环境工程概论 第六章噪声和振动污染控制工程概论 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 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 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6-1所示。 表6-1听力损失与耳聋程度 听力损失耳聋程度 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 132
环境工程概论 132 第六章噪声和振动污染控制工程概论 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 6－1 所示。 表 6－1 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
环境工程概论 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 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6-2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 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(f<500Hz)、中频噪 声(f=500Hz~1000Hz)和高频噪声(f>1kHz)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 133
环境工程概论 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 6－2 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(f<500 HZ)、中频噪 声(f=500 HZ～1000 HZ)和高频噪声(f>1 kHZ)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 20 HZ～2000 HZ，成为噪声控制的主 要对象。 五、噪声污染控制途径
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6-3所示。 表6一3建筑施工场界噪声限值 沲工机械 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 70 dB(A) 55 dB(A) 65 dB(A) 55 dB(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Ld(dB)与当地入口密度p(人/km)的关系为:Ld= 10 log p +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研宄降低噪声源中、噪声辐射部件对激振力的响应 (2)臊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 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
环境工程概论 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 6－3 所示。 表 6－3 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 75 dB(A) 55 dB(A) 打桩 打桩机 85 dB(A) 禁止施工 结构 混凝土搅拌机 70 dB(A) 55 dB(A) 装修 吊车、升降机 65 dB(A) 55 dB(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＝ 10 log ρ＋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
环境工程概论 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)P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Nm2 P=Po--P (6-1) 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 (6 (6-3) 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 表6-4声波在各种介质中的传播速度(21.1℃) 介质空气水车 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 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(<<) 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Wm2;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.sm,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 式中:p0-介质密度(kg/m3) 五、声压级和声强级 声压级LP和声强级L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(0.2uPa)和基准声强lo(102wm2) 135
环境工程概论 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’ (6－1) 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 (6－2) λ＝c/f＝c﹒T (6－3) 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 6－4 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) 344 1372 3353 3658 5182 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 (6－4) 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 )
环境工程概论 LP=20 lg(P/Po): LI=10 lg(I/lo) 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L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Ls,其相互换算公式为: t 10 Ig 式中:t一不稳态噪声暴露时间,h LA-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6-5相干波和不相干波 相干波 频率相同、有固定相位差 频率相同、相位差物规则变化 不相干波 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 Pt=P1+P2+……+Pa=∑Pi (6-6) 式中:Pi一第i列声波的声压 Pt-合成声场的声压 n一声波列数 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 八、声波的反射、透射、折射和绕射以及衍射 136
环境工程概论 136 LP＝20 lg (P/ P0)；LI＝10 lg (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＝10 lg １ Ｔ∫0 t 10 0.1LA dt (6－5) 式中：t－不稳态噪声暴露时间,h LA－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 6－5 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： n Pt＝P1＋P2＋……＋Pn＝∑Pi (6－6) 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 (6－7) 八、声波的反射、透射、折射和绕射以及衍射