第十章 噪声与振动

第十章 噪声与振动

第一节 声学基础

声音（包括噪声）的形成，必须具备三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要

有能够传播声波的媒介，最后还要有声的接受器，如人耳、传声器等。

一、声音的基本性质

声音（sound ）是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定

频率范围内（20～20000Hz ）的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。

当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常

我们把振动发声的物体，称为声源（sound source ）。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。

如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振

动的物体外，还必须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃等固体。

物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震动后一定会使人们得到声音的感觉。因为

人耳能感觉到的声音频率范围只是在20～20000Hz 之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于20Hz 的声音称为次声（infrasound ），频率高于20000Hz 的声音称为超声（ultrasound ）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到的。

描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的物理量有：声压、声强、声功率以及各自相

应的级，描述声音大小的主观评价量是响度、响度级。

1． 1． 声压与声压级

声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（sound field ）。当声

波在空气中传播时，声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏时密，引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强的差值定义为该点的声压（sound pressure ）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压表示。

声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳，引起耳内鼓膜振动，刺激听觉

神经，产生声音的感觉，声压越大，耳朵鼓膜受到的压力越大，感觉到的声音越强。因为声波作用引起声场中某点介质压缩或膨胀，所以声压有正有负。声压可用瞬时声压和均方根声压（亦称有效声压）表示。声场介质中某点在某瞬时相对于静压强的单位面积上的声压变化即瞬时声压()p t （instantaneous sound pressure ）；瞬时声压在某一时间周期内的均方根值，即均方根声压rms p (root mean square sound pressure)。rms p 按下式计算：

1

2122201()()T rms p p p t dt T ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦⎰ （Pa ） (10-1)

公式中符号上部横线表示对时间加权平均，而T 是测量的时间周期。

以下未注明的声压p 均指均方根声压rms p 。人耳刚能听到的声压定义为听阈声压，其值为

0p ＝2×10－5Pa ，也称基准声压；使人耳感觉疼痛的声压定义为痛阈声压，其值为p ＝20Pa ，两者之间相差100万倍，一般声音介于两者之间。由于常用的声音大小相差悬殊，为了度量与记录，采用级的概念，即用声压的倍比关系的对数量来表示，单位为分贝( decibel ，dB)，对于均方根声压为p 的声波，其相应的声压级（sound pressure level ）

p L 为： 020lg(/)p

L p p = （dB ） （10-2）

常见的声压级范围如图10-1所示。

图10-1 声压级的相对范围 2．声强与声强级

声音在介质中传播时，介质本身并不随着声波传播出去，而只是在其平衡位置附近来回振动，

可见声音的传播实质上是振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。声强(sound

intensity) I 定义为垂直于声波传播方向单位时间、单位面积上通过声波的平均声能。I 与声功

率W 的关系为：

/I W S = （W/m 2） （10-3）

S 指垂直于声波传播方向的面积。声强以能量的方式来度量声音的强弱，声强越大，表示单位时

间内耳朵接受到的声能越多，声音就越强。在自由声场中，任一方向上的的声强为：

2/I p c ρ= （10-4）

式中 ρ－介质的密度，kg/m 3； c －声音在介质中的速度，m/s 。

声波在弹性介质中传播的速度称为声速。声速随弹性介质温度的上升而增加，在温度为0℃

的空气中声速为331.4m/s ，声音在空气中传播时，声速与空气温度的关系为： 331.40.607c t =+ (m/s) （10-5）

式中 c —声速，m/s ；

t —空气温度，℃。

声速在不同的介质中也是不同的，在水中的声速约为1450m/s ；在钢铁中约为5000m/s ；在

玻璃中约为5000～6000m/s ；在砖墙中约为2000m/s 。

为使用方便，通常用声强级（sound intensity level ）L I 代替声强来描述声音的强弱，其

表达式为：

010lg(/)I L I I = （dB ） （10-6）

式中，0I 为基准声强，-12 20I =10W/m ，对应于气温为20℃时的基准声压，由式（10-4）确定。

3．声功率和声功率级

功定义为物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积，因此把声波沿着声波传播的方向

传送能量即作功的速率定义为声功率(sound power) W 。声功率是反映声源特性的物理量，其大

小反映声源辐射声能的本领。它与声强I 的关系为：

⎰=s

IdS W (W) （10-7） 式中 S —包围声源的封闭面积，m 2。

声功率级（sound power level ）L W 的数学表达式为：

010lg(/)W L W W = （dB ） （10-8）

式中，W 为对应于基准声强的基准声功率，

12010W W -=。 4． 4． 声级的运算

对于以分贝为单位的各种声级的运算可按下列公式进行：

（1）级的相加。设n 个声源产生的同名级(声功率级、声强级或声压级)分别为L 1，L 2，…，

L n （dB ），则合成的总声级为： )101010lg(1010

101021n L L L L ++= （dB ） （10-9）

（2）级的相减。若已知两个声源的声级之和为L ，其中的一个声级为L l ，则求另一个声级L 2

可通过级的相减，即由下列式子算出：

102110lg 1101L L L ∆⎡⎤=-+⎢⎥-⎣⎦ （dB ） （10-10） 式中，△L ＝L-L 1（dB ）。

（3）级的平均。n 个声源所产生的声级的平均值可按下式求出：

n L L lg 10-= （dB ） （10-11）

式中 L －n 个声源的声级(同名声级)之和，由式(10-9)算出。

例如在计算一声源的等效（连续）A 声级L Aeq 时就要用到级的平均公式，譬如对该声源采取

采样测量，且采样的时间间隔相同，共采样n 次，相应的A 声级分别为L l ，L 2，…，L n ，则可按

下式计算出该声源的等效A 声级：

n L n L L L Aeq lg 10)101010lg(1010101021-+++= （dBA ） （10-12）

二、声音的传播与衰减

声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性。当声波在前进过程中，遇到尺寸比其

波长大得多的障碍物时，就会发生反射（reflection ）；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就

会发生衍射（diffraction ，旧称“绕射”），由于衍射现象同障碍物尺寸与声波波长的比值有关，

低频噪声更容易发生衍射；当两个或数个声波在传播过程中相遇，其振幅会叠加或削弱，这种现

象叫做干涉（interference ）。另外，还有声音的共鸣现象和掩蔽效应，等等。

由于噪声在传播中要不断地被衰减，因此离噪声源近，噪声大些；离噪声源远，噪声就小。