聲音的傳播

一、聲音在室外的傳播

在室外，聲音將不斷傳播開去。隨著傳播距離的增加，由于能量分散開來(lái)，聲壓級(jí)不斷下降，理論上，對(duì)于點(diǎn)聲源，離聲源距離增加每?jī)杀叮肼曄陆?dB。若某機(jī)器設(shè)備1米處的噪聲為100dB，那么距離它100米遠(yuǎn)（相當(dāng)于距離增加約7個(gè)兩倍），那么噪聲將下降40dB，降低到60dB；距離它1公里遠(yuǎn)（相當(dāng)于距離增加約10個(gè)兩倍），噪聲將下降60dB，變?yōu)榧s40dB。另一方面，大氣對(duì)聲音也有吸收作用，尤其對(duì)超過2000Hz的高頻聲音，吸收效應(yīng)更加明顯，使噪聲隨與聲源距離的增加衰減量變得更大。實(shí)驗(yàn)表明，常溫常濕常壓下，100m距離對(duì)125Hz、500Hz、2000Hz的聲音衰減量分別為0.05dB、0.27dB、2.8dB。雷電產(chǎn)生時(shí)的聲音是含有大量高頻成分的霹靂聲，由于距離很遠(yuǎn)，大多高頻成分被大氣吸收了，因此傳到我們耳朵里往往是隆隆的低頻聲。

不同區(qū)域大氣溫度的變化會(huì)使聲音的傳播方向發(fā)生彎折，當(dāng)上層空氣是高溫，下層地面附近空氣是低溫時(shí)，沿地面?zhèn)鞑サ穆曇魰?huì)彎向地面，之后被地面反射，繼續(xù)前進(jìn)還將彎向地面，可能耗散在上空的聲音返回地面，并“匍匐前進(jìn)”，這樣，聲音會(huì)傳得很遠(yuǎn)。冬季結(jié)冰的湖面就是這種情況，在冰上講話，對(duì)面幾百米外都能聽到。夏季的午后，地面被曬熱，情況正好相反，上層空氣是低溫，下層空氣是高溫，聲音向上彎折，很快耗散在大氣中，因此50-60米時(shí)就很難聽到人的講話了。有風(fēng)的時(shí)候，如果風(fēng)的氣流速度上下完全一致，那么對(duì)聲音將沒有影響，但一般情況，上面的風(fēng)速比地面的風(fēng)速快，順風(fēng)時(shí)，聲音向地面彎折，逆風(fēng)時(shí)，聲音向天空彎折，順風(fēng)傳播聲音比逆風(fēng)更有利。認(rèn)為順風(fēng)把聲音吹走、逆風(fēng)阻住了聲音是不正確的，風(fēng)速最快僅每秒一、二十米，而聲速為每秒340米，風(fēng)如何跑得贏聲音呢？

在室外，聲音有繞過障礙物的本領(lǐng)，被稱為聲音的繞射或衍射，這是聲音波動(dòng)現(xiàn)象的體現(xiàn)，躲在圍墻后面的人依然可以聽到外面的呼喊。使用隔聲屏障可以使聲音最多衰減15dB，但衍射不能完全隔離聲音。道路兩邊的聲屏障，或工業(yè)廠房機(jī)器的隔聲板可以起到降低噪聲的作用，效果在15dB以內(nèi)，一般在5-10dB。由于低頻聲音波長(zhǎng)長(zhǎng)，容易繞過聲屏障，隔聲效果不如高頻聲。

草地、灌木林等對(duì)聲音的傳播也有衰減作用，但對(duì)高頻的作用較明顯，對(duì)低頻的作用有限。100米的草地、灌木林對(duì)1000Hz的聲音有23dB的衰減，而對(duì)100Hz的聲音僅有5dB的衰減。100米以上的長(zhǎng)綠闊葉草地或灌木林在實(shí)際降噪中才有效果。

