物理性污染与防治

第一章
绪论
第一节 物理环境与环境物理学
一、什么是环境？
环境是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和 发展的物质条件的综合体。 环境
自然环境 物 理 环 境 社会环境
大 气 环 境
水 环 境
土 壤 环 境
二、物理环境
物质能量交换和转化的过程构成了物理环境。
物理环境
天然物理环境
人工物理环境
三、环境物理学的产生、发展、学科体系及研究特点
① 瞬时声压 p=( P-P0 )
P0— 空气在平衡状态下的大气压强（静态压强）
表示与静态压强的差（即压强的起伏变化量），单位Pa。
瞬时声压的函数：
p( x, t ) PA cos(t kx) p( x, t ) PA cos(t kx)
② 有效声压（ pe ）
正向传播 负向传播
pe
p0
有效声压值
基准声压
p0 2 105 Pa 20 Pa
正常人耳的听阀
（2）声强级（LI）
定义式： LI 10 lg I I0
I
被量度的声强 基准声强
(dB)
I0
I0 1012 (W / m2 )
400 LI Lp 10 lg Lp Lp c
若△Lp<0.5dB，可近似认为Lp≈LI。
t
t
2 p 2 p 2 p 1 2 p 声波的波动方程 x2 y2 z 2 c2 t 2 表明：
声压p是空间（x、y、z）和时间t的函数，
记作p(x、y、z、t)，描述声波在不同方位和时
刻的声压变化规律。
五、声波的基本类型
根据声波传播时波阵面的形状不同将声波 分为平面声波、球面声波和柱面声波。
据调查，在 法国每四个精神 2 病者中有3人是 噪音引起的。在 3 引发各种病症 作用于中枢系统，出现头疼、 巴黎和东京的自 疲劳、失眠、记忆力衰退等症状。 杀事件中有35% 是由噪音引起的。 使人易患胃功能紊乱症。 使人交感神经不正常、引起心 有35%的犯罪狂 室组织缺氧，导致冠心病、动脉 与噪音有牵连。 硬化和高血压等。
pe PA
2
（3）质点振动速度和声阻抗率
① 质点振动速度
正向传播：
PA ux cos(t kx) u A cos(t kx) c
负向传播：
PA uA c
PA PA ux cos(t kx) u A cos(t kx) u A c c
1无机纤维材料2有机纤维材料3泡沫材料4吸声建筑材料2吸声特性及影响因素射射声声波波入射角度入射角度频率频率高频优于低频高频优于低频厚度厚度对低频声厚度越大吸声效果越好对低频声厚度越大吸声效果越好对高频声厚度几乎无影响对高频声厚度几乎无影响孔隙与密度孔隙与密度厚度不变增加密度可提高厚度不变增加密度可提高中低频吸声系数中低频吸声系数厚度不限时材料以松散为宜厚度不限时材料以松散为宜背后空腔背后空腔护面层护面层宜采用透气性好的纺织品宜采用透气性好的纺织品金属网塑料网金属网塑料网使用环境使用环境背后空腔的影响与多孔材料直接贴在墙面相比中低频吸声性能会提高其吸声系数随空气层厚度增加而增加但增加到一定厚度后效果不再明显
人们不需要的,并对周围环境造成不良影响的声音。
二、噪声的来源
来源
工 业 生 产
交 通 运 输
建 筑 施 工
社 会 生 活
三、噪声的分类
交通噪声 产 生 源 工业噪声 建筑施工噪声 社会生活噪声 产 生 机 理
机械噪声
气流噪声
(空气动力性噪声)
电磁噪声
四、噪声的危害
生
1
理
心
理
仪器设备和建筑
1 使电子仪器连 接部位出现错动、 引线抖动、元件偏 移。 2 使周围建筑物 受损。
下限频率 中心频率 上限频率
177
355
250
500
355
710
35.5
44.7
40
50
44.7
56.2
2、频谱及频谱分析 声音的频谱：
组成声音的各种频率的分布图形。
频谱图形大致分为三种： a、线状谱
Lp Lp b、连续谱 c、复合谱 Lp
某些乐器发出的声音 大部分噪声都属于连续谱
f
f
有调噪声
f
四、声波的波动方程
2 p x 2 2 p y 2 2 p 1 2 z 2 c2 t 2 p
或记作
2 p
1 2 p c 2 t 2
—拉普拉斯算符 x y z
