EIAN10计算说明.docx
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EIAN10计算说明
1计算说明
1.1声音的性质和概念
1.1.1声音和噪声
声音是物体机械振动的传播，这种传播过程在传播媒质中形成的波动称为声波，声波波及的空间称为声场。
人耳仅能感受振动频率为20~20000Hz间的声波。
凡是人们不需要的声音统称为噪声。
媒质的弹性和惯性是传播声音的必要条件。
气体、液体或固体等一切弹性物质都可以成为声音的传播媒质。
在空气和水中，因流体只有体积弹性而没有切向恢复力，因而媒质质点的振动方向与声波的传播方向一致，这种声波称为纵波。
质点振动方向与波的传播方向相垂直的波，称为横波。
在固体媒质中，声波就可能以纵波，也可能以横波，或二者都存在的方式传播。
自声源画一些表示声波传播方向和传播途径的带有箭头的线，叫声线。
声波在传播过程中，所有相位相同的媒质质点（即所有运动状态相同的质点）形成的面叫声波的波阵面，波阵面总是与传播方向垂直的，也就是声线处处垂直于波阵面。
1.1.2声压、声速、波长
声波在媒质中传播时，因声扰动而产生的逾量压强称为声压，单位为帕斯卡（Pa）。
媒质中两个运动状态相同的相邻点之间的距离称为波长。
振动状态或它具有的振动能量在媒质中自由传播的速度称为声速，用c表示，单位m/s。
声速c、波长λ和频率f之间的关系为：
c=λf
声速c与媒质的温度t有关。
在空气中，其关系式为：
c=331.4+0.61t（℃）
因声波的传播有一定的速度，所以在声波传播方向上不同位置的媒质点的运动状态会有时间上的迟滞，理论上称为相位的不同。
1.1.3平面声波方程
以声压p来描述声波。
在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程为：
如果声压p只随x方向变化，在垂直于x轴的平面上是相位相等的波阵面，则上式简化成：
设想声源只作单一频率的简谐振动，则其振动方程可写成：
p（0,t）=P0cosωt
式中ω=2πf称为振动圆频率。
在x处，因声波是从x=0处传来的，因而其相位比x=0处落后。
设传播所需时间为t’，则t时刻x点的声压是（t-t’）时刻的0点的声压，即有：
式中，k=ω/c=2π/λ称为圆波数，即长为2π米的距离上所含的波长λ的数目。
传质质点的振动速度u可由牛顿第二定律和波动方程推导出：
定义ZS=p/u=ρc为媒质的声特性阻抗，单位是瑞利（ 帕秒/米）。
在1大气压，20℃时，空气的ZS为415瑞利。
1.1.4球面波与点声源
满足ka<<1条件（即声源的线度比其波长小得多）的声源均可称为点声源。
点声源辐射出的波阵面为以点声源为中心的一系列同心圆，称为球面波。
与平面波相仿，可得球面波的声压、质点振速方程为：
当观测点离声源距离r>>λ,即kr>>1时，可得：
此时的声压、质点振速方程与平面波十分相像，但是其幅值P0、U0不是常数，而是与r成反比的。
在满足r>>λ的条件下，可得出球面波声强方程：
而其声功率为：
设想声源半径为a，声源的表面振动速度幅值为Ua，并能满足ka<<1（即波长远大于声源半径），则可得出：
通常称Q=UaS=4πa2Ua为声源强度。
1.1.5声能量、声功率、声强
对于一块面积为S的平面波波阵面，其瞬时声功率为：
W=Fu=pSu
W的时间平均值为：
式中，P0、U0为声压和质点的速度的幅值，而Pe、Ue则是其有效值（即方均根值）。
在自由声场中，单位时间在垂直于波的传播方向上单位面积所通过的声能量，称为声强。
因此有：
（W/m2）
声场中媒质的单位体积内包含的声能量，称为声能密度，由这一定义结合声强的定义可得到声能密度的表达式：
（J/m3）
1.1.6反射、折射、透射
设媒质
的特性阻抗为ρ1c1，媒质