二、聲音在室內(nèi)的傳播

聲音在室內(nèi)傳播時(shí)，不但遵循室外大氣中傳播的規(guī)律，還會(huì)被房間天花板、地面、墻面反射回來(lái)，聲源不斷發(fā)聲時(shí)，入射聲波與反射聲波相疊加，形成復(fù)雜的室內(nèi)聲場(chǎng)。大的平的表面會(huì)象鏡面一樣反射聲音，而且入射角等于反射角。內(nèi)凹型的表面會(huì)聚攏聲音，形成聲聚焦。外禿的表面能夠使將聲音發(fā)散，形成擴(kuò)散。當(dāng)房間表面起伏不平，而且起伏尺寸接近或小于聲音波長(zhǎng)時(shí)，聲音入射后將不會(huì)形成定向反射，而是向各個(gè)方向無(wú)規(guī)則地反射，形成擴(kuò)散。就象光，表面平整的鏡子能夠反射出人像，這是鏡面反射的結(jié)果，如果使用磨石將鏡子磨毛，將成為烏玻璃，就是因?yàn)椴ＡП砻娉霈F(xiàn)坑凹不平，尺寸與光的波長(zhǎng)接近，形成光散射，各個(gè)角度都能看到入射的光，玻璃變得“發(fā)烏”了。

聲音入射到房間表面一部分能量進(jìn)入材料內(nèi)部，一部分能量穿透材料到對(duì)面空間，這種能量損失的過程是吸聲。完全沒有吸聲的房間被稱為理想混響室，如果在里面拍一下掌，聲音將不斷反射，在無(wú)限時(shí)間內(nèi)回響?，F(xiàn)實(shí)情況下不存在這種房間，墻壁堅(jiān)硬且光滑的房間混響時(shí)間很長(zhǎng)，接近混響室，房間中聲音會(huì)加強(qiáng)，接近混響室的房間中噪聲比在一般房間內(nèi)可能高15dB。聲音完全沒有反射的房間被稱為理想消聲室，房間中只有聲源的直達(dá)聲，這樣的聲場(chǎng)叫做“自由場(chǎng)”。在自由場(chǎng)中，距點(diǎn)聲源距離增大一倍，聲壓級(jí)嚴(yán)格下降6dB?，F(xiàn)實(shí)情況下也不存在理想消聲室，對(duì)房間進(jìn)行強(qiáng)吸聲處理可以近似看作消聲室，因房間中只有直達(dá)聲，聲壓級(jí)比普通房間可以降低10dB。

室內(nèi)混響

一、直達(dá)聲與混響聲

聲源發(fā)出的直接到達(dá)的聲音是直達(dá)聲，直達(dá)聲總是最先到達(dá)人耳，這是因?yàn)橹边_(dá)聲比反射聲的聲程短。除了直達(dá)聲以外，反射的聲音形成了混響聲，使室內(nèi)聲壓級(jí)增加。直達(dá)聲只與聲源強(qiáng)度有關(guān)，聲源功率越大，直達(dá)聲聲壓級(jí)越大，如果需要降低直達(dá)聲，唯一的方法是使聲源安靜下來(lái)。房間地面上立有阻擋直達(dá)聲的屏障時(shí)，反射聲會(huì)從天花板反射過來(lái)，使屏障的隔聲能力下降，如果天花板吸聲，減弱了反射聲能量，屏障的降噪效果能夠提高。在房間天花板和墻壁上安裝吸聲材料可以吸收反射產(chǎn)生的混響聲，吸聲量每增加一倍，混響聲可以降低3dB。一般來(lái)講，混響聲對(duì)房間噪聲的貢獻(xiàn)為15dB，因此，采用吸聲最多可以獲得15dB減噪效果。

二、混響時(shí)間

描述房間混響效果的指標(biāo)是混響時(shí)間，它是室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，聲壓級(jí)衰減60dB所經(jīng)歷的時(shí)間，單位是秒。室內(nèi)吸聲與頻率有關(guān)，因此，不同頻率的混響時(shí)間不同。在減噪設(shè)計(jì)中需要正確地應(yīng)用吸聲材料，降低混響時(shí)間，降低噪聲。

