已知界面两边介质的密度和声速等声学特性,可以根据声波应该满足的界面条件求出反射波和投射波的波幅。
在x=0的界面上,声波应该满足的条件是:声压和界面法向质点振速的连续性。此种条件是界面稳定存在的前提。
可以讨论两种极端情况:
(1)z1z2,此时透射系数接近0,反射系数接近-1。相当于透射声压幅值趋向于0,反射声压与入射声压幅度相同,而在界面上相位相反。声波由水中(zw=1.48×106Pa·s/m)向其与空气(za=415Pa·s/m)的界面入射出现的情况可看作实际的例子之一。
(2)相反,对z1z2的情况,反射波声压幅值与入射波幅值相同,且在界面处相位相同。
而透射声波的幅值为入射声波幅值的2倍。
在噪声控制实际中最常见的情况是第二种介质为吸声材料或结构,此时,z2为复数特征阻抗,以上的关系仍成立,只是式(10‐86)的右边需以模值表示。
依据同样的界面条件,还可以分析平面声波在界面上斜入射时的反射和透射情况。
一般,将声波从一种介质穿过界面进入另一种介质的情况称为透射,而折回原来介质情况称为反射。当声波在传播过程中遇到尺度比声波长小或接近的障碍物时,还会出现声波绕过障碍物时,还会出现声波绕过障碍物到达其后面的情况,称为绕射。
10.3噪声测量及评价
1.噪声源能量的动态
噪声源能量的动态范围很广,通常用声压级、声强级和声功率级来表示声源的强度,对于同一市场,声压级是可以换算的。
2.噪声的叠加
当满足线性声学条件的多列噪声声波相遇时,满足声波叠加原理。设有两个噪声源共同作用。在声场中某点由各噪声源单独产生的声压分别为p1和p2,合成噪声声场的总声压等于每列噪声声波的声压之和,即:
p=p1+p2(10‐88)
下面分两种情况。
(1)两列频率相同且以恒定相位差相交的单频率噪声声波的叠加
两列声波合成声场的的大小与它们相交时的相位差密切相关,这就产生了干涉现象,这两列波称作“相干波”。可以看出,如果两列波相交处幅值相等且相位相同(φ2-φ1=0),叠加后该点总声压为单个噪声声源产生声压的两倍,噪声的总声压级比单列噪声声波声压级高6dB,此称为“相长干涉”;若两列波相交时正好相位相反,同时振幅相等,声波相互抵消,该点噪声的总声压为零,噪声声压级为负无穷,此称为“相消干涉”。一般情况介于上述两个极端之间。在噪声主动控制中,就是利用反相同频率波的相消干涉原理。
(2)若干不相干噪声声波的叠加
两列噪声声波频率不等,或频率相等,但相交时相位差变化无规则,根据三角函数系的“正交性”,并经过足够的时间平均后,式(10‐89)右边第三项积分为零。
这说明两列具有不同频率,或频率相同但相交时相位差无规则变化的噪声声波叠加后的合成声场,其平均声能量密度等于每列噪声声波平均能量密度之和,也就是不发生干涉现象,这两列噪声波称为不相干波,它们的合成声场将遵守“能量相加法则”。
一般的噪声均为不相干波,适用“能量相加法则”。
实际计算表明,两列声压级相同的噪声叠加后,总声压级仅增加3dB;两列早声的声压级相差10dB以上,则声压级低的那列噪声对总声压级的贡献可以忽略不计,总声压级近似等于声压级高的那个值。
1.噪声的测量
(1)声压测量
声压是度量声场中声波强弱最常用的物理量。通常,通过对机械设备周围噪声声压的测量,来研究机械噪声对周围环境的影响。声压测量系统由传声器、放大器、滤波器或计权器、记录仪、分析仪、检波器和显示器或表头等组成。当振源对邻近空气媒质有扰动时,产生压强波动,即声压信号,通过传声器转换成电压信号,经过放大成为具有一定功率的电信号。电信号记录后直接用分析仪进行分析,也可以通过具有一定频率响应的计权网络,经过检波获得以分贝定标的声压级。
把传声器、前置放大器、放大器和具有分析功能的电子线路综合在一个仪器内,形成测量噪声声压最常用的仪器——声级计。
由于声压级依赖于册点离声源的距离以及周围的环境,因此,声压测量结果受许多因素的影响,如测量点位置的选择、测试环境的声学特性、所用的测试仪器及其应用条件等。为了得到既可靠又可以进行比较的数据,必须按统一的测试方法进行噪声声压的标定和测量。
噪声声压测量中传声器与被测机械噪声源的相对位置对测量结果有显着影响。测点一般应选取在离机械表面1.5m、离地面1.5m处,若机械设备本身尺寸小于0.25m,则测点离机械设备表面的距离可缩小到0.5m,同时应注意测点与室内反射面相距2~3m以上;测点应在所测机械设备表面的四周均匀分布,数量一般不少于4点,如相邻测点测出的声压级相差5dB以上,应在这两个测点之间增加测点,将各测点的算术平均值作为机械设备的声压级。在某些情况下,测点的设置应作恰当变化,如机械设备的各个噪声源相距较近时,测点必须布置在距所需测量的噪声源很近;对噪声很大的机械设备,测点宜取在离机器5~10m处,对行驶的机动车辆,测点应距本体7.5m,并高出地面1.2m处;为研究机械噪声对操作人员的影响,应把测点选在工人常在的位置,传声器放在操作人员的耳位,以入耳的高度为准,选择数个测点,如工作台、机械旁等位置。总之,合理布置噪声声压的测点位置,是获得可靠的噪声声压测量值的关键。
