气对声波的吸收。

在噪声传播过程中，空气也能对声波能量产生吸收作用而引起声强的减小，距离越远，声能被吸收得越多。

高频声波比低频声波衰减得快，当传播距离较大时其衰减值是很大的，因此，高频声波是传不远的。

在远处听到的强噪音（如飞机、枪炮声等）都是比较低沉的，这是因为在传播过程中高频成分被吸收衰减较快的缘故。

除了空气能吸收噪声外，其他一些材料例如泡沫塑料、玻璃棉、毛毡等也会吸收声音，称为吸声材料。

当声波通过这些多孔性吸声材料时，由于材料本身的内部摩擦和材料小孔中的空气与孔壁之间的摩擦，使得声能受到很大的吸收而衰减，所以这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能。

3.2.3.2声音的反射、干涉、折射．绕射

（1）声波的反射。

声波在传播过程中经常会遇到障碍物，由于这两种媒质的声学性质不同，一部分声波透射到障碍物里去，另一部分从障碍物表面反射回去。

利用媒质不同的特性阻抗可以达到减噪的目的。

例如，由于在室内安装的机器的噪声会从墙面、地面、天花板及室内各种不同物体上多次反射，这种反射声的存在，相当于噪声源声压级提高10～15dB。

为了减少室内反射声波的影响，可以考虑在室内墙壁上覆盖一层吸声性好的材料，这样就可以大大降低反射声。

（2）声波的干涉。

多个声波同时在一种媒质中传播，当它们相遇时，在相遇区内任意一点上的振动是两个或多个声波引起的振动合成。

振幅、频率和相位都不同的声波，在叠加时比较复杂。

如果是两种声波的频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差固定，那么这两列波叠加时，在空间某些点振动加强，另一些点振动减弱或抵消，这种现象称为声波的干涉现象。

产生干涉现象的声源称为相干声源。

干涉现象在噪声控制技术中被用来抑制噪声。

（3）声波的折射。

声波在传播途中遇到不同媒质的分界面时，除发生反射外，还会发生折射，声波折射时方向将会改变，声波从声速大的媒质折射入声速小的媒