噪声和振动污染控制工程讲义

132噪声和振动污染控制工程讲义噪声和振动有着非常密切的关系。许多噪声是由振动引起的，这种振动以弹性波的形式在空气、液体和固体介质中进行传播，分别称为气体声、液体声和固体声，通常将固体声称为振动。噪声和振动污染的控制原理十分相似：隔振的同时也起到降噪作用。第一节噪声和噪声污染一、噪声定义正如水、空气和土壤等是我们生存必要的条件那样，我们必须生活在一个有声的环境之中，声音可以帮助人们交流信息、认识事物等，成为人们一切生产和生活活动的前提基础。但有些声音对人体有害或者是多余的，便称为噪声，由噪声造成的环境污染称为噪声污染。广义上说来，一切可听的声音都有可能成为噪声。我们所听到的各种声音是否成为噪声与许多条件和因素有关：除与声音本身的基本特性(波长、频率和声级)有关外，还与人的心理和生理状态有关，因此噪声和非噪声的区别不仅在于其本身特性(频率和强弱)，更在于接受对象的感受性和条件性。二、噪声污染的特性1，噪声属于物理性污染：这种污染是局部性的，不会造成区域、全球性污染。2，噪声污染一般没有残余污染物：噪声一旦消除污染问题就得到彻底解决。3，噪声污染往往易被人们所忽视：尽管有影响，但我们需要生活在适度的声响环境中。三、噪声的危害1，听力损害(1)暂时性听域迁移：当人耳短时间暴露于噪声时，会引起人们的听觉疲劳，但此时的听觉器官尚未发生器质性病变。一旦噪声消除，听觉疲劳也就逐渐消失，直至听觉恢复到正常状态。(2)永久性听域迁移：又称为噪声性耳聋，是指人耳长期暴露于强噪声环境之中，听觉反复受到噪声的不断刺激，听域迁移由暂时性逐渐成为永久性，听觉恢复越来越难，死亡的听觉细胞无法再生，造成永久性耳聋。耳聋有轻重之分，一般以听力损失进行衡量，如表1所示。表1听力损失与耳聋程度听力损失耳聋程度20dB耳聋的基准20－40dB轻度耳聋40－55dB中度耳聋55－70dB显著耳聋70－90dB重度耳聋90dB极端聋2，诱发疾病诱发疾病是噪声污染的一个重要体现。噪声作用于人的中枢神经系统，使得大脑皮层的兴奋和抑制平衡失调、条件反射异常，导致头昏脑胀、疲劳和记忆力衰退以及133肠胃功能紊乱等症状，严重时诱发胃溃疡、冠心病和动脉硬化等疾病。3，影响人们正常生活降低人们睡眠、学习、工作、语言交流的效率和效果。严重时使得这些活动无法进行。四、噪声分类声音由自然界和人类活动两方面产生。虽然自然界的声音在特定情况下可能成为噪声，如雷鸣声、风的呼啸声等，但噪声通常主要是由于人类的生产和生活活动产生，称为人为噪声。人为噪声的产生途径多种多样，通常有：交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声等。交通噪声由交通车辆产生，如公路和城市街道上的各种汽车轰鸣声、喇叭声，喷气式飞机螺旋桨产生的高速气流与空气的摩擦声以及火车车轮与铁轨的撞击声和汽笛声等；工业噪声由各种机器设备的振动、摩擦和管道排气产生；建筑施工噪声由各种施工机械设备造成，如打桩机与桩的撞击声、卷扬机噪声等。噪声还可以产生于人们的社会活动与生活，如各种电影院、音乐厅、舞会在某些情况下都可能成为噪声的来源；居家的家用设备如空调器、电风扇、洗衣机和电视机等因为影响人们的休息、学习和工作而成为噪声。环境治理系统中经常使用的鼓风机、空压机、水泵、搅拌机等也是噪声的重要来源。按照发声机理，噪声可以分为：机械噪声、空气动力性噪声和电磁噪声三类。机械噪声是由于机械部件在撞击力、非平衡力作用下产生，是由固体振动而产生；空气动力噪声是由于高速或高压气流与周围介质(空气)发生剧烈混合而产生；电磁噪声是由于电磁场的交替变化引起机械部件或空间容积振动而产生，如日光灯的整流器、电动机和变压器产生的电磁噪声等。三类噪声中以机械振动噪声最为常见，其次为空气动力性噪声，而电磁噪声较少见。表2常见的工业设备噪声范围设备A声级范围(dB)飞机发动机107～140织布机96～130鼓风机80～126空压机73～116蒸汽锤86～113发电机71～106水泵89～103卷扬机80～90频率是声音的重要参数。