1、环保工程师专业知识培训讲义一、噪声与振动污染控制工程基础 二、物理污染控制工程实践三、主要电磁污染源及其特性四、电磁污染防治基本方法第1章 噪声与振动污染控制工程基础1.1 噪声与振动的计量和评价复习要求：1、熟悉躁声与振动的主要物理量和单位2、掌握躁声与振动控制工程中的常用评价量一、噪声和振动的基本概念声音在人们的生活、工作中起着非常重要的作用。声音的本质就是气体、液体、固体介质中的质点振动，声音的产生和传播都离不开介质的力学振动行为。声音有有利的一面，也有有害的一面。人们把不和谐的、令人反感的声音称为噪声。要抑制噪声的发生和传播，就必须了解噪声产生的原因和传播的规律，也就必须具备振动基本知
2、识。振动是声音的来源。噪声是声音的一种，判断一个声音是否属于噪声，主观因素起决定性作用。生理学将对人体有害或人们不需要的声音称为噪声。物理学将和谐的声音叫做乐音，不和谐的声音称为噪声。噪声是各种不同频率和不同强度声音无规则的杂乱组合，给人烦躁的感觉;噪声的波形曲线通常是无规则的。1、声源：凡是能发出声音的振动体，都可以称为声源。声音是由于声源的振动而产生的。声源可以是固体，液体或气体。2、声波：物体在弹性介质中的机械振动可引起介质密度的改变，这种介质密度变化由近及远的传播过程即为声波。声波产生和传播见332页图。声波产生的条件是声源(机械振动的物体)和弹性媒质。声波可分为横波和纵波。声音的传播
3、是物体振动状态的传播过程，即传播的是状态和能量，不是媒质本身。3、声场：由声波存在的媒质区域称为声场。可以分为自由声场、混响声场、扩散声场、远场和近场等。自由声场：无反射声存在的声场，也表示那些在各向同性的均匀媒质中界面的影响可以忽略的声场，或者做了强吸声的消声室内的声场。混响声场：在比较大的建筑围护结构内，各壁面存在多次强反射所形成的、以反射声为主的声场，称为混响声场。扩散声场：声能密度分布均匀，反射的传播方向为无规律分布的声场，称为扩散声场。混响声越强烈的声场越接近扩散声场。远场：指自由声场中到声源的距离每增加一倍，声压降低至一半的区域。远场内的媒质瞬时质点速度与声压的相位一致。近场：远场
4、之内的区域为近场。近场内媒质瞬时质点速度与声压的相位不相同。4、频率( )：单位时间内媒质质点振动的次数，单位为Hz。 周期( )：质点振动每往复一次所需的时间称为周期。单位s。 声音的频段范围划分见333页表5-1-1。5、波长( )：在波的传播方向上，相邻两波峰(或相邻两波谷)之间的距离称为波长。波长也是质点的振动经过一个周期声波传播的距离。单位是米(m)。6、声速( )：声音在媒质中传播的速度。单位米/秒(m/s)。 或 声速是介质温度的函数，温度升高声速增加;声速还随大气压强的增加而增加;空气声速受空气湿度影响;声速和媒质的种类有关。声速表见334页。7、声压：空气受到扰动时，空气压强
5、就在大气压强 附近做迅速起伏变化的波动，并改变为 ，将声扰动产生的逾量压强 称为声压。声压一般是时间和空间的函数。分为瞬时声压和有效声压。单位 1Pa=1N/m2,微巴( )，1微巴=0.1Pa。一定时间间隔内瞬时声压对时间的均方根值称为有效声压。 人耳对频率为1000Hz声音的可听阈(即人耳刚刚能察觉到声音的存在)约为 Pa;刚刚使人耳产生疼痛感觉的声压(痛阈声压)约为20Pa。8、频带：把宽广的声音频率变化范围划分为若干较小的段落，叫做频带(频程)。任一频带都有上限频率 、下限频率 (这两个频率又称截至频率)和中心频率 ，上、下限频率之间的频率范围称为频带宽度，又称带宽。倍频带(倍频程)：
