声音、噪声与噪声控制

隔音房，静音室，消音室，消音房，隔音房厂家，静音仓

大家好，很高兴今天能够在这里与大家一起分享有关噪声和在噪声控制领域的工作心得，我的题目是：声音、噪声与噪声控制。

声音是什么？
声音怎么传播，传播的速度有多大？
为什么我们听到的声音有比较响和没那么响？
什么是噪声？
噪声有什么危害？
能不能消除噪声？降低噪声？怎么降低？
降噪技术有哪些方面的进展？
阵列式消声器。

声音是什么？

声音是我们耳朵的感知，我们每个健康的人都可以听到的声音，由于我们可以听到声音，我们可以相互交流，可以知道周围，前后左右可能有什么，可能发生了什么？甚至即将发生什么，等等。声音是信息的载体，如果没有声音，或者我们失聪了听不到声音，那么人类社会将是另一番景象。

从物理的角度看，我们听到的声音，是空气的压力波，我们的耳膜可以感受到空气的压强变化，而且是频繁的反复交变。而该压强变化，是因为有一个扰动源，就象一颗小石子扔到平静的水面，先把水平面砸一个小坑，然后水的弹性反作用又凸起一个鼓包，如此反复上下，同时由于水的黏性带动周围的水平面跟随，逐步传播开来。

我们看到的水波，其往复的方向，垂直于水平面。而水波的传播，是保持在水平面上，这叫横波。空气中的声波是空气不断地压缩–膨胀的反复，其压缩-膨胀的方向与传播的方向相同，叫纵波。

我们拍一下手掌，摔一个东西，吼一嗓子，都是对空气的扰动，都会产生声波。从石子接触水面的那一刻起，1秒钟后最外圈的水波纹到石子落水处的距离为S，这个波速，波的传播速度就是S米/秒。

声速

那么，我拍一下手掌，多长时间传到你的耳朵呢？声音的传播速度与温度有关，20摄氏度时，声速是343米/秒，如果你离我3~4米，1/100秒的时间就传到你的耳朵了。

大家可能听说过前段时间歼20在成都上空试飞时产生音爆，像打雷一样，很多人都听到“爆炸声”。

这是飞机跨音速瞬间的照片，飞机周围有很浓的水雾，这个现象就与声波、声压和声速相关。刚才讲了，声音是空气的压力波，是空气压强大小交变的循环往复，压强大的位置空气密度大，压强小的位置空气密度小，在相同的位置不同的时间里，空气的密度不断地大小交变，但由于声波以声速向各个方向传播，那么相对于以声速运动的物体而言，每时每刻产生的声波在其运动方向上的波阵是静止不动的，而且每时每刻都在产生新的声波随时间不断叠加积累，这样就会很快形成空气密度超高和超低突变的一堵墙，对飞机承受的外力产生巨大的影响甚至破坏。因此，以声速运动是难以持续的。历史上曾经有人推测声速可能是物体运动的极限速度。所以突破音速也叫突破音障。照片是飞机突破音障时刻的瞬间，从水汽可以看到空气密度的突变，水雾所在的空间空气密度超高，水汽化的温度更高，水汽液化形成了微小的水滴形成水雾。或者说，高压把水汽压成了水滴了。

飞机从亚声速到超声速，跨过声速的非常短暂的时间里，形成的局部超大的空气压力差，就是一个瞬间超强的声源，这正是成都市民听到的“爆炸声”。

由于高速运动物体都有突破音障的问题，而音速在不同的温度是不同的，空气的温度在不同的海拔高度是不一样的，比如当地面海拔为零温度为20摄氏度时，声速343米/秒，海拔10000米的温度约为-50摄氏度，声速299米/秒，因此在不同的飞行高度，突破音障的速度也不同，用马赫数（物体运动速度与当处声速之比）来描述运动物体的速度，有重要意义。

声音的响度

我们听到的声音有的比较响，有的不太响，我们都知道用“分贝”来表示，分贝数越大就越响。

那么，分贝又是什么物理含义呢？

大家有没有注意到，前一阵子有报道说微软公司新建了一个用于声学研究的消声室。报道称该消声室的环境背景声压级为负20分贝（-20dB），号称可能是世界上最安静的地方。

可能有人觉得奇怪，为什么会有负多少分贝呢？难度没有声音了不是0分贝吗？负分贝什么概念呢？

0分贝不是没有声音，0分贝是健康听力的人刚刚可以有感觉的声音。刚才说了，我们听到的声音，是耳膜感受到的压强变化，这个空气压强的变化值定义叫声压，单位Pa，经过大量的测试研究，认为人耳刚刚有感觉的声压约为0.00002 Pa，因此，国际上统一定义一个基准声压P0=0.00002Pa，同时研究成果认为，人感觉响的程度并不与声压值呈线性递增的关系，反而与声压的倍数关系更接近一些，综合各种因素，定义实际声压与基准声压的比值取以10为底的对数的20倍数，为声压级。声压级的数值为“分贝”数。以分贝数表达声音的响程度，更合理一些。声压级