按照频率高低，噪声分为：低频噪声(f500HZ)、中频噪声(f=500HZ～1000HZ)和高频噪声(f1kHZ)三类。噪声对人体的危害与噪声的频率有关，其中危害最大的当属可听声，其频率范围为20HZ～2000HZ，成为噪声控制的主要对象。五、噪声污染控制途径134与其它污染控制相似，噪声污染控制的途径主要有：行政管理、规划和噪声治理。1，行政管理措施对噪声采取必要的管理方法以限制噪声污染，其基本做法为行政立法。我国对交通噪声、机动车辆噪声、飞机噪声、工厂噪声、建筑施工噪声、娱乐场所噪声污染的控制进行立法。如中华人民共和国建筑施工场界噪声限值(GB12348-90)中规定：交通干道环境噪声≤70-87dB(A)；建筑施工场界噪声限值如下表3所示。表3建筑施工场界噪声限值施工机械昼间夜间土石方推土机、挖掘机、装载机等75dB(A)55dB(A)打桩打桩机85dB(A)禁止施工结构混凝土搅拌机70dB(A)55dB(A)装修吊车、升降机65dB(A)55dB(A)2，规划性措施(1)区域性规划：城市规划部门在确定建设布局时，将飞机场、重工业区等高噪声源布置在远离市区的郊外，并按照噪声从高到低依次进行布局。(2)道路规划：依据国家声环境质量标准和民用建筑隔声设计规范，合理划定建筑物与交通干道的防噪声距离，并提出相应的规划设计要求。如规定交通干道距离居住区不小于30m；一级、二级公路和铁路不允许穿越居民区等。(3)控制城市人口密度：入口密度决定了交通流量、商业以及生产活动等产生的噪声高低以及影响程度。噪声A声级Ldn(dB)与当地入口密度ρ(人/km2)的关系为：Ldn＝10logρ＋26。(4)利用各种措施进行隔声，如利用土丘、绿化带等减轻噪声对安静区域的影响。3，治理措施(1)噪声源的控制①研究工艺过程：使用低噪声工艺代替高噪声工艺②研究降低噪声源辐射噪声的激振力③研究降低噪声源中、噪声辐射部件对激振力的响应(2)噪声传播途径的控制①研究城市、工厂和车间如何全面合理布局②研究噪声传播途径上的声学技术措施(隔声、吸声和消声)(3)个人防护措施常用的噪声个人防护用品有：耳塞、耳罩和头盔三种。这些防护用品除减弱噪声危害外，还有保暖、防冲撞的功能。第二节声的基本知识噪声也是声音，因此在讨论噪声治理和污染控制前对声的基本知识进行介绍是必要的。一、声波和瞬时声压在各种弹性介质中，物体的机械振动由近而远的传播过程称为声波。依据声音传播135的介质不同，声波有空气波、液体波和固体波三种。声波的传播方向与介质有关：空气和液体中声波传播方向与介质质点的振动方向基本相同，构成纵向波；而在固体介质中的声波则既有纵向也有横向。声波在传播时将引起介质中质点所受压强的变化，通常将声场中某一质点在瞬时由静压(未受声波影响时的压强)P0变化为P’所产生的压强增量称为该质点的瞬时声压P，单位为Pa或N/m2。P＝P0－P’(1)二、频率、波长、波速声波在介质中传播时，1秒钟内质点振动的次数就是该声波的频率f，单位为HZ；质点往复振动一次所需要的时间称为振动周期T，单位为s；相邻波对应质点之间的距离称为波长λ，单位为m；声波在介质中的传播速度称为波速c，单位为m/s。f、T、λ和c之间的关系为：f＝1/T(2)λ＝c/f＝c﹒T(3)声波在介质中的传播速度与介质本身密切相关，如介质类型(气、液、固)、介质温度和密度以及压强等。声波在固体介质中传播最快，其次为液体，而在气体中的传播较慢。表4声波在各种介质中的传播速度(21.1℃)介质空气水软木玻璃钢波速(m/s)3441372335336585182三、声波阵面声波在传播过程中，同一时刻由相位相同质点构成的轨迹称为波阵面或波的基本几何形状，波阵面分为平面波和球面波两种。1，平面波平面波的波阵面与波的传播方向垂直，如活塞在汽缸中产生的声波为典型的平面波。2，球面波在点声源形成的声波中，波阵面为同心的球面，这种波称为球面波，球面波中声源的几何尺寸很小(λ)。四、声强、声功率、声能密度、声阻抗率在物理学上，声波是一种能量形式。