的特性阻抗为ρ2c2。
平面声波从媒质
射向媒质
与媒质
的分界面。
反射声压的幅值Pr与入射声压幅值Pi之比称为声压反射系数rp;透射声压的幅值Pt与入射声压幅值Pi之比称为声压透射系数τp。
由理论可推导出：
同样，声强的反射系数与透射系数为：
如果声波与媒质分界面不垂直，则入射角θi、反射角θr和透射角θt之间符合斯涅耳反射和折射定律：
如果c2>c1,则当θi增大到
时，产生全反射，无透射波，因此称θc为全反射临界角。
1.1.7声波叠加、驻波
在t时刻n个声源对观测点的总声压值（瞬时值）应为：
在实际应用中，我们只需要振动周期内的平均值，而不是瞬时值，从能量叠加可以推导出：
以上两式只有在声波叠加时不发生干涉现象（频率不同，或不存在固定的相位差）时才成立。
在实际使用中遇到噪声问题几乎都能满足这个条件。
对于同频率的声波叠加，如果有固定的相位差，则叠加后总的声压幅值PT将随空间不同位置有极大值和极小值的分布，称为驻波。
驻波的极大值和极小值分别称为波腹和波节。
1.1.8声压级、声强级和声功率级
为方便声压的表述，定义声压级为
Lp=20lg（Pe/P0）
参考声压P0取为2×10-5帕，也就是人耳对1000Hz声音刚刚能够觉察到的最低声压值，亦即人的听阀的声压级为0分贝。
同样，定义声强级为：
LI=10lg（I/I0）
参考声强I0取为10-12W/m2。
定义声功率级为：
LW=10lg（W/W0）
参考声功率W0取为10-12W。
由I=Pe2/ρc，可导出声强级与声压级的关系式：
在空气中，由于ρc约为400瑞利，因而上式最后一项近似为0，所以LI≈LP。
再由W=S×I=S×Pe2/ρc，可导出自由声场中的声功率级与声压级的关系式：
本式只适用于自由声场中。
LP是面积为S的声源包络面上测得的平均声压级。
在空气中，上式最后一项近似为0，所以LW≈LP+10lgS。
级的单位均为分贝。
凡是分贝算术运算，均需“去级”后再运算，最后还原成分贝。
如：
分贝加：
分贝减：
分贝平均值：
分贝加权平均值（等效连续声级）：
1.1.9频谱、响度与计权声级
一般的声音，尤其对于噪声，都是由许多不同频率的声波组成的复合声。
不同的声音，其频率的成分及在各个频率上的能量分布是不同的，这种频率成分与能量分布的关系称为声的频谱。
在作频谱分析时，常将连续的频率范围划分成若干个相连的小段，每段叫频带或频程，每一个频带内声能量认为是均匀的。
常用的划分方式是一个频带的上、下截止频率f2、f1满足：
f2=2nf1
n称为倍频程数。
一般n可取1或1/3，分别称作1倍频程或1/3倍频程。
中心频率f0规定为上、下截止频率的几何平均值：
f0=（f1f2）1/2
通常只用中心频率来表示一个频带的频率。
一个中心频率为f0的频带，其上、下截止频率为f1=f0/2n/2,f2=f02n/2。
1倍频程和1/3倍频程的频率划分见表1-1所示。
表1-1倍频程和1/3倍频程频率与A计权响应
1倍频程频率（Hz）
1/3倍频程频率（Hz）
f0
A计权响应（dB）
f0
A计权响应（dB）
20
-50.5
31.5
-39.4
25
-44.7
31.5
-39.4
40
-34.6
63
-26.2
50
-30.2
63
-26.2
80
-22.5
125
-16.1
100
-19.1
125
-16.1
160
-13.4
250
-8.6
200
-10.9
250
-8.6
315
-6.6
500
-3.2
400
-4.8
500
-3.2
630
-1.9
1000
0
800
-0.8
1000
0
1250
+0.6
2000
+1.2
1600
+1.0
2000
+1.2
2500
+1.3
4000
+1.0
3150
+1.2
4000
+1.0
5000
+0.5
8000
-1.1
