噪音

聲學知識庫-噪音如何產生的?

聲音的生成

空氣中的各種聲音,不管它們具有何種形式,都是因為物體的振動所引起的:敲擊琴鍵時聽到了琴聲,同時能感受到地板的振動;人的講話聲是由喉嚨聲帶振動所產生;火車汽笛聲、戰鬥飛機的轟鳴聲,是因為排氣時氣體振動而產生的。

噪音

總而言之,產生聲音的根源來自物體的振動,發出聲音的物體稱之為聲源。聲源發出的聲音必須通過中間媒質才能傳播出去,最常見的傳聲媒質就是空氣,除了氣體以外,液體和固體也都能傳播聲音。

聲音在不同媒質中傳播的速度是不同的,在液體和固體中的傳播速度一般要比在空氣中快得多,例如在水中聲速為 1450m/s ,而在銅中則為 5000m/s 。聲音在空氣中的傳播速度,隨空氣溫度的升高而增加,濕度增加亦然。

推進著空氣振動的聲音稱為聲波,有聲波傳播的空間叫聲場。當聲振動在空氣中傳播時,空氣質點並不被帶走,它只是在原來位置附近來回振動,所以聲音的傳播是指振動的傳遞。

物體在每秒內振動的次數稱為頻率,單位為赫茲 (Hz)。每秒鐘振動的次數愈多,其頻率愈高,人耳聽到的聲音就愈尖銳或者說音調愈高,人耳並不會感受到所有頻率。一般說來,人耳只能聽到頻率為20~20000Hz 的聲音,通常把這一頻率範圍的聲音叫音頻聲。

低於 20Hz 的聲音叫次聲,高於 20000Hz 的聲音叫超聲。次聲和超聲人耳都聽不到,但有一些動物卻能聽到,例如老鼠能聽到次聲,蝙蝠能感受到超聲。

聲波中兩個相鄰的壓縮區或膨脹區之間的距離稱為波長λ,單位為米(m) 。波長是聲音在一個周期的時間中所行進的距離。波長和頻率成反比,頻率愈高、波長愈短;頻率愈低,波長愈長。

噪音及類型

隨着現代工業、建築業和交通運輸業的迅速發展,各種機械設備、交通工具正在急劇增加,噪音污染日益嚴重,它影響和破壞人們的正常工作和生活,嚴重危害人體健康。

在聽覺上,有的聲音很悅耳,有的卻很難聽甚至使人煩躁易怒。從物理學角度來講,聲音可分為樂音和噪音兩種。

當各種基音和次諧音組成的複合聲音聽起來很和諧悅耳,這種聲音稱為樂音。這些聲音隨時間變化的波形是有規律的,有規律振動產生的聲音就叫樂音。

反之來說物體的複雜振動由許許多多頻率組成,而各頻率之間彼此不成簡單的整數比,這樣的聲音聽起來既不悅耳也不和諧,還會使人煩躁。這種頻率和強度都不同的各種聲音雜亂地組合而產生的聲音就稱為噪音。

從環境與生理學的角度分析,凡使人厭煩的、不愉快和不需要的聲音都統稱為噪音,它默默的危害人們的身體健康,干擾人們學習、工作和休息。

但有沒有人覺得和諧的樂音是噪音呢?也是有的,看看下列影片就知道,聽覺其實是非常主觀的。

噪音大概又可分為工業噪音、交通噪音和生活噪音三種,是構成環境噪音的三個主要來源。交通噪音是指飛機、火車、汽車等交通運輸工具在飛行和行駛中所產生的噪音。

工業噪音是指工廠內大型機械運作時所產生的噪音,如切割機、金屬碰撞聲等等。居家噪音泛指鄰居腳步聲、小孩奔跑哭鬧、沖水水管聲等等,日常噪音使人感到厭煩,強的噪音還會給人體健康帶來危害。

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噪音的常見分級

噪音分級

正常人的聽覺所能感到的最小聲音,即聽域的聲壓級約為 0 分貝 ; 輕聲耳語約為 30 分貝 ; 相距 1 米左右的會話音量約為 60 分貝 ; 公共汽車行駛中約為 80 分貝 ; 重型卡車、貨車、地鐵內噪音約為 100 分貝。