声振动作为宏观物理现象，必须满足三个基本的物理定律 ： 牛顿第二定律、质量守恒定律以及温度、体积等状态参数的状态 方程。 u ( p p p ) 牛顿第二定律导出声波的运动方程： t x y z
4 影响胎儿发育和儿童智力 家庭室内噪声是造成儿童聋 哑的主要原因。 噪声使儿童智力发展缓慢。
损伤听力 受损严重导致耳聋。 干扰睡眠
噪声公害事件
1、1959年美国飞机噪声实验。 2、1960年11月，日本广岛市一男子因不堪忍受工 厂噪声折磨刺杀工厂主。1961年7月，日本东京青年 因不堪忍受客货车的噪声自杀身亡。 3、1981年，美国的现代派露天音乐会。
② 声阻抗率（Zs) 定义：在声场中某位臵的声压与该位臵质点振动 速率之比。 即：Zs p 0c u
说明：对平面声波，声阻抗率 Zs 0c ,只与 0 和c有关， 而与f、λ等无关。所以称 0 c为媒质具有的特性阻抗， 单位：Pa〃s/m。 平面声波特点：振辐恒定，媒质具有特性阻抗。 声阻抗率是媒质的特性而非声波的特性。
1、分贝
级：用对数标注时，确定基准量后对被量度量与基 准量的比值求对数，求出的对数值称为被量度量的级 。
贝尔：如果所取对数是以10为底，则级的单位为贝尔 （B）。 分贝：将1贝尔分为10档，每一档的单位称为分贝（dB ）。
2、声压级、声强级和声功率级
（1）声压级（Lp）
pe 2 pe 定义式：L 10 lg (dB) 20 lg p 2 p0 p0
注意：声功率仅仅是声源功率中以声波形式辐射出的一 小部分功率。
波阵面面积
媒质体积：V，垂直于x轴方向截面积：S。 厚度△x= x2- x1，声波从x1到x2经过时间t。 2 P2 0 e P I DC C 2 C 0 0
S
2 pe D 0C 2
S
W IS
0
x1
x2
0 — 媒质密度
五、噪声污染及其特点
1、噪声污染
被测试环境的噪声级超过国家或地方规定的噪声标准 限值，并影响人们正常生活、工作或学习的声音造成噪 声污染。
2、噪声污染的特点
噪声污染是一种物理性污染，具有局部性和无后效性。
六、噪声控制
1、噪声控制的途径
声源
传播途径
受体
抑制 噪声源
控制 传播途径
保护 受体
2、噪声控制的程序
z
x
y
六、平面声波 （1）平面声波的波动方程
2 p 2 p 2 p 1 2 p x2 y2 z 2 c2 t 2
2 p 1 2 p 即：p(x,t) x 2 c 2 t 2
p 1(ct x) 2 (ct x)
正向传播 负向传播
（2）瞬时声压和有效声压
ux u y uz 由质量守恒定律导出声波的连续性方程： ( ) t x y z 由PV=nRT导出声波的状态方程： p c2
2 p 2 p 2 p 1 2 p 综合上述三方程得出声波的波动方程： 2 x y2 z 2 c2 t 2
本章研究对象
纵波
纵波、横波皆可能
二、描述声波的基本物理量
1、声波四要素 周期：T，单位 s;
波长：λ，单位m;
频率：f，单位Hz（1Hz=1s-1);
1 T f c
声速：c，单位m/s. （与媒质、温度有关，在空气中c=340m/s） 2、声压（p） p=( P-P0 )
P0— 空气在平衡状态下的大气压强（静态压强）
（4）声能量、声能密度、声强和声功率
① 声能量 (单位：J) 媒质受力后产生振动和形变具有的声能量。 （等于动能和弹性势能（位能）之和）
②声能密度 D (单位：J/m3) 声场中单位体积媒质所含有的声能量称为声能密度。 ③声强 I (单位：W/m2) 在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的 平均能量称为声强。 ④声功率W 声源在单位时间内辐射的声能量。
噪 声 源 测 量 和 分 析
确定 受影 响区 域噪 声的 允许 标准
降 噪 量 确 定
制 定 控 制 方 案
工 程 评 价
评 价 是 否 达 标
第二节
一、声波的形成
1、声源
声学基础
凡能产生声音的振动物体统称为声源。 声源的振动带动介质的质点在其平衡位臵附近进 行往复运动。
