噪聲的物理量
正文
描述噪聲特性的方法可分為兩類：一類是把噪聲單純地作為物理擾動，用描述聲波的客觀特性的物理量來反映，這是對噪聲的客觀量度；另一類涉及人耳的聽覺特性，根據聽者感覺到的刺激來描述，這是噪聲的主觀評價。噪聲強弱的客觀量度用聲壓、聲強和聲功率等物理量表示。聲壓和聲強反映聲場中聲的強弱，聲功率反映聲源輻射噪聲本領的大小。聲壓、聲強和聲功率等物理量的變化範圍非常寬廣，在實際套用上一般採用對數標度，以分貝為單位，即分別用聲壓級、聲強級和聲功率級等無量綱的量來度量噪聲。
噪聲的頻率特性通常採用頻譜分析的方法來描述。用這種方法可較細緻地分析在不同頻率範圍內噪聲的分布情況。
分貝 級是物理量相對比值的對數。分貝是級的一種無量綱單位，符號是dB。對於功率、能量等的物理量（如聲強、聲功率和聲能密度等），分貝數等於兩個量比值的常用對數乘以10。如W1和W2是兩個功率值,n表示比值W1/W2的分貝數，則n=10 lg(W1/W2)。
對於表示聲場、電磁場等的物理量（如聲壓、質點振速等），分貝數則等於兩個量比值的常用對數乘以20。如p1和p2是兩個聲壓值，n表示比值p1/p2的分貝數,則n=20lg(p1/p2)。採用對數標度,可以使數值相差懸殊的變化縮小到適當的範圍。例如從人耳的聽閾到痛閾，聲壓變化達100萬倍，按分貝計量時,n=20 lg(106)=120dB，即只需要120個單位，這樣,計算就方便得多。採用對數標度還有其他優越性，例如可以使關於乘積的計算用求和來代替,可以使一些遵循指數規律變化的物理過程,轉換成為簡單的線性變化過程。
聲壓、聲壓級 分述如下：
瞬時聲壓 聲波通過媒質中某一點時，在該點的壓力產生起伏變化。與該點的靜壓力相比較，因聲波存在的某一瞬時所產生的壓力增量，稱為在該點的瞬時聲壓。
有效聲壓 在一定的時間間隔內，某點的瞬時聲壓的均方根值稱為該點的有效聲壓。在周期性聲壓的情況下，所取時間應等於周期的整倍數或比周期長得多的時間。在非周期性聲壓的情況下，所取時間應足夠長，以使平均結果基本上保持不變。在一般情況下，聲壓是指有效聲壓。在這種意義下，聲壓不會是負的。當聲波不存在時，聲壓為零。在某點的聲音強弱，可以用該點的聲壓大小來表示。大多數接收器，就是根據測量聲壓的原理設計的。
聲壓的單位是牛頓/米2(N/m2)也稱為帕(Pa)。過去常用微巴為單位，1 微巴等於1達因/厘米2或等於0.1牛頓／米2。
聲壓級 一個聲音的聲壓級,以分貝(dB)為單位,等於這個聲音的聲壓與基準聲壓的比值的常用對數乘以20。它的數學表達式為
Lp=20 lg(p/p0)
式中Lp為對應於聲壓p的聲壓級,p0是基準聲壓,在計算聲壓級時應加以說明。在噪聲測量中，基準聲壓通常採用
p0=2×10-5Pa
聲強、聲強級 分述如下：
聲強 聲波在媒質中傳播時伴隨著聲能流。在聲場中某一點，通過垂直於聲波傳播方向的單位面積在單位時間內所傳過的聲能，稱為在該點聲傳播方向上的聲強。聲強的常用單位是瓦特每平方米，符號是W/m2。聲強與聲壓有密切的關係。在流體中，聲強I可用下式表達：
I=pvcosφ式中p為聲壓(Pa)；v為質點振動速度(m/s)；φ為兩者間的相位差。
在自由聲場中,聲壓與質點振動速度同相,在傳播方向上的聲強是I=p2/ρc。式中ρ為媒質密度(kg/m3),c為聲速(m/s),兩者的乘積就是媒質的特性阻抗。在一般聲場中，聲波沿著不同方向傳播，這時，聲強與聲壓間的關係較為複雜。在噪聲測量中，聲壓比聲強容易直接測量，因此，往往根據聲壓測定的結果間接求出聲強。
聲強級 一個聲音的聲強級等於這個聲音的聲強與基準聲強的比值的常用對數乘以10。它的數學表達式為：
LI=10lg(I/I0)式中LI為對應於聲強為I的聲強級；I0為基準聲強,在噪聲測量中,通常採用I0=10-12W/m2。對於空氣來說，在室溫時,與基準聲壓p0=2×10-5Pa相對應的聲強近似等於基準聲強I0，因此，在自由聲場中，聲壓級與聲強級在數值上近似相等。
