尽管古代人们对于声和乐早就有了定性认识,但声学的系统定量研究是从16世纪伽利略关于单摆周期和物体振动开始的。至于声波的传播,1687年,I.牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中导出了声波传播的速度,但直到人们认识到声波在空气中的传播是一种绝热过程后才获得了与实测相一致的定量公式。1747年,J.LeR.达朗贝尔得到了弦振动方程,实际上该方程也适用于计算声波的传播。1877年,瑞利将17~19世纪的声学研究集大成于他的《声学原理》两卷本中。20世纪下半叶以来,由于工业化、城镇化的加速,噪声污染成为严重问题,除了大气、水体和地层中的自然噪声外,现代工业和城市中的大型机器轰响、锅炉的燃烧低鸣、火箭的喷气啸叫、超声速飞机的声爆、建筑工地的嘈杂、城镇集市的喧闹等都构成了污染源,环境噪声的研究愈益受到重视。
环境噪声
发生在人及生物生存和活动环境周围的不规则声场。是声学的一个重要研究领域,与气动声学、水声学、结构动力学等学科紧密相关。鉴于环境噪声的产生、传播、影响,乃至噪声污染防治的研究都与力学原理有关,所以,它也是环境力学研究的重要组成部分。
- 英文名称
- environment noise
- 所属学科
- 力学
①声压级和声强级。噪声的大小或强弱,可以用声波的压强或能通量来度量,称为声压、声强或声功率。为了方便起见,往往用相对量声压级、声强级分贝或声功率级分贝,即等于与一个基准量比值对数的20倍或10倍来度量,其表达式分别为:
声压级
式中为基准声压2×10-5帕。
声强级
式中为基准声强2×10-12瓦/米2。
由于空气在室温条件下,基准声压与基准声强相对应,所以在自由声场中,声压级和声强级近似相等。
②噪声频谱。一般而言,声音由各种频率成分组成,所以可以有离散谱、连续谱和混合谱之分。和谐的离散谱就是乐谱,不规则的噪声则是由连续谱或混合谱构成的。还可以将声压级和声强级的概念应用到噪声的各个频带,从而定义频带声压级和频带声强级等。
③噪声主观评价。由于人耳对于不同频带噪声的响度感受不同,噪声的客观评价标准并不能反映噪声对人产生的生理和心理效应,因此,有必要提出噪声的主观评价概念,并建立噪声客观评价和主观评价之间的联系。1956年由D.W.鲁宾森和R.S.达德森通过实验测得等响曲线,并为国际标准化组织(ISO/R226-1961)确认。为了直接用声级计测量响度主观评价值,采用将不同频带的响度客观评价值不同加权的方法(A、B、C声级)进行计算。A声级已经成为被国际标准化组织和绝大多数国家接受的对噪声主观评价的标准度量方法。
④噪声标准。一般说来,日常生活中的窃窃私语为20分贝,正常交谈为50分贝,街道环境为70分贝,酒吧嘈杂环境达90分贝。工业产品则一般以离开一定距离处的A声级作为其噪声水平,如轿车为85分贝,气压钻机为100分贝,载重车、螺旋桨直升机为110分贝,喷气式飞机可达130分贝。考虑到噪声对人类活动和健康的影响,环境保护部门制定了对各种工业产品噪声水平的要求和限制,这就是噪声标准。
噪声会影响人的听觉、谈话、思维、休息及睡眠。长期处在75分贝以上的噪声环境或者短时间的特强噪声环境都会对听力造成损伤。当噪声作用于人的中枢神经时,可使大脑皮层的兴奋和抑制失衡,条件反射失调,脑血管张力受损,严重的出现渗血。在短期内,这些症状虽可恢复,时间久了将导致病理变化和神经官能症。噪声还可以通过中枢神经和副交感神经影响人体器官的功能:如对消化系统可影响消化液的分泌,肠胃功能阻滞,胃病多发;在心血管系统会导致心跳加快,心律不齐,高血压,动脉粥样硬化和冠心病发病率增高。所以,一般人们在75分贝(夜间在50分贝)以下的环境活动和休息较宜,90分贝以上会对听力有害,105分贝会对听力造成永久性损伤。另一方面,强噪声可使结构部件产生声疲劳。如在飞机、火箭发动机的强噪声场中,由于结构受到交变载荷的作用可能产生裂纹和断裂而发生事故。尤其是在诱发共振条件下的声疲劳,可导致裂纹源形成、疲劳累积(微裂纹扩展)、疲劳损伤(裂纹扩展)和疲劳断裂。裂纹源一般与应力集中、材料缺陷、表面处理、酸性腐蚀、结构形式有关。
在环境保护深入人心的现代社会,防止噪声污染更加受到重视。21世纪主要的研究对象是先进高速交通工具的降噪问题,如高速列车、民航客机以及与国家安全相关的潜艇等。众所周知,高速列车的牵引、轮轨和气动噪声分别与车速的一次方、三次方和六次方成正比,按照国际铁路联盟的规定,高铁车内噪声不高于68分贝,车外噪声(离开车厢25米外,3.5米高处)不超过91分贝。国际民航组织对民航客机的适航条件不断提高,需要研究减小发动机、短舱、增升装置、起落架等的噪声强度。所以,为了提高舒适度、降低噪声、实现隐身,流动噪声研究受到青睐。研究内容包括:①噪声源分析。当空气和水绕过物体时,对结构物产生载荷,在流动中产生扰动或噪声。这些扰动可以来自物体头部和侧表面的压缩、膨胀波,物体尾部产生的脱落旋涡,在边界层内发生不稳定波和湍流。②在噪声计算方面,由于声场的范围大,所以都采用了近场与远场相结合的方法以高效获得声源分布及声场传播的结果。基于J.莱特希尔的声比拟理论,利用格林函数和基尔霍夫公式,将理论推广到运动物体和流动可以穿过声源面的情况,或者利用计算气动声学(CAA)方法进行噪声计算。③噪声实验方面。先进的设备有大型气动噪声风洞,其特点是风洞本身噪声水平低、可进行全模实验、有活动地板、四周配置噪声测试阵列传感器可以获得频谱和声强时空分布等。
扩展阅读
- 马大猷.现代声学理论基础.北京:科学出版社,2004.