混響時(shí)間與室內(nèi)吸聲存在數(shù)學(xué)關(guān)系，即塞賓公式：

其中：T是混響時(shí)間，V是房間體積，S是房間墻面的總表面積，是房間表面的平均吸聲系數(shù)（即房間各種吸聲材料吸聲系數(shù)與面積乘積的和再除以總表面積）。由塞賓公式可以看出，房間體積越大混響時(shí)間越長(zhǎng)；平均吸聲系數(shù)越大，混響時(shí)間越短。體積巨大的空間，如果不進(jìn)行吸聲處理的話，混響時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，使房間噪聲增加。

混響時(shí)間計(jì)算公式是建立在理想擴(kuò)散聲場(chǎng)條件下的，與實(shí)際情況會(huì)有±10~15%的誤差，因此，在降噪工程中不能完全依賴計(jì)算求得混響時(shí)間，必須使用測(cè)量的方法準(zhǔn)確地獲得房間的混響時(shí)間，并進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)和計(jì)算。估算混響時(shí)間的不準(zhǔn)確性可能會(huì)導(dǎo)致3~5dB的降噪誤差。

三、混響半徑

房間噪聲是直達(dá)聲和混響聲的混合聲。直達(dá)聲與距離有關(guān)，距離聲源越遠(yuǎn)，聲音擴(kuò)散的面積越大，直達(dá)聲越小，直達(dá)聲的方向源于聲源?；祉懧暿欠瓷湫纬傻?，彌散于房間各處，方向沒有規(guī)則，可以認(rèn)為房間中所有位置的混響聲具有相同的聲壓級(jí)。因此，在房間中聲源某距離的位置上的直達(dá)聲與混響聲會(huì)具有相同的聲壓級(jí)，這個(gè)距離被稱為混響半徑?；祉懓霃绞欠块g的屬性，與房間吸聲情況有關(guān)，與聲源無(wú)關(guān)。以聲源為中心，小于混響半徑范圍內(nèi)的聲音主要是直達(dá)聲，如果進(jìn)行降噪處理，主要要降低直達(dá)聲。在混響半徑以外的區(qū)域，主要是混響聲，房間表面加裝吸聲材料后可以大大降低混響聲，降噪效果比較明顯。

估計(jì)混響半徑的公式，對(duì)于放在地面上的機(jī)器噪聲源，有：

其中：r0為混響半徑，S為房間的總表面積，為房間各表面平均吸聲系數(shù)。但是，由于聲源不是理想的點(diǎn)聲源、房間內(nèi)的混響聲也不是絕對(duì)的均勻，因此這個(gè)公式的精度不高，只能作為粗略的估算。準(zhǔn)確地獲得混響半徑需要使用脈沖響應(yīng)法（或MLS法）對(duì)房間進(jìn)行測(cè)量。混響半徑可以判斷吸聲處理的有效區(qū)域范圍，如果混響半徑已經(jīng)超過房間的尺寸，表明再加入吸聲處理已經(jīng)沒有降噪效果了。

四、房間體積、距離、吸聲對(duì)室內(nèi)噪聲的影響

對(duì)同樣的聲源，房間的體積越大、距離聲源越遠(yuǎn)、吸聲處理越靠近聲源，噪聲就越小。房間體積增大，勢(shì)必導(dǎo)致聲能在房間中的密度變小，聲壓級(jí)降低。但是通過改變房間體積的方法降低噪聲通常是不可行的，因?yàn)樵肼暯档筒⒉慌c體積成正比關(guān)系，房間體積增大，混響時(shí)間增大，噪聲降低有限，而且改造的成本也顯著增加。越遠(yuǎn)離聲源，直達(dá)聲越小，而且混響聲所經(jīng)歷的距離也會(huì)增加，混響聲降低，噪聲降低。吸聲材料距離聲源越近，吸聲效率越高，反射聲被吸收的機(jī)會(huì)也增加，對(duì)降噪是有利的。