聲功率、聲功率級 分述如下：
聲功率 聲源在單位時間內發射出的總聲能，常用單位是瓦特 (W)。聲功率是反映聲源輻射聲能本領大小的物理量，與聲強或聲壓等物理量有密切的關係。
在自由聲場中，聲源向四周輻射聲波，圍繞聲源作一假想的封閉曲面S,則聲源的聲功率W為:W =∮IndS,單位為瓦特。式中In為聲波沿著面積元dS的法線方向傳播的聲強如圖1。如果曲面是距聲源中心的距離為r的球面,沿半徑方向傳播的平均聲強為抴n，可得：
LW=10lg(W/W0)式中LW為對應於聲功率W 的聲功率級;W0為基準聲功率。在噪聲測量中,目前採用 W0=10-12W。在早期一些文獻中，曾使用10-13瓦特作為基準聲功率，將所得聲功率級值換算成聲功率級值時，應減去10分貝。
頻譜分析 把所考慮的頻率範圍劃分為若干頻帶，研究噪聲在不同頻帶內的分布情況，這對於深入研究噪聲的產生、傳播、接收以及對聽者影響等方面的問題有很大的意義。
聲譜 聲音通常由許多不同頻率不同強度的分音疊加而成。聲譜是把聲音的分音的幅值按頻率排列的圖形。
根據聲音的性質，聲譜可分為三種：①線狀譜：由頻率是離散的一些分音組成的譜；②連續譜：由頻率在一定範圍內是連續的分音組成的譜；③複合譜：由線狀譜和連續譜疊加而成的譜。
噪聲的聲譜通常為連續譜或複合譜,如圖2。 頻頻寬度 頻帶上限和下限頻率之差稱為頻頻寬度，它與頻帶中心頻率的比值稱為頻帶相對寬度。在噪聲測量中，劃分頻帶作頻譜分析時，通常有兩種類型：一種是保持頻頻寬度恆定，另一種是保持頻帶相對寬度恆定。要在頻率變化不大的範圍內作頻譜分析時，適宜採用恆定頻寬，所用頻寬通常較窄,約4～20赫的數量級。反之，要在寬廣的頻率範圍內作頻譜分析時，適宜採用恆定相對頻寬,常用的是倍頻帶和1/3倍頻帶。①倍頻帶：上限和下限頻率之比為 2:1的頻帶稱為倍頻帶。它的中心頻率為上限和下限頻率的幾何平均值。目前常用的倍頻帶中心頻率是 31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000和 16000赫，以上十個倍頻帶包括了全部可聽聲範圍，實際上在現場測試中往往只使用其中6～8個倍頻帶；② 1/3倍頻帶：把一個倍頻帶按頻率比等分為三份，就得出1/3倍頻帶,其上限和下限頻率之比為匎:1。目前常用的 1/3倍頻帶的中心頻率是25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000赫或其中的一部分。用 1/3倍頻帶除了可以獲得更詳細的頻譜外，還有一個優點，就是每隔10個頻帶後，中心頻率值恰增大10倍。
頻帶聲壓級 聲音在某一頻帶中的頻帶聲壓級是該頻帶內所有聲能的有效聲壓級。使用頻帶聲壓級時，除了指明基準聲壓外，還必須指明頻頻寬度及其中心頻率。通常使用的還有：①聲壓譜級：聲音在某頻率的聲壓譜級就是以該頻率為中心、寬度為1赫的頻帶中所有聲能的有效聲壓級；②倍頻帶聲壓級：聲音的倍頻帶聲壓級是頻頻寬度為一個倍頻帶時的頻帶聲壓級，該倍頻帶的中心頻率必須指明;③1/3倍頻帶聲壓級:聲音的1/3倍頻帶聲壓級是頻頻寬度為 1/3倍頻帶時的頻帶聲壓級。該1/3倍頻帶的中心頻率必須指明。倍頻帶聲壓級約比1/3倍頻帶聲壓級高5分貝。
頻帶聲功率級 聲音在某一頻帶中的頻帶聲功率級，與該頻帶中所包含的聲功率相對應。使用頻帶聲功率級時，除了指明基準聲功率外，還必須指明頻頻寬度及其中心頻率。與頻帶聲壓級相類似，當頻頻寬度為 1赫時，相對應的聲功率級為聲功率譜級；當頻頻寬度為倍頻帶或1/3倍頻帶時，就相應得到倍頻帶或1/3倍頻帶聲功率級。
參考書目
L.L.白瑞納克:《聲學》,高等教育出版社,北京,1959。