6300
-0.1
8000
-1.1
10000
-2.5
16000
-6.6
12500
-4.3
16000
-6.6
人耳对于不同频率的主观感觉是不同的，同样的声强级的情况下，从感觉上人耳觉得1000-5000Hz间声音较之其它的频率声音要响。
为了使人耳对频率的响应与客观量声压级联系起来，采用响度级来定量地描述这种关系。
响度级的单位为方（phon），规定1000Hz纯音的响度级就是这个声音的声压级，对其它频率的纯音，则用1000Hz纯音与之比较，调节1000Hz纯音的声压级，使它与待定的纯音一样响，这时1000Hz纯音的声压级就被定义为这一纯音的响度级。
对各个频率的声音都作这样的试听比较，把听起来同样响的各相应声压级按频率连成一条条曲线，称之为等响曲线。
声音“响”的程度，叫响度，记为N，单位是宋（sone），规定响度级为40方时响度为1宋，并规定响度级增加10方则响度增加1倍（从感觉上是声音加倍响），因此响度级LN与响度N的关系式为：
为了使人耳对声音频率响应符合等响曲线，IEC规定了A、B、C和D计权声级：
A计权网络频响曲线相当于40方的等响曲线的倒置曲线，B为70方，C为100方，分别表示人耳对低、中、高声级的响应。
D计权网格则一般用于飞机噪声的测量。
未加权的平直线性响应称为L计权网络。
用计权网络测得的分贝数称为声级，L计权网络测得的实际为声压级。
单位分别为dBA,dBB,dBC,dBD,L网络则直接称为dB。
1.2噪声的测量
1.2.1一般测量仪器
噪声的测量仪器中，主要的部件有传声器、滤波器（计权网络）、检波器以及显示记录部件。
其附件还有声校准器、防风罩、屏蔽电缆、鼻形锥等。
传声器是声学测量仪器中最主要的部件，它是一种将声压转换成电压的声电换能器。
测量正规入射声波时，以用自由场型传声器为好，对无规入射声波则应采用压强型或在传声器上加一无规入射器。
传声器可单独取出，用屏蔽电缆与其它部分相连，以防止人对传声器的干扰。
在室外测量时，为防止较大风速对传声器的干扰，必须将传声器罩上一个防风罩。
在方向稳定的高速气流中测量噪声，应将传声器装上鼻形锥，并使锥尖朝着上气流方向，以降低传声器对气流的阻力。
为使测量结果准确可靠，每次测量时，安装好仪器后，都应用声校准器对仪器进行校准。
滤波器相当于A、B、C、D或L计权网络。
测量仪器的显示记录部分差别较大。
简单的如手持声级计，只有一个液晶显示器，只能显示一系列声级数据；复杂的如噪声分析仪，可配备专门的微机和打印机，迅速得出任何噪声评价量，各种曲线等等。
1.2.2测量标准
1.2.2.1环境噪声测量标准
环境噪声的测量，应按下列现行有关的国家标准进行。
GB/T14623——93城市区域环境噪声测量方法
GB9661——88机场周围飞机噪声测量方法
GB12349——90工业企业厂界噪声测量方法
GB12524——90建筑施工场噪声测量方法
GB12525——90铁路边界噪声限值及其测量方法
GBJ122——88工业企业噪声测量规范
国家环境保护局环境监测技术规范；第三册噪声部分
1.2.2.2噪声源声功率级测量标准
为了获得噪声源噪声级的准确数据，必须严格按照下列现行国家标准进行测量。
GB3767—83噪声源声功率级的测定——工程法及准工程法
GB3768—83噪声源声功率级的测定——简易法
GB3770—83木工机床噪声声功率级的测定
GB4215—84金属切削机床噪声声功率级的测定
GB7022—86容积式压缩机噪声声功率级的测定——简易法
GB4980—85容积式压缩机噪声声功率级的测定——工程法
GB7111—86纺织机械噪声声功率级的测定方法
GB5898—86凿岩机械与气功工具噪声测量方法——工程法
GB1496—79机动车辆噪声测量方法
GB1859—80内燃机噪声测定方法
GB2806—81电机噪声测量方法