声压测量时,周围环境的噪声会影响测量结果。尤其是当环境的本地噪声高于所测机器噪声10dB以上时,必须利用公式(10‐92)对测量结果进行修正,以去除本地噪声的影响。当噪声声压测量必须在室外进行时,最好选择在无风天气。风速超过四级时,可在传声器上加防风罩或包上一层绸布;在空气动力设备排气口进行测量时,传声器应避开风口和气流;传声器放在管道里测量噪声时,一定有防风措施;传声器放在管壁口测量时,也应包上纱布或绸布。此外,传声器和噪声源附近如有较大的反射物时,会使测量结果产生较大误差,应尽可能减少或排除周围的障碍物,在不能排除反射体时,传声器应放在噪声源和反射物之间的适当位置,并尽量远离反射物,如离墙壁和地面的距离不宜太近,最好在1m之外。
不同的传声器取向,会给测量结果带来一定的误差,因此在测量噪声时,要注意对所有测点保持同样的噪声入射方向。
进行现场机械噪声测量时,必须使声音的混响小于3dB。因此,要求现场测量的测试室容积V(m3)与机械规定表面积A(m2)之比足够大。所谓规定表面就是布置册点的假想表面,其表面积为:
A=2ac+2bc+ab(10‐94)
式中a为有效长度,即机械长度加2倍的册点距离(m);b为有效宽度,即机械宽度加2倍的测点距离(m);为有效高度,即机械高度加测量距离(m)。
为修正试验室对机械噪声测量的影响,必须在史册值中减去试验室的修正值L2。不同声学特性的测试室修正值L2不同。当测试室为一般性房间,既无强反射性壁面,也未经吸声处理时,L2与V/A值之间的关系如表10‐2所列;当测试室四周全部或部分竟简易吸声处理时,L2与V/A值之间的关系如表10‐3所列。
(2)声强测量
声强是描述声场中声能量流动的一个物理量,可用于声功率的测量,从而用来进行声源识别。
声强测量原理。现代声强测量方法的基础是互谱关系式。声强定义见式(10‐42)。
由于质点振速u(t)迄今尚无传感器能直接测量,须通过间接方式得到。
2.噪声的评价
噪声主观评价指标种类很多,这里介绍最常用的三种:
(1)A声级
为了模拟人耳对于不同频率声音的响应,在一般的测量声压级的仪器(如声级计等)中,除了能直接测量的总声级(线性档)外,通常还有A、B、C三挡,分别模拟人耳对40phon、70phon和100phon纯音的响应特性来设置计权网络,使测量时接收到的声信号经网络滤波后按频率获得不同程度的衰减。
经A计权网络滤波后所测得的总声压级叫做A计权声级,简称A声级,单位记作dB(A)。按原来规定,A声级用于测量55dB以下的噪声。但多年来的实践已有改变。国际上公认,无论声压级高低,统一用A声级测量可以更合适地反映噪声对人类的综合效应(包括听力损伤、烦扰度等),并且易于对不同的测量结果进行比较,因此把A声级作为噪声评价指标是适合的。
(2)噪声评价数(NR数)
A声级是单一的是数值,是噪声的所有频率成分的综合反映。若要比较细致地确定各倍频程的噪声评价,就应采用噪声评价曲线。噪声评价曲线按噪声级由低到高的顺序进行编号,它的号数NR叫做噪声评价数,NR数相同的两列噪声可以具有相同的噪声水平。规定NR值等于中心频率为1000Hz的倍频程声压级的分贝整数。考虑到高频噪声比低频噪声对人耳的干扰更为严重,因此高频噪声的倍频程声压级要控制在较低的水平而低频噪声的倍频程声压级可适当提高些。这样,在同一条曲线上各倍频程噪声可以认为具有相同程度的干扰。
求NR数的步骤是:首先测量中心频率从31.5Hz~8kHz的九个1/1倍频带声压级,将它标在NR曲线图上,在图上找出高于这些测量数据的最低一条曲线,线上所示数字即为测量噪声的NR数。在噪声控制过程中经常应用NR曲线来确定降噪的频率范围和降噪量。实践经验表明,在通常情况下,NR数比A声级要小5dB左右。
(3)等效连续A声级Leq
当噪声的A声级随时间起伏变化时,很难用于评价噪声对人的危害程度,此时便采用等效连续A声级,简称等效声级,记作Leq。等效连续A声级的实质是,利用某一段时间内噪声能量平均的方式,将一个变化的声级简化为一个等效连续声级,以表示该段时间内噪声的大小。
10.4冷却器噪声计算
按JB/T8315-1996规定,风冷却器采用A声级噪声声压级(SPL):
1台风扇运行时距离1m处测得的声压级为L1dB;
1台油泵运行时距离1m处测得的声压级为L2dB;
n台风扇同时运行时距离1m处计算的声压级为L3dB;
风冷却器上装有n台风扇,1台油泵,距离1m时,计算的声压级为L0dB;
距离风冷却器1m处的声压级为L0dB,距离2m处计算的声压级为LdB。
GB/T2888-1991规定“测量至声源点间的距离1m和2m标准长度时,其A声级的差值应不小于5dB”标准规定是指在自由声场或半自由声场中测量,但变压器、冷却器测试现场大都为混响场,在混响场中测量当距离增加1倍时,声压级衰减3dB。如84年1月21日,保定变压器厂设计科和高压试验室,对CYF-300风冷却器分别在距离1m和2m处测量声级,测点在导风筒上平均分布25个点;在距离1m处测得25点的平均值为77.8dB,在距离2m处为75.2dB,相差2.6dB,测量地点在220大厂房,时间是白天,如在晚上测量,差值还会大一点。