单位时间内声波辐射的声能量称为声功率W，单位为W；单位时间内透过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量称为声强I，单位为W/m2；单位体积介质内所含的声能量称为声能密度D，单位为W/m3；瞬时声压P与质点振动速度之比即为声阻抗率Zs，单位为Pa﹒s/m，Zs与介质密度和声速有关，而与声波波长和频率无关。介质温度越高、密度越小、声速越大，则Zs越小。Zs＝ρ0﹒c(4)式中：ρ0－介质密度(kg/m3)五、声压级和声强级声压级LP和声强级LI都是衡量声波强度的相对指标，简称为声级，单位均为dB，其相对基准分别为基准声压P0（0.2μPa）和基准声强I0(10-12W/m2)。136LP＝20lg(P/P0)；LI＝10lg(I/I0)声压级和声强级是衡量噪声强弱及其对人影响程度的重要指标，在常温、常压下LP和LI在数值上相等。噪声环境有稳态和不稳态之分，通常需要将不稳态噪声采用能量平均的方法换算为稳态噪声才能与稳态噪声进行比较，换算结果称为等效连续A声级Leq，其相互换算公式为：Leq＝10lg１Ｔ∫0t100.1LAdt(5)式中：t－不稳态噪声暴露时间,hLA－t时间内的A声级，dBA六、声源的指向性当声源尺寸大于或接近于声波波长时，声源在各方向辐射的声压(或声强)不相同，成为指向性声源：频率高的声波指向性强，频率低的声波指向性弱。声源的指向性可以用指向性图来表示，类似于气象中的风向玫瑰图，将声源中某质点的声强与同一声功率声源在相同距离同心球辐射面上的平均声强之比称为声源指向性因数Q。对于点声源，Q＝1，Q越大则声源的指向性越明显。七、声波的叠加通常我们听到的声音都是多种声波的混合，即由各种来源、各种频率、各种形状的许多列简谐波叠加的混合声波。根据各种声波在叠加时是否发生相互干扰将声波分为相干波和不相干波两种。在同一直线、相同方向上的相干玻叠加、合成的结果形成驻波，驻波属于相干波合成的特例。表5相干波和不相干波相干波频率相同、有固定相位差不相干波频率相同、相位差物规则变化频率不同、有固定相位差频率不同、无固定相位差相干波的叠加规律：叠加后合成声压等于各相干波的声压之和，即：nPt＝P1＋P2＋……＋Pn＝∑Pi(6)i=1式中：Pi－第i列声波的声压Pt－合成声场的声压n－声波列数不相干波叠加规律：叠加后声压的平方等于各不相干波声压平方之和，即：Pt2＝P12＋P22＋……＋Pn2＝∑Pi2(7)八、声波的反射、透射、折射和绕射以及衍射137声波向介质中传播又称为入射，入射的声波遇到界面时一部分被反射或折射，另一部分将透过该界面继续传播。入射、透射和反射情况和传播介质有关：介质的Zs增加，难透射，易反射；Zs降低，易透射，难反射。反射和折射的区别在于：反射时反射线在入射面(由入射线和界面构成)内，入射角与反射角相等；折射线在入射面之外的第二种介质内，入射角θ1正弦与折射角θ2正弦之比等于介质1声速c1与介质2声速c2之比，即：sinθ1c1＝(8)sinθ2c2图1声波的入射、反射和折射当声波的波长远远大于障碍物或孔洞尺寸时，声波能够绕过障碍物或孔洞的边缘继续前进并引起传播方向的改变，成为绕射声波或衍射声波。声波的绕射与声波频率、波长和障碍物的相对大小有关，高频率、长波长的声波遇到尺寸较小的障碍物或孔洞时绕射或衍射明显，这是屏障隔声降噪的依据。图2声波的绕射或衍射九、声波衰减声波在介质中传播，由于扩散作用、空气吸收以及障碍物的存在导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。1381，扩散引起的衰减声波的传播过程即是声波在介质中的扩散过程，波阵面随扩散距离的增加而逐渐扩展，导致声能分散、声强随距离越来越弱，称为扩散衰减。2，空气吸收引起的衰减声波在空气中传播时，部分声波被空气吸收作用、部分声能将发生转换和迁移，籍此导致声波衰减。①传播导致空气质点振动，相邻空气质点由于运动速度不同而产生粘滞力，使得声能转换为热能，