GB2888—82风机和罗茨风机噪声测量方法
GB5111—85铁路机车车辆辐射噪声测量方法
GB4964—85内河航道及港口内船舶辐射噪声的测量
GB9911—88船用柴油机辐射的空气噪声测量方法
GB6404—86齿轮装置噪声声功率级的测定方法
GB5467—85摩托车噪声测量方法
GB9661—88机场周围飞机噪声测量方法
GB14098—93燃气轮机噪声
1.2.3一些声学参数的测量原理
1.2.3.1固定点源声功率测量
声源的声功率是衡量声源每秒辐射的总声能的量。
测量声功率有三种方法：
混响室法，消声室或半消声室法，现场法。
1.2.3.1.1混响室法
混响室是一间体积比较大（>180m3），隔声隔振良好，六个壁面坚实光滑，在测量的声音频率范围内反射系数大于98%的全封闭房间。
由于在封闭房间内离源r处的声压级约为：
式中，Q为声源指向性因数，当声源位于中央（空中）、某一壁面中央、两壁交线、三壁交角时，Q分别为1、2、4、8；R为房间常数，
，S为混响室内总面积，
则是其平均吸声系数。
当r足够大，使得
时，上式括号中第一项可略去。
在混响室中，只要离开声源一定距离，使得声压级不再随r的增大而明显减少时，就可认为符合要求。
在各个位置测得几个混响声压级（由于声场并不能做到完全均匀），求平均值。
可由下式求得声源的声功率级：
1.2.3.1.2消声室或半消声室法
内壁面装有吸声系数很高（吸声系数在测量频率范围内大于98%）的材料的封闭大房间称为消声室，若地面是坚实反射面的则称为半消声室。
注意，对于半消声室，声源须直接置于地面上。
声波在消声室内传播和在露天的自由空间传播一样，所以消声室内声场模仿为自由声场。
而自由声场中的声功率级与声压级的关系式：
LP是面积为S的声源包络面上测得的平均声压级。
在空气中，上式最后一项近似为0，所以LW≈LP+10lgS。
只需对声源假想一个包络面，测出这个包络面上各点的声压级并取平均值，算出包络面的面积，就可由此式算得声源的声功率级。
1.2.3.1.3现场测量法
不搬运声源，在车间中直接测量声源噪声，称为现场测量法。
现场测量法又分为直接法和比较法。
1．直接法
直接法也是采取测量声源包络面上平均声压级LP和包络面面积S的方法来确定声源声功率级，但是因为车间壁面不消声，车间内不是自由声场，所以不能忽略混响声的作用。
由
得
房间常数R取决于车间的表面平均吸声系数
，而
一般通过测量混响时间T60来求得。
因此只要测得车间混响时间T60，就可求出R，进而求出K值。
K值为混响引起的校正值。
K值越大，修正值越大，测量结果精度越差。
为减小K值，应缩小包络面，即将各测点移近声源。
一般K值不应大于2。
2．比较法
比较法是利用经过实验室标定过声功率的任何噪声源作为标准声源，在现场中由对比测量两者声压级而得出待测机器声功率的一种方法。
将标准声源放在待测声源附近位置，对标准声源和待测声源各进行一次同一包络面上各测点的测量。
两次测量的K值应相同，因此待测声源声功率级为：
下标有S的代表标准声源的声功率级和声压级。
要注意标准声源应与待测声源的频段基本相同。
1.2.3.2混响时间T60的测量
在混响室内，当混响声场达稳定状态时，声源停止发声，从声源停止发声开始到声压衰减60分贝所需时间称为混响时间T60。
只需通过电平记录仪记录这个衰减过程，以时间t（s）为横坐标，以声压级Lp（dBA）为纵坐标，便可得到声压级的衰减曲线，从这条曲线上可得到T60。
T60与混响室内表面积、体积、吸声系数、频率、空气温湿度等有关。
由于混响声场很难做到完全扩散均匀，因而应在离开声源一定距离的混响声场内多测几点，在每一点测出几条曲线，求出每一点的平均T60，再求整个混响室的平均T60。
T60是测量材料吸声系数am,房间内壁平均吸声系数
和房间常数R等参数的基础。