6、如果两个频率相差一倍，称这两个频率之间相差一个倍频带，即这两个频率之比为21，或 ;相差3个倍频带意味着两个频率之比为23，依此类推，相差n个倍频带就意味着两个频率之比为 。上限频率 、下限频率 和倍频带系数n有如下关系： 或 ，一般 越小，频带分的越细。频带的中心频率 是上、下限频率的几何平均值， 在噪声测量中，通用的倍频带有n=1时的1/1倍频带，简称倍频带;有n=1/2时的1/2倍频带，有n=1/3时的1/3倍频带等。其上限频率值 、下限频率 和中心频率值 值分别见337页表。9、声功率：单位时间内声源辐射出来的总声能量称为声功率。瞬时声功率 ，它的平均声功率为： 。一个声源发出的声功率
7、和声源做功发出的总功率是两个截然不同的概念，声功率只是声源总功率中以声波形式辐射出去的一小部分功率。声源声功率强度的范围很广。10、振动的位移、速度和加速度设在一简谐振动中，A为振动的振幅， 为角频率， 为时间，则可将振动的位移表为 、速度表为 、加速度表为 。 振动位移在研究机械结构强度和变形时有意义;加速度在研究机械疲劳、冲击和评价振动对人的影响时有重要意义;振动速度和结构辐射噪声大小有关联。1、级和分贝 (1)级人们听觉灵敏度与声波量之间的关系不是线性关系，而接近对数的关系。因此利用分贝作为单位进行量度，既可对范围很大的声音强度进行对数压缩，而且也符合人耳对声音响应的灵敏程度。使用“级”
8、的概念用于量度声音的强弱。声学量与同类基准(参考)量之比再取对数就是“级”的概念。级的单位是奈培时，其对数取自然对数，底为 ，符号是 ;级的单位是贝尔(Bell)时，其对数取以10为底的对数，符号是B。(2)分贝声学中将正比于声功率的两个同类声学量(如两个声压平方)之比，取以10为底的对数，再乘以10，该参数的单位称为分贝，记为dB， 。2、声压级噪声控制中，常用声压级来衡量声音的强弱。 ，基准声压 声压级和声压的关系为，声压级变化20dB，相当于声压值变化10倍;声压级变化40dB,相当于声压值变化100倍;3、声功率级声源的声功率级 等于这个声源的声功率 与基准声功率 的取常用对数再乘以1
9、0。基准声功率 4、振动加速度级振动加速度平方与基准加速度平方的比值取以10为底的对数乘以10，就得到振动加速度级 ， 加速度有效值，简谐振动加速度有效值为加速度幅值的 倍， ; 基准加速度， 。一般人刚刚感觉到的垂直振动加速度级为 ，即60dB。5、振动级振动级指修正的加速度级，用 表示，即： 6、声压级的叠加、修正和平均(1)声压级的叠加声压级相同的声音的叠加。不能将声压级做简单的算术相加，能进行叠加运算的只能是声音的能量，利用能量的相加进行声压级运算。当N=2，即声压级相同的两个声音叠加，则总声压级为：声压级不相同的声音的叠加。两个声压级不相同的声音的叠加，并假设第一个声音的声压级大于第
10、二个声音的声压级，即 ，则总的声压级 可以表示为：(2)声压级的修正2个声压级不相同的声音叠加时，假设第一个声音的声压级大于第二个声音的声压级，即 ，则总的声压级可表示为： (3)声压级的平均分贝是能量之比的对数关系，声压级的平均应取各声压级的能量平均的分贝数， ，或者表示为： 计算N个声压级的平均值的方法是：首先求出N个声压级的总声压级，然后减去 。它是从声能平均的原理推导出来的，在一般测量中，测量的各声压级差值如果在10dB的范围内，简化用算术平均法的误差不大。7、A声级研究噪声对人体健康的危害及对噪声的防治，必须有噪声对人体影响程度的评价标准。对噪声的评价常采用统计的方法，即依靠足够数的
11、人们对噪声主观反应的对比性调查，得出统计的平均量。主要的评价量有A声级、等效连续、噪声评价数NR和累积百分声级。有关概念：(1)响度级：单位是方(phon)。响度级就是指当选取1000Hz纯音做基准音时，凡是听起来和该纯音一样响的声音，不论其声压级和频率是多少，它的响度级(方值)就等于该纯音的声压级数。(2)等响曲线：345页图表示每一条曲线表示不同频率、不同声压级的纯音具有相同的响度级。(3)频率计权：在测量仪器中，对不同频率的客观声压级人为地给予适当的增减，这种修正方法称为频率计权，实现这种频率计权的网络称为计权网络。A、B、C、D 4种计权网络，经过计权网络测得的声级称为计权声级，是衡量