2、声波的形成 声源的振动引起声源周围弹性媒质（空气分子、 水分子、固体分子）的振动，使声源产生的振动以声 波形式传播。 波形成的两要素：声源和弹性媒质。 空气 传播媒质 液体 固体
1、环境物理学 环境物理学是研究物理环境同人类的相互作用的科学。 2、环境物理学的产生和发展 3、环境物理学的学科体系 环境声学 环境振动学 环境电磁学 环境物理学 环境放射学 环境热学 环境光学 环境空气动力学
4、环境物理学的研究特点
① 不仅研究污染控制，而且研究适宜人类活动的 各种物理条件； ② 注重物理现象的定量研究。
第二章
噪声污染及其控制
第一节
一、噪声的定义
概述
可听声的频率范围：20 - 20000Hz 20~500Hz 500~2000Hz 2000~20KHz 低频声 中频声 高频声
1、从物理学角度
无规则、非周期振动物体发出的声音。
2、从医学角度
超过60分贝的声音。
3、从心理学角度
人们不需要的声音。
4、从环境学角度
八、声音的声压级、声强级、声功率级
为何要引入级的概念？ 人耳的听觉范围：20Hz~20000Hz，用声压或声强 的绝对值来衡量声音的强弱非常不方便，因此采用 对数标度的方法。
1、分贝
级：用对数标注时，确定基准量后对被量度量与基准 量的比值求对数，求出的对数值称为被量度量的级。
贝尔：如果所取对数是以10为底，则级的单位为贝尔 （B）。 分贝：将1贝尔分为10档，每一档的单位称为分贝（dB ）。
f1 f 2
③ 带宽( f )
f ( 2
n
1 2
n
) f0
n=1 n=1/3
f 0.707 f0 f 0.23 f0
倍频程和1/3频程
频 倍频程
11 22 44 88 16 31.5 63 125
率 （Hz）
1/3频程
下限频率 中心频率 上限频率 14.1 17.8 22.4 28.2 16 20 25 31.5 17.8 22.4 28.2 35.5 22 44 88 177
（3）声功率级（LW）
定义式： LW
W
W 10 lg W0
(dB)
被量度的声功率 基准声功率
W0
W0 1012 (W )
LW LI 10lg S
球面波：LW = LI + 20lgr + 11 半球面波：LW = LI + 20lgr + 8
pe 2 pe (dB) p0 2 105 Pa 声压级：Lp 10lg 2 20lg p0 p0
第二节 物理性污染及其研究内容
一、物理性污染及其特点
1、物理性污染 物理运动的强度超过人的耐受限度因而形成物理性 污染。
2、物理性污染的特点
① 一般是局部性的；
② 无后效性。
二、物理性污染的研究内容
主要包括物理性污染机理及规律、物理性污染评价 方法和标准、物理性污染测试和监测、物理性污染的环 境影响评价、物理性污染控制的基本方法和技术。 其重点是环境噪声污染、环境振动破坏、电磁辐射 污染控制工程基础理论和点的轨迹曲线。
1、平面声波
定义：波阵面与传播方向（声线）垂直的声波。
典型平面声波：活塞在直管中的运动所辐射的声波。
2、球面声波
定义：波阵面为同心球面的声波。
典型球面声波：点声源在均匀媒质中辐射的声波。
3、柱面声波
定义：波阵面为同轴圆柱面的声波（其声源一般 视为线声源）。
I 声强级： LI 10 lg I (dB) 0
I0 1012 (W / m2 )
Lp Lp
若△Lp<0.5dB： LI Lp
W 声功率级：LW 10 lg (dB) W0
PA pe— 有效声压值 pe 2
七、球面声波
在三维空间中只需取某点到声源的 距离，即同心球的半径r为参数。
2 (rp) 1 2 (rp) 其波动方程为： 2 r c2 t 2
p(r , t ) A cos(t kr ) r
对球面声波有：u A A (A为声源辐射声波能力的常数) cr 球面声波特点：振辐不是一个常数，而与声波的传播距 离成反比，即随r的增加而减少。
表示与静态压强的差（即压强的起伏变化量），单位Pa。
三、声音的频谱
1、频程
① 频程
把宽广的频率变化范围划分为若干小区间，称这些小区 间为频程（或频带）。
② 频程数n
f2 2n f1
f1、f2为任一频程的下限频率和上限频率
当n=1/3,称为1/3倍频程，n=1称倍频程。各频程的中心频值:
f0