1.2.3.3材料吸声系数和声阻抗的测量
材料吸收声能（包括透射声能在内）和入射声能之比，称为吸声系数。
如果声波是垂直入射材料表面的，称作正规入射，一般用a0表示；如果声波是从各种方向入射的，称为无规入射，一般用a表示。
对同样材质和结构的材料，一般有a>a0。
一般所说的吸声系数均指a。
a的测定，一般在混响室中进行。
设材料的吸射系数为a，混响室自身的平均吸声系数为
，混响室体积为V，材料的暴露面为Sm，测得混响室自身的混响时间为T60,0，测出有材料后的混响时间为T60,则可由下式得到材料的无规入射吸声系数am：
而用驻波管测出的常为a0。
驻波管为一内部可产生近似平面驻波的封闭管子，在管子一头内贴待测材料，另一头发出单频声波，测出驻波的波腹与波节声压之比（Pmax/Pmin），称为驻波比，以SWR表示。
则待测材料对该种频率声波的正规入射吸声系数a0:
若同时测出驻波管反射波的相位增量θ，就可以测出材料的声阻抗率ZS=ρc（瑞利）。
1.3噪声的评价量与评价标准
1.3.1声压级和计权声级
声压级：
表征未计权（也称线性计权、L计权）的声压，可以客观地描述声压的大小。
单位为分贝，dB。
声功率级：
表征单位时间发射的声能量的大小，常用来表示声源的强弱。
单位为分贝，dB。
倍频带声压级：
以1倍频程划分频带的频谱中，各个频带所具有的声压级。
倍频带声压级合成了声压级和各种计权声级。
单位为分贝，dB。
A计权声级：
以40方等响曲线的倒置曲线为权重，从倍频带声压级合成的声级，表征人耳对低声级的响应。
经过多年来的实践和研究表明，用A计权网络测得的声级与由宽频率范围噪声引起的烦恼和对听力危害程度的相关性较好，而且用单一声级测量又比较方便，因此近年来测量一般宽频率噪声多用A计权声级。
单位为分贝A，dBA。
B、C、D计权声级：
一般情况下可用A计权声级来估算，dBB=dBA+5.4，dBC=dBA+4，dBD=dBA+6。
A计权声功率级：
与A计权声级相对应的声功率级。
由于声功率级需要通过测量声级获得，如果测量的是A声级，则最后得出的就是A声功率级。
单位为分贝A，dBA。
1.3.2非稳态噪声评价量
等效连续A声级Leq：
将某点在一段时间内测得的不同A声级变化，用能量平均的方法以A声级表示该段时间内的噪声大小，这个声级称为等效连续声级，单位为分贝A，dBA。
实际上相当于时间加权平均值：
噪声污染级LNP:
为评价噪声起伏对人的烦恼，用等效连续声级和标准偏差来表示的一种参数。
这里σ表示测得的n个声级的数值的标准偏差，而无须考虑其分贝的换算。
这样，LNP中已计入了噪声的起伏因素。
昼夜等效声级Ldn：
为了考虑噪声在夜间对人影响更为严重，将夜间（22：
00~7：
00）噪声另增加10dB加权处理后，用能量平均的方法得出的24小时A声级的平均值，单位为dBA。
计算式：
式中，Ld为白天Td个小时的等效声级,dBA；Ln为白天Tn个小时的等效声级,dBA。
累积百分声级Lx:
对于非稳态的噪声，以噪声级出现的时间累积概率来表示其噪声的起伏。
将测得的N个数据从大到小排列，分别计算其累积百分数，如第i个数的累积百分数就是100×i/N，第N个数累积百分数为100。
这样Lx表示x%的时间内所超过的噪声级。
通常取L10、L50、L90表示非稳态噪声的峰值、中值和本底。
交通噪声指数TNI:
考虑到起伏的交通噪声对人的干扰作用，即对同样声级的噪声，偶然发声比连续发声可能更烦人，以累积百分声级为基础提出了TNI：
INI=4（L10-L90）+L90-30
TNI只适于机动车辆对环境干扰的评价，且只限于车辆较多的地段和时间内。
需要在测量时段内测量数百个数据。
1.3.3飞机噪声评价量
感觉噪声级PNL：
考虑了声压及其频带、频率特性，用等感觉噪度曲线求出感觉噪度，计权相加求出总噪度，再换算成感觉噪声级。