12、噪声强弱的主观评价量。A声级测量的结果与人耳对声音的响度感觉相近似，用A声级分贝数的大小对噪声排列次序时，能够较好反映人对各种噪声的主观评价。是目前评价噪声的主要指标。复习要求： 1、熟悉声源及其分类2、掌握点声源、线声源和面声源的基本特性一、机械噪声源由于机械设备运转时存在不平衡，各零部件之间因偏差或表面缺陷而相互撞击、摩擦产生的交变机械作用力使设备金属板、轴承、齿轮或其他运动部位发生振动而辐射出噪声的声源称为机械噪声源。机械噪声源又分为下列几种。1、撞击噪声因冲击力的作用会使机械产生较强的冲击噪声。如锻锤工作时其机械能分为四部分，第一部分做功、第二部分转化为热能、第三部分通过基础以固体声的
13、形式向四周地面传播，第四部分则转化为使机件产生弹性形变的振动能。机件弹性形变振动能的一部分再以声波的形式向四周空间辐射，形成撞击噪声，这种噪声还可以分解为撞击瞬间产生的喷射噪声、压力脉冲噪声和结构噪声。其中以结构噪声产生的影响最大，辐射噪声的时间最长。撞击噪声有以下特征：当撞击发生在较硬的光滑物体之间时，作用时间短，作用力大，则激励的频带宽，激发物体本身振动方式就多，呈宽频带撞击噪声;如果撞击发生在较软的不光滑的物体之间时，作用时间相对较长，作用力小，激励的频带窄，激发的振动方式少。2、激发噪声一般由旋转机械的周期性作用力产生。最简单的周期力是由转动轴、飞轮等转动系统的静、动态不平衡所引起的偏
14、心力。这种作用力正比于转动系统的质量和静、动态的合成偏心距，也正比于转动角速度的平方。当转动系统的转速达到其临界转速时，则该系统自身会产生极大的振动，并将振动力传递到与其相连的其他机械部分，激起强烈的噪声。激发噪声会随着机件缝隙的存在、结构刚度不够或摩擦严重而增大。3、摩擦噪声物体在一定的压力作用下相互接触并作相对运动时，物体之间产生摩擦，摩擦力以反运动方向在接触面上作用于运动物体，从而激发物体振动而产生噪声。如汽车的刹车声等。摩擦噪声中的主要是摩擦引起物体的张弛振动所激发的噪声，当振动频率与物体的固有振动频率相同时，摩擦噪声将达到最大。4、结构噪声机械噪声是由于机械振动系统受迫振动和固有振动
15、共同引起的，其中固有振动起了主要的作用，固有振动频率是噪声的主要组成成分，而振动系统的固有振动频率取决于系统的结构特征和参数，所以称为这种噪声为结构噪声。任何机械部件都有它固有的振动方式，不同的振动方式对应于不同的振动频率。振动的方式、频率与部件或物料的物理性质、部件的结构形状和振动的边界条件有关。物料的弹性模量愈大，材料愈粗、厚，则其固有频率愈高;材料的面积愈大，即棒愈长，板面积愈大，则其固有频率愈低。 5、齿轮噪声啮合的齿轮对或齿轮组，由于相互碰撞或摩擦可激起齿轮体的振动，这种情况下辐射出来的噪声称为齿轮噪声。6、轴承噪声轴承内相对运动的元件之间的摩擦和振动，或者转动部分的不平衡、相对运动
16、元件之间的撞击等，都会导致轴承噪声的产生。二、空气动力性噪声源由于机械零件和周围及封闭媒质(空气)交互作用而辐射出噪声的声源称为空气动力性噪声源。1、喷射噪声：气流从管口以高速(介于声速与亚声速之间)喷射出来，由此而产生的噪声称为喷射噪声，也称为喷注噪声或射流噪声。2、涡流噪声：气流流经障碍物时，由于空气分子黏滞摩擦力的影响，具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用，在障碍物的下游区形成带有涡旋的气流。这些涡旋中心的压强低于周围介质的压强，每当一个涡旋脱落时，湍动气流就会出现一次压强跳变，这些跳变的压强通过周围介质向外传播，并作用于障碍物。当湍动气流中压强脉动含有可听声的频率成分且
