噪声的声学特性

噪声的声学特性

与乐音相比，噪声具有许多相同的声学特征，也有不同的特点。为了对噪声进行控制 和治理，必须对噪声的声学特征、噪声频谱进行分析。本节主要学习噪声的物理度量，包 括声压、声强、声功率、声压级、声强级、声功率级等基本概念。

1、声压与声压级

如前所述，声音在介质中是以波动方式传播的。当没有声波存在、大气处于静止状态时，其压强为大气压强。当有声波存在时，局部空气产生压缩或膨胀，在压缩的地方压强增加，在膨胀的地方压强减少，这样就在原来的大气压上又叠加了一个压强的变化。这个叠加上去的压强变化是由于声波而引起的，称为声压，用p 表示，其单位是帕斯卡(简称 帕 ) , 用Pa 表示。声压的大小与物体的振动有关，物体振动的振幅越大，则压强的变化也越大，因此声压也越大，人们听起来就越响。

当物体作简谐振动时，空间各点产生的声压也是随时间作简谐变化，某一瞬间的声压 称为瞬时声压。在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得到有效声压。用p。表示，即

式中 p(t)——某一时刻t的瞬时声压， Pa； T——时间， s。

一般用电子仪器测得的声压即是有效声压。因此，习惯上所指的声压往往是指有效声 压，它与声压幅值pA 之间的关系为： Pe=PA/√2。

声压是表示声音强弱最常用的物理量，大多数声接收器都是相应于声压的。多大的声压能使人耳具有声音的感觉呢?正常人耳能听到的最弱声压为2×10-⁵ Pa, 称为人耳的“听”。当声压达到20Pa时，人耳就会产生疼痛的感觉，20Pa 为人耳的“痛阈”。“听”与“痛阈”的声压之比为100万倍。

由于正常人耳能听到的最弱声音和能使人耳感到疼痛的声音，其声压变化范围从2× 10-5~20Pa,  相差100万倍，表达和应用起来很不方便。同时，实际上人耳对声音大小的 感受也不是线性的，它不是正比于声压绝对值的大小，而是同它的对数近似成正比。因 此，如果将两个声音的声压之比用对数的标度来表示，那么不仅应用简单，而且接近于人 耳的听觉特性。这种用对数标度来表示的声压称为声压级，它用分贝来表示。某一声音的 声压级定义是：该声音的声压p 与某参考声压po 的比值取以10为底的对数再乘以20,即

L₀=20lg(p/po)

式中 L,——声压级，dB；Po——参考声压，国际上规定po=2×10-⁵Pa。

引入声压级的概念后，巨大的数字就可以大大简化。听的声压为2×10-⁵Pa, 其声压 级就是0。普通说话声的声压是2×10-2Pa, 代入式(2-3),可得与此声压相应的声压级 为60dB。使人耳感到疼痛的声压是20Pa, 它的声压级则为120dB, 听与痛的声压之比从 100万倍的变化范围变成0~120dB 的变化。所以，这种方法已为世人所公认和普遍采用。目前国内外声学仪器上都采用分贝刻度，从仪器上可以直接读出声压级的分贝数。

2、声强与声强级

声波的强弱可以用几种不同的方法来描述，最方便的一般是测量它的声压，这要比测 量振动位移、振动速度更方便、更实用。但是有时需要直接知道机器所发出噪声的声功 率，这时就要用声能量和声强来描述。

任何运动的物体包括振动物体在内都能够做功，通常说它们具有能量，这个能量来自 振动的物体，因此，声波的传播也必须伴随着声振动能量的传递。当振动向前传播时，振 动的能量也跟着转移。在声传播方向上，单位时间内垂直通过单位面积的声能量，称为声 音的强度或简称声强，用I 表示，单位是W/m²。 声强的大小可用来衡量声音的强弱，声 强越大，人们听到的声音越响；声强越小，人们感觉的声音越轻。声强与离开声源的距离 有关，距离越远，声强就越小。例如火车开出站台后，越走越远，传来的声音也越来 越轻。

与声压一样，声强也可用“级”来表示，即声强级L₁, 它的单位也是分贝(dB),定义为：

L₁=20lg(I/Io)

式中 L₁——声强级，dB；lo——参考声强，国际上规定I₀=10- 12Pa。

声强级与声压级的关系是：

式中 p——传播介质的密度， kg/m³；c——声速， m/s；

pc——传播介质的特性阻抗，随介质的温度和气压而改变， kg/(m² · s)。

如果在测量条件时恰好pc=400,   则L₁=Lp 。在一般情况下，声强级与声压级相差一修正项 ,数值是比较小的。

3、声功率与声功率级

声功率为声源在单位时间内辐射的总能量，用符号 W表示，通常采用瓦(W)作为  声功率的单位。声强和声源辐射的声功率有关，声功率越大，在声源周围的声强也越大，两者成正比，它们的关系为：

I=W/S

式中，S 为波阵面面积， m²。

如果声源辐射球面波，那么在离声源为r 处的球面上各点的声强为：

从这个式子可以知道，声源辐射的声功率是恒定的，但声场中各点的声强是不同的， 它与距离的平方成反比