其算法与史蒂文斯响度类似。
在频谱中有显著纯音成份的，PNL要进行纯音修正。
在进行简单估算时，可认为：
PNdB=dBA+13。
有效感觉噪声级EPNL：
对感觉噪声级进行音色和持续时间的校正后，称为有效感觉噪声级EPNL。
EPNL的测量很复杂，其方法参见GB9661-88《机场周围飞机噪声测量方法》。
预测时，一般根据飞机机型、起飞或降落、斜距，由厂家提供的资料查出飞机在预测点产生的EPNL。
单位为EPN分贝，EPNdB。
平均有效感觉噪声级（又称连续有效感觉噪声级）
：
由一天中所有飞行事件的EPNL按下式计算（即计算其平均值），单位分贝，dB：
式中：
N1、N2、N3，分别为白天（07：
00~19：
00）、晚上（19：
00~22：
00）和夜间（22：
00~07：
00）通过该点的飞行次数：
N=N1+N2+N3
计权等效连续感觉噪声级WECPNL：
机场飞机起飞和降落噪声的评价量，单位为分贝，dB。
预测时，用下式计算：
1.3.4其它噪声评价量
噪声冲击指数NII：
为考虑受噪声影响的人口数量和影响的程度，引入噪声冲击指数NII，
式中，Pi为全年或某段时间内受第i等级范围内昼夜等效声级影响的人口数；Wi为第i等级的计权因子。
噪声等级的划分范围及其计权因子见表3-1所示。
NII相当于平均每人受到的噪声冲击量，可用于对声环境质量的评价和不同环境的相互比较，以供城市规划布局中考虑噪声对环境的影响，并作出选择。
表3-1不同Ldn范围的Wi值
Ldn范围dBA
Wi
35~40
0.01
40~45
0.02
45~50
0.05
50~55
0.09
55~60
0.18
60~65
0.32
65~70
0.54
70~75
0.83
75~80
1.20
80~85
1.70
85~90
2.31
噪声暴露率D：
略
响度级、语言干扰级、噪声掩蔽、斯蒂文斯响度、更佳噪声标准曲线（PNC）等在环境影响评价中并不常用，从略。
1.3.5常用噪声评价标准
GB3096-93城市区域环境噪声标准
GB9660-88机场周围飞机噪声环境标准
GB12525-90铁路边界噪声限值及其测量方法
GB12523-90建筑施工场界噪声限值
GB12348-90工业企业厂界噪声标准
GBJ87-85工业企业噪声控制设计规范
1.4噪声的一般衰减计算
1.4.1声在大气中的传播
声在大气中传播时，声线呈几何发散状态，同时还由于障碍物或大气的不稳定特性而产生反射、衍射或折射等现象。
声源是具有一定尺度的物体，当其产生的声波向外辐射时，其波阵面将不断扩大，而声能密度不断降低，这一原因引起的声能衰减称为几何发散衰减。
几何衰减与空间形状有关，如在完全自由的空间中，点声源的波阵面是是同心球面，而线声源的波阵面则是同轴圆柱面，对于非自由空间，必要时需进行修正。
当声波在空气中穿行时，空气会吸收一部分声能量而使声压减少，称为空气吸收衰减。
在静止的各向同性的空气中，声音的吸收由两种因素引起：
第一，由于空气的热传导和粘滞性而引起声波中能量的损失，这种类型的吸收只有在非常低的温度下才显著；第二，声波的能量被空气中分子的弛豫效应所吸收，这一分子吸收主要决定于温度和湿度。
声波在同一介质中传播时，被吸收的声能与频率、温度、湿度的关系已经得到理论和实验的证实，高频声能的衰减比低频快，低湿度比高湿度时衰减得快。
实际的大气因受各种因素的干扰而呈现不稳定、不均匀的特性。
因此一特性致使声压的额外衰减称为空气附加衰减。
比如大气中存在云、雾、雨、雪和温度梯度、风速梯度时，声波传导介质的性质就发生一定程度的改变。
例如，当大气中存在风速梯度和温度梯度时，可引起声线的弯曲。
在一般情况下，大气温度
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