17、强度足够大时，就能辐射出噪声，称为涡流噪声或湍流噪声。3、旋转气流噪声：旋转的空气动力机械(如飞机螺旋桨)，旋转时与空气相互作用而连续产生压力脉动，从而辐射的噪声称为旋转气流噪声。4、燃烧噪声：各种燃料通过燃烧器与空气混合而燃烧，在燃烧过程中可产生强烈的噪声，这种噪声称为燃烧噪声。气态燃料燃烧噪声有如下特性：(1)燃烧吼声：可燃混合气体燃烧产生的噪声，称为燃烧吼声。燃烧吼声强度与燃烧强度成正比，燃烧强度表示单位体积的热量释放率，当火焰燃烧速度保持不变而火焰体积增大时，则强度降低，燃烧吼声也降低。(2)振荡燃烧噪声：可燃混合气通过燃烧器燃烧时，由于燃烧气体的强烈振动而产生的噪声，称为振荡燃烧噪声
18、，也称为燃烧激励脉动噪声。(3)工业燃烧系统的噪声：来自燃烧设备与燃烧过程的噪声，如可燃气及空气供应系统中的风机和阀门噪声，可燃气与空气从燃烧器喷嘴喷出的喷射噪声，以及燃烧炉或燃烧器所在空间的共振声等，这些噪声能与燃烧吼声和脉动噪声一起合成为燃烧系统的噪声。复习要求： 1、熟悉声波在空气中传播的基本规律及衰减特性2、了解声波的吸收、反射、透射及衍射规律一、声波在空气中的传播和衰减1、声波方程声振动必须满足三个基本的物理定律，即牛顿第一定律、质量守恒定律以及描述压强、温度、体积等状态参数的状态方程。应用这三个定律可以推导出声波传播中的连续性方程、运动方程和物态方程，并进一步得到波动方程 、 和
19、对时间空间坐标的偏微分方程。作如下假设：媒质为理想流体，即媒质中不存在黏滞性，声波传播时没有能量损失;没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的、均匀的，因此媒质中静压强 、静态密度 都是常数;声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的;假设是小振幅声波，即满足：声压 比大气压 要小得多，即 ;质点的位移 比波长 要小得多，即 ;质点振动速度 比声速 要小得多，即 ;介质密度的相对变化要远远小于1，即 。上述假设称为理想流体媒质小振幅假定。可以分别推导连续性方程、运动方程和物态方程。(1)连续性方程：是物质不灭定律在流体运动描述中的数学应用。对体积元 ，单位时间流入 的质量与流出 的质量之差等于该体积
20、元内质量的变化率。由此可得体积元 在x、y、z方向上质量的增量。并由此得到单位时间 内总的质量增量的矢量形式如下式， 为拉氏算子。(2)运动方程运动方程是声压对于距离的梯度等于媒质密度和质点振动速度乘积的负值。在声场中取一体积元 ，当有声波作用于体积元上，各方向的压强将发生变化。设体积元在静止时的压强为 ，密度为 ，声波产生的瞬时声压为 ，因体积元足够小，可认为作用在各面的压力均匀。对 方向，利用简单力学分析和牛顿第二定律得：由于是小振幅声波，其密度的变化可忽略，即 ，可得声波在 、 、 三个方向产生的加速度分别为：式中： 瞬时声压，Pa;、 、 质点振动速度 在 、 、 三方向上的分量。可得
21、到运动方程，式中 为拉普拉斯算符。(3)物态方程媒质在声波作用下，引起压缩、膨胀的交替变化，媒质的密度和压强都发生了变化，即媒质的状态发生了变化。声波传播时，理想状态下媒质的密度发生变化，而没有能量的损耗，即为等熵绝热过程。物态方程一般可写作： 考虑绝热条件，上式简化为： 理想状态的物态方程为： (4)波动方程联立理想液体媒质中三个基本方程：连续方程式、运动方程式和物态方程式，可推出理想液体媒质中小振幅传播的 、 、 中任意变量的波动方程，得到以下三式： 声压波动方程： 密度波动方程： 振速波动方程： 波动方程分别反映了声压、密度、振速随时空变化的关系。式中拉普拉斯算子 在直角坐标系中展开为：