室內(nèi)降噪方法

一、聲源治理

進(jìn)行噪聲治理時(shí)，首先應(yīng)考慮聲源的處理，降低聲源發(fā)出的噪聲可以從根源上降噪，聲源減少多少分貝，室內(nèi)噪聲就會(huì)降低多少分貝。可以選用低噪聲的機(jī)器設(shè)備，或盡可能使機(jī)器設(shè)備運(yùn)行處于低噪聲狀態(tài)。例如電機(jī)或水泵，選用低噪聲產(chǎn)品可以減噪10~20dB甚至更多，兩個(gè)半負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)比相同功率的一個(gè)電機(jī)的噪聲要小很多。另外，改進(jìn)不良的聲源的安裝方法也會(huì)在很大程度上降低噪聲。例如將機(jī)器設(shè)備安裝在合適的減振機(jī)座上，扭緊可能松動(dòng)的螺栓防止?jié)撛诘恼駝?dòng)，或是將振動(dòng)發(fā)聲的部位固定在剛性的墻體上，定期的維修保養(yǎng)等等。然而，在大多情況下因?yàn)槭艿街T多因素的限制，如成本過高，機(jī)器不能停機(jī)，空間限制等，聲源治理可能難于實(shí)施。

二、吸聲降噪

在天花板、墻壁上安裝吸聲材料，或房間中懸掛吸聲體，可以吸收混響聲，降低噪聲。然而，吸聲降噪不能“包治百病”，有那些適用條件呢？

如果室內(nèi)頂棚和四壁是堅(jiān)硬的反射面，又沒有吸聲較多的物體，混響聲比較突出，則吸聲降噪效果比較明顯。例如，當(dāng)室內(nèi)裝修材料大多為大理石、水磨石、玻璃、石膏板、水泥墻時(shí)，混響聲很強(qiáng)，增加吸聲處理可以收到明顯的降噪效果。反之，如果室內(nèi)已經(jīng)有大量的吸聲材料了，混響聲不明顯，則吸聲降噪效果不大。

當(dāng)室內(nèi)均布有多個(gè)聲源時(shí)，直達(dá)聲處起主要作用，此時(shí)吸聲降噪效果差。若只有一個(gè)聲源，但接收點(diǎn)與其距離過近，小于混響半徑，直達(dá)聲很強(qiáng)，吸聲降噪效果也差。

當(dāng)距離噪聲源很近的位置設(shè)置屏障時(shí)，在屏障面向聲源的一側(cè)進(jìn)行吸聲處理，降低屏障的反射聲，起到了輔助降噪的作用。

吸聲材料的吸聲頻率特性應(yīng)與聲源的頻率特性相一致，對(duì)于低頻噪聲源應(yīng)加強(qiáng)低頻吸聲，高頻噪聲源應(yīng)加強(qiáng)高頻吸聲。吸聲處理前應(yīng)先測(cè)量噪聲的頻譜，根據(jù)頻譜選用吸聲材料，如果吸聲的頻率特性正好與噪聲相反，將“事倍功半”而徒勞。

三、隔聲降噪

在聲源周圍圍擋屏障能夠阻隔直達(dá)聲，降低室內(nèi)噪聲。如果屏障能夠?qū)⒙曉赐耆忾]，成為墻體，那么降噪效果取決于墻體的隔聲性能，隔聲量越高，噪聲降低越大。如果屏障不能圍閉聲源，成為隔板，由于衍射和房間天花板、側(cè)墻的反射，降噪效果不完全取決于板的隔聲性能。天花板、側(cè)墻上為堅(jiān)硬的反射表面時(shí)，隔聲降噪效果往往只有5~8dB，如果隔板面對(duì)聲源的一側(cè)和天花板、側(cè)墻上裝有強(qiáng)吸聲材料時(shí)，隔聲降噪效果可達(dá)有15~20dB，而且，隔板距離聲源越近，降噪效果越好。另外，由于低頻聲的衍射能力強(qiáng)，隔板對(duì)低頻聲的隔聲效果有限。