因此，当空气的压强起伏的差值为0.00002Pa 时，是0分贝，0.0002Pa时为20分贝，0.002Pa时为40分贝，0.02Pa 时为60分贝，0.2Pa 时为80分贝，2Pa时为100分贝。标准大气压是101325Pa，100分贝，有经验的人知道，非常非常的响，正如你身处一个柴油发电机的机房里面的发电机旁，这么响的声音。其声压，也就是空气的压强变化量仅仅是2Pa，相对于大气压的约100000Pa，微不足道。微软公司的消声室，负20分贝的声压是0.000002Pa，是空气在大约100000Pa压强的基础上的0.000002Pa的变化值。人耳是没有感觉的，能够测量准确的仪器，也是非常高科技的。

声调的高低

人们听到的声音，除了有比较响和不太响的感觉之外，还有声调高低的感觉，这与空气压强交变的频率相关。空气的压强从最大值与最小值之间反复交变，在单位时间的次数，比如说每秒钟交变100次，频率就是100赫兹（Hz），1000次就是1000Hz，10000次就10kHz，我们来听听100Hz的纯音，1000Hz的纯音，10000Hz的纯音。听听白噪声，像是在下大暴雨或者在大型瀑布跟前；听听粉红噪声，像是在远距离听到瀑布的声音。白噪声是从低频到高频比较平均组成的声音，就像光，赤橙黄绿青蓝紫，平均组成，是白光，如果从长波到短波逐步递减，就是从低频到高频逐步递减，光就是粉红色的，类似的频谱组成的声，就是粉红噪声。

人对频率的敏感度

另外，人对不同频率的声音的敏感程度是不同的。在声压相同，也就是空气压强的交变差值相同的时候，如果频率不同，人听到的声音，感觉到响的程度是不一样的。如图，是健康听力人群的听阈曲线。该曲线是通过对大量人群的测试得到的。这条曲线反映健康听力人对不同频率的声音刚刚有感知的声压级。从这条曲线可知，人耳在500Hz~5kHz是最敏感的，大约在0dB左右就有感知，低于20Hz或高于20kHz，要大大超过80dB才有感知，所以一般把20Hz以下的声波叫次声波，20kHz以上的声波叫超声波，并且从一般说法上有次声波或超声波是人耳听不见的声波，其实并不是绝对的。

A计权声压级

由于人感觉的声音大小既与声压有关，又与频率有关，而现实世界中的声音绝大多数是由不同的频率同时构成的，而且不同频率的组成比例千变万化，如何简明表达声音的大小极其重要。A计权声压级是简明表达声音大小的其中一个方式，而且是目前在全球范围内被采用最普遍的方式。A计权声压级就是在声压级的基础上，结合人耳对不同频率的主观响度差异进行调整后，再把各频率经调整后的计权声压级叠加而得到的一个宽带声压级的单值：

各频率的A计权量如图所示。

其值主要参考40方等响曲线，如图所示。

40方等响曲线反映人耳对不同频率的纯音感觉与1000Hz纯音的声压级为40dB具有相同响度的声压级。

如图，A计权修正值曲线的反向曲线（黄色）与40方等响曲线的对比。

平时描述环境噪声大小所说的“分贝”，一般都默认是A计权声压级。国家制定了声环境质量标准，要求商业区的在白天不超过70分贝，住宅区在白天不超过55分贝，在晚上不超过45分贝，用的都是A计权声压级。我们如果轻声地交头接耳朵，大约是A计权声压级50分贝。在一个远离闹市区的村庄，鸡不鸣狗不吠的半夜，环境声压级约为20分贝。

什么是噪声？

人们不想听到的声响是噪声，也常见称噪音。在中国声学界，什么时候用“声”，什么时候用“音”是有讲究的。从物理的角度用“声”，如声强（级）、声功率（级）、声压（级）等等，声是一种物理现象；“音”是用声装载文化艺术思想内容的信息，如音乐、福音、口音、乡音、杂音等等；当然在普罗大众的表达习惯里面不一定区分。声是物理现象，音是人文艺术思想内容的信息。从这个角度来说，噪声是可以用物理量描述的不想要的量，有声压（级）、声强（级）、声功率（级），响度，频率、频谱（特性）等，噪音更适合用来描述你不想要的内容，比如跑调的歌唱，骂人的粗言秽语，破坏社会和谐稳定的言论等等。