22、推导波动方程时，只是从媒质的基本特性出发，利用牛顿第二定律、物质守恒定律和绝热压缩方程，并未涉及声源及声场的具体情况，因此波动方程只反映声波在媒质传播过程的一般物理特性。若声源为长圆柱形，其长度远大于波长，辐射的波阵面为同轴圆柱面，这种声波称为柱面声波。这时 ，其中 为圆柱长度，柱面波波动方程为： 对于远场，简谐柱面声波有： 柱面波的声阻抗率在 时，有： 柱面声波的传播特性为：在理想介质中，声压近似与距离的平方根成反比。介质声阻抗率为复数，当 很大时，声抗分量可以忽略。在距离较大时，柱面波的声强 ，声强与距离成反比。每单位长度辐射的功率是 。(4)声源的指向性声源在自由场中向外辐射声波时，声压
23、级随方向的不同呈现不均匀的属性，称为声源的指向性。声源指向性常用指向性因数 或指向性指数 来表示。指向性因数 的定义是：声场中某点的声强，与同一声功率声源在相同距离的同心球面上的声强之比。指向性因数 无量纲。式中： 任意方向上一定点的声强， ;通过与该点同心球面上的平均声强， 。式中： 任意方向一定点上某频率的声压，dB;通过与该点同心球面上同一频率的声压，dB。声源的指向性与声源的大小和辐射波长有关。当声源小到可视为点声源大小的程度时，以声源为中心，声波以近似球面的形式向外均匀发散;当声源尺寸远大于声波波长时，如声波以声束形式，集中向一个方向发散，则可认为该声波具有较强的指向性。3、声波的衰
24、减声源发出的噪声在媒质中传播时发生反射、折射和衍射等现象，其声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。这些衰减通常包括声能随距离的发散传播引起的衰减 、空气吸收引起的衰减 、地面吸收引起的衰减 、屏障引起的衰减 和气象条件引起的衰减 等，总衰减量 可表示为：(1)扩散引起的衰减声源辐射噪声时，声波向四面八方传播，波阵面随距离增加而增大，这种由于扩散、声强随传播距离增加而衰减的现象称扩散衰减。点声源：点声源在各向同性的均匀介质中传播时，声波的形式是以声源为中心的球面波，在同一半径的球面上各点声波的相位相同。这种无指向性的声波，声强和声功率之间存在如下关系： 位于刚性地面上的声源产生的声波，因只能
25、向一半的空间辐射，其接收点的声强可如下式计算：常温时球面声波扩散衰减的表达式为： 为接收点的声压级; 为声源的声功率级; 为接收点到中心的距离; 为修正系数，自由空间 ，半自由空间 。距声源中心半径分别为 和 的两点间的扩散衰减用声压级差表示为： 如果声源具有指向性，则声波的扩散衰减可表示为： 线声源：若每单位长线状声源的声功率为 ，在距离声源为 点上的声压 与声功率的关系为： ，用声压级表示为： ，若声源无指向性，则 ，距离声源分别为 和 的两点间的声压级差，或者说扩散衰减量为： 面声源：矩形面声源的情况较为常见，但其计算较复杂。 (2)空气吸收引起的衰减声波传播时空气吸收衰减产生的原因是，
26、声波在空气中传播时，空气中相邻质点的运动速度不同会产生黏滞力，将使声能转变为热能消耗掉。声波传播时，空气介质发生压缩和膨胀的周期变化，相应的发生温度的升高和降低，温度梯度的出现，将导致热传导方式的热交换，从而使声能转化为热能。空气中主要的分子是双原子的氧分子和氮分子，一定状态下空气分子转动或振动时存在固有频率。无声时介质分子微观运动处于一种动态平衡状态，当有声扰动且声波频率接近分子微观运动的频率时，使能量转化平衡被打破，建立新的平衡需要一定的时间，此种由原来平衡到建立新的平衡的过程为“热驰豫过程”，将使声能耗散而使声强衰减。上述原因使得声波在空气中传播时出现衰减，即空气吸收衰减，衰减与空气温度