使人耳痛的聲壓級界限叫人耳閥,數值為 120 分貝 ; 火車汽笛、噴射機起飛約為 130 分貝。在行駛中的汽車來說,在一定聲壓級範圍內,只要降低幾個分貝,人耳就會有明顯感受。

許多手持聲壓計的實際測量誤差在 2 分貝,也就是說,噪音源不變的情況下,兩次測量結果理論上可能相差 4 個分貝,換句話說,事實上聲噪降低 4 個分貝的時候,普通聲壓計可能顯示沒有什麼變化,但是人耳的感覺卻是噪音有明顯下降。

考慮到人們主觀上的響應感受,人們設計一種儀器,經頻率計權後測量得到的dB數稱為計權聲級,常用的有A 、B 、C 三種計權網絡,經過A計權曲線測量出的dB讀數稱 A計權聲級,簡稱A加權或LA ,表示為分貝(A)或dB(A)。

A加權與人們的主觀有良好的相關性,即測得的A加權大,人們聽起來也覺得聲音大,與人們主觀上的感覺是一致的,簡單來說A加權比較符合人的聽覺模式。

噪音的傳播特性

噪音總是存在一定的空間中,因此想要隔絕噪音,就必須得研究聲音在空間中傳播的特性,包括聲波傳播中的衰減、反射、折射、繞射和干涉等現象。

傳播聲波的空間稱為聲場,聲場分自由聲場、擴散聲場和半自由聲場。自由聲場是一種理想化的聲場,嚴格地說在自然界中不存在這種聲場,但是我們可以近似地將空曠的野外看成是自由聲場。

在實際生活中,我們遇到最多的情況,既不是完全的自由聲場,也不是完全的混響聲場,而是介於二者之間的半自由聲場。根據環境吸音能力的不同,有些半自由聲場接近自由聲場一些,有的更接近擴散聲場。

室內加裝了吸音材料的空間,由於吸音材料對室內噪音的高效抑制,可以有效改善室內的聲場。

從聲源點發出的噪音在媒介中傳播時,其聲壓或聲強將隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。高頻比低頻衰減得快,當傳播距離較大時其衰減值也是大的,因此高頻聲是傳不遠的。

從遠距離傳來的強噪音如戰鬥機聲、鞭炮聲等都是比較低沉的,在長距離的傳播過程中高頻成份衰減得較快的緣故。除了空氣能吸收聲波外,一些材料例如玻璃、窗簾、海綿等也會吸收聲音,稱為吸音材料。

當聲波通過這些多孔性吸音材料時,由於材料本身內摩擦和材料細孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使聲波能量受到很大的吸收並衰減,這種吸音材料能有效地吸收入射到它上面的聲能。

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噪音聲波在傳導的過程中,經常會遇到障礙物,這時聲波將從一個媒質(空氣)入射到另一媒質中去。由於這兩種媒質的聲學性質不同,一部份聲波從障礙物表面上反射回去,而另一部份聲波則透射到障礙物裡面去,例如下圖。

隔音吸音
圖片來源:Alfa Acoustics

所以利用介質不同的特性阻抗,可以達到隔音降噪的效果。

由於聲波的反射特性,在室內產生的噪音會從牆面、地面、天花板上及室內各種不同物體上多次反射,這種反射聲的存在,使得噪音在室內的聲壓級,比在露天中的聲壓級要提高 10~15dB 。

為了降低室內反射聲的影響,在房間的內增加一層吸音性能良好的材料,就可以大大降低反射聲的影響,使得室內整體噪音得到衰減。

聲波在傳播途中遇到不同介質的界面時,除了發生反射外,還會發生折射,聲波折射時傳播方向將改變。此外,聲波還會產生繞射現象,繞射現象與聲波的頻率、波長及障礙物的大小都有關係。

如果聲波的頻率較低、波長較長,而障礙物的大小比波長小得多,這時聲波能繞過障礙物,並在障礙物的後面繼續傳播,如果聲波的頻率較高,波長較短,而障礙物又比波長大得多,這時繞射現象就不那麼明顯。

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