噪声可以客观测量客观评价，噪音则带有主观感受，因人而异。比如说喜欢玩鸟的人，喜欢鸟叫声，大声一点也不烦，但蚊子发出的声音，哪怕较小也烦，搞得你睡不着；悦耳动听的钢琴小提琴演奏，大声一点你也觉得舒服；你想听音乐和想睡觉了，标准也不同。所以环保工作是噪声控制，而不是噪音控制。当然，物理学家，生理学家，心理学家以及社会学家一直都在合作研究寻找客观物理量及其组合与人的主观烦扰度的关系。但总体而言，目前环保工作主要还是控制噪声的强度和频谱等物理量。

噪声的危害

噪声的危害主要有几个方面：

首先是分散注意力，影响学习、工作和交流；
另一个是影响睡眠并由此而导致精神不振精力不足，导致神经衰弱，导致内分泌失调抵抗力下降从而进一步诱发各种疾病；
再一个会引起邻里矛盾，社会人群之间的矛盾，导致治安问题甚至刑事案件；
如果长期处在高声强的环境工作，会导致听力损伤，听力下降甚至永久性耳聋。超高声强会导致人体机械性损伤，所以有超高声强武器。

主要的噪声源

现代社会的主要噪声源:

交通噪声；
工业噪声；
社会生活噪声（如：电梯、通风机、水泵、冷却塔，娱乐场所，家庭娱乐，麻将，等等）。

降噪技术

从技术路线上可以考虑源头处理，传播路径拦截和敏感目标的保护。

实用的降噪技术，从直观视觉的角度可以分为：屏障、隔声、吸声和消声。

声屏障就像一把遮阳伞或者一顶太阳帽，在局部形成一个声影区，使得声影区里面的声压级有所减弱。如图，在声亮区是没有作用的，声波还有绕射的能力，频率越低，绕射能力越强，屏障的衰减效果越弱。

这是在高速公路旁设置声屏障前后声压级的断面图：

高速公路上设置声屏障之前

在一侧设置5米高的声屏障之后

在中间隔离带再设置3米高的屏障后

从上面几张空间截面的A计权声压级分布图可以看到，由于道路声屏障的高度有限，对于高层建筑而言，效果非常有限。因此，靠近主干道的住宅区，规划非常重要，买房选房也要懂得讲究。

对于较低的楼层，不利的是离声源近，有利的是可能有一些天然障碍物，如植被、广告牌等；楼层逐渐升高以后，天然的障碍物没了，但距离声源也远了；因此，哪些楼层噪声大？哪些楼层噪声小？不能一概而论，要看具体的声源位置和天然障碍物的情况综合影响。

隔声技术的典型应用就是隔声罩（把声源封包起来）、隔声室（把保护对象封包起来）。声波在传播过程中遇到介质的变化或相同介质密度的变化会发生折射、反射和能量转换，对隔声效果影响最大的是封包材料的质量，很多人都知道隔声指标有一个质量定律。如图是发电厂发电设备的隔声罩，声源设备有燃机、汽机、励磁机、发电机、通风机等等。

吸声技术主要应用在封闭空间内部，让声波遇到空间边界反射时得到尽可能大的吸收衰减，吸声措施对直达声没有降低的作用，只能减少反射声。

消声技术主要在通气管道上应用，它既允许传播噪声的介质（如空气）保持连通和流通，又能有效抑制声波的传播，通过专门设计制造的消声构造统称消声器。典型的应用有汽车发动机排气消声器，通风空调系统的管道消声器。

措施	效果
屏障	5-15dB
隔声	15-50dB
吸声	3-15dB
消声	5-50dB

根据工程实践的统计，这几种降噪技术的降噪效果如表所示。当然，从技术原理的角度，表中所列的屏障效果和吸声效果已经接近原理极限。而隔声和消声，还可以提高。表中的工程统计数据，主要是实际需求和有限代价的反映。在实践应用中，上述各项技术都要综合应用，比如屏障本身离不开隔声，还要结合吸声甚至消声技术。比如隔声室（罩）需要结合吸声措施，隔声室（罩）的通风需要结合消声，等等。消声降噪的措施，正如治病的方案，要对症下药。举个隔声和吸声配合应用的例子。