27、、湿度和声波频率有关。因空气吸收而引起的声强随距离的指数衰减关系为： (3)其他原因引起的衰减雪、雨、雾的影响温度梯度的影响风场的影响地面效应的影响复习要求： 1、熟悉噪声及振动测量的基本要求、方法、仪器，以及背景噪声的修正方法。2、掌握声级计、频带滤波器和环境振级计的使用。噪声与振动控制的首要环节是噪声和振动的测量，只有通过对现场噪声和振动的科学测量，才能了解各种噪声与振动源的属性和危害程度，为采取有效控制措施提供依据。根据工程技术的需要和现行国家标准，有针对性介绍几种常用的噪声和振动测量方法。一、基本测量仪器1、声级计声级计是噪声测量中常用的基本声学测量仪器。适用于室内噪声、环境噪声、机器
28、噪声、建筑噪声等各类噪声的测量。(1)声级计的分类按用途分类：一类是用于测量稳态噪声(精密声级计和一般声级计);另一类用于测量不稳态噪声和脉冲噪声(积分声级计和脉冲声级计)。按体积大小分类：台式声级计、便携式声级计和袖珍声级计。按精度分四类：(依据国际电工委员会IEC615和国家标准GB3785)四种类型声级计的性能指标具有同样的中心值，但容许误差有所不同。类 型精密级普通级0误 差(IEC)(GB)用 途实验室标准仪器实验室精密测量现场测量噪声监测、普查(2)声级计的结构和原理声级计一般由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器及指示器组成，见下图传声器:将声信号(声压)转化为电信号(电压)
29、的换能元件。有晶体传声器、电动式传声器和驻极体传声器等。电容式传声器具有动态范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长时间稳定等优点，多用于精密声级计和标准声级计中。放大器：将比较弱的电信号放大。声级计上所使用的放大器，要求具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，有合理的动态范围、较小的线性失真和满足需要的频率范围。包括输入放大器和输出放大器。衰减器：声级计的量程范围一般为25130dB，检波器和模拟式指示器没有这么宽的量程范围，通常使用衰减器将强信号做衰减，以避免放大器过载。衰减器分为输入衰减器和输出衰减器。为了提高信噪比，输入衰减器位于输入放大器之前，输出衰减器接在输入放大器和输出放大器之间。为了
30、提高信噪比，一般测量时应将输出衰减器调至最大衰减档，在输入放大器不过载的前提下，而将输入衰减器调至最小衰减档，使输入信号与输入放大器的电噪声有尽可能大的差值。 计权网络：按IEC的规定，选取接近人耳对声音频率响应的几条曲线，设计了A、B、C、D四种标准的计权网络。A计权网络频响曲线大约相当于40phon等响曲线的倒置曲线，从而使电信号的中、低频段又较大的衰减，高频段也又一定程度的衰减。B计权网络约相当于70phon等响曲线的倒置曲线，使电信号以低频段为主做了一定的衰减。C计权网络相当于100phon等响曲线的倒置曲线，在整个声频范围内有近乎平直的响应，与人耳对高频声的响应近似相当。由A、B、C、D计权网络测得的读数称为声级，声级是经过频率计权之后的声压级，注意与声压级相区别。1、环境噪声测量 环境噪声的测量大部分是在现场进行的，条件复杂，声级变化范围大，因此所使用的仪器和方法均有特殊要求。(1)城市区域环境噪声的测量网格测量方法;定点测量方法(2)交通噪声的测量城市道路交通噪声测量：根据国家标准GB/T3222声学环境噪声测量方法要求进行。测点选在两路口之间，路边人行道上，离车行道的路沿20cm处，离路口应大于50cm。垂直道路按噪声传播由近及远方向设置测点。在规定时间内，各测点每次取样测量20min的等效A声级 及累积