有一个发射噪声声功率级为90dB(A)的设备，如果放在开阔地带，距离两米处的声压级约为76dB(A)，距离6米处的声压级约为66dB(A)；

如果把设备放进一个房子里面，房子的隔墙的计权隔声量（Rw +C）约为：44dB，墙面的降噪系数约为：0.05时，那么原来距离设备两米的位置，如果处于房内，其声压级从约76 dB(A)上升到约86dB(A)，同样距离两米但被隔离到房外的位置下降到约47dB(A)，原来距离6米的位置同在房内的话，上升为约86dB(A)，这是因为声波的能量大部分被关在了房间内，来回反射混合，所有的反射声在房间内形成的混响声压级约为86dB(A)，而透射出房外的声能量大概只有1/800，下降约29dB(A)，传声损失约39dB(A)，插入损失约29dB(A)。

进一步，我们把设备和管理人员隔离开，隔墙的隔声量和降噪系数同上，门的隔声量（Rw+C）约为：34dB，在设备间一侧，声压级从约86dB(A)升为约88dB(A)，这是因为封闭空间变小了，而声速不变，声波在较小的封闭空间内，在相同的时间里，反射的次数增加了，反射声（混响声）增加了。管理员工位的声压级由86dB(A)降为61dB(A)，是因为隔墙与门的组合计权隔声量有34dB，但同时隔墙的设置使得隔墙两侧的混响增加（单位时间反射的次数增加），即入射到隔墙的声能量比隔墙设置前在相同断面的入射量增加，同时工位的反射次数增加，所以以插入损失考量的降噪效果为25dB(A)。

我们可以对设备间的墙面和顶面进行吸声处理，降噪系数约为：0.75，面积约为：90平方米，设备间的混响声压级从88dB(A)下降为约74 dB(A)，与直达声压级76 dB(A)合成声压级78dB(A)，并因此使得入射到墙面的声能减弱到原来的约1/10，管理员工位的声压级也下降10dB(A)，约为51dB(A)，房外的参考点的声压级下降6dB(A)，约为41dB(A)。

再进一步，我还可以对管理员一侧进行吸声处理，墙面和顶面铺设降噪系数约为：0.55，面积约为：75平方米，处理后管理员工位的声压级将从51 dB(A)降为45 dB(A)。该例子的计算书列表如下：

顺便强调一下，前面讲的分贝，都讲的是声压级或A计权声压级，但描述一个声源发出噪声的能力大小时所说的分贝，不应是声压级而应是声功率级，当然社会上很多人可能分不清楚，比如这个例子，设备发出的噪声始终没变，如果我们以其旁边两米处的声压级去表达它的噪声大小的话，究竟应该说76 dB(A)？还是86 dB(A) ？还是88 dB(A)？还是78 dB(A)？但是用声功率级描述，它始终是90dB(A)，我们如果站在它旁边两米处，耳朵听到的响的程度确实在变化，但那是环境变化造成那个点位的声压级变化，而设备单位时间发出的噪声能量始终是稳定的。今天时间有限，不能展开介绍声功率（级）的概念以及与声压（级）的差别了，大家有兴趣可以自己看书研究一下。不过一定要知道，声压级不宜用于描述声源。

降噪技术的进步

降噪技术的发展进步，第一个是与电子和信息技术的结合，特别是利用180度相位差相抵消的主动降噪技术。随着电子计算机技术的发展，随着电子工业技术的发展，电子元器件性能的不断提高，在有源降噪耳机上已经得到了实际应用，在其他领域也在积极探索；第二个是轻量化方面，前面讲到隔声性能有质量定律，现在轻结构建筑存在隔声性能下降的问题。又轻又保证隔声是社会发展的需要，例如声子晶体材料的研究等等，科学工作者都在积极研究探索；再一个是降噪措施的节能减排。比如说我们大家都知道，一些飙车发烧友把汽车排气消声器换掉甚至拆掉，汽车飙起来更加有劲，提速更快。实际上汽车消声器拆除后，跑同样的公里数耗油量更少，说明汽车消声器是有额外的能耗的。对于飙车族来讲，消声器对发动机是有功率损耗的。但是，把消声器拆掉后，汽车的噪声大大地超标了，严重地扰民了，所以，在保证消声器消声效果的同时，减少其功率损耗量，也是节能减排的技术进步；对于工业和民用建筑而言，通风空调系统的消声器同样具有节能减排的前景，可使通风系统在保持相同通风流量的前提下减少通风机的能耗。

节能减排的阵列式消声器

比如说过去几十年我们都采用片式消声器，现在新发展了一种阵列式消声器，其通风阻力系数，在消声效果保持不变的前提下，仅为片式消声器的1/2（理想平行流条件下）~1/7（紊流条件下），深圳地铁地下站及隧道通风系统已经经过实测验证，按照这个估算，每个地铁站每年的通风机耗电可以减少100000~200000千瓦时，一个深圳市每年有多少通风机需要消声运行？共可以减少多少电量？节省多少电费？减少多少碳排放？