第一章 概述
第一节声学基本知识
一、噪声的危害
江伟钰和陈方林（2000）认为，凡是能够干扰他人交流、影响他人思维活动且声音强度足以损害听觉器官或者其他妨碍正常活动进行的令人厌恶的声音，统称为噪声。我国噪声污染问题十分严重，主要原因在于一般社会成员对噪声的本质缺乏明确的认识。这往往带来两个后果，一是由于公民对噪声的概念理解不足而成为新的噪声源，这个过程中社会成员一般充当“造声者”而不是受声者；二是受主客观因素的影响，社会成员缺乏控制噪声的动力。因此，探讨噪声相关问题，首要的出发点是明确噪声的概念。
声音是否被人所需要主要取决于人当前所处的环境。噪声作为声音的一种，其对人产生的干扰也是由受声者的主观意志来评价的。个体之间的差异性，导致同一种声音对于不同个体所产生的感觉不同。“人们不需要的声音的总称”一用这样的表述定义噪声一般能为公众所接受。但作为科学术语，以这种含糊不清的非科学语言定义噪声极易引起对“噪声”这一概念本身的理解产生偏差。对于一种声音是否为噪声的判断并没有明确的标准，只能依据声音的客观形式与个体的主观评价相结合来判断。其中，人耳听到的声音是客观存在的物质，声音不被人所需要是个体主观意志的表达。从辩证法角度论，客观的声音通过物理学方法产生并在传播过程中受到了来自人主观因素的评价，同时人的主观评价反作用于客观声音的产生，从而引起声音的变化。也即，需要与不需要的声音之间发生了功能性的转化。对于同一客观声音，主观反应会出现两种情况：其一，对于同一声音，不同受声对象会产生相同的主观评价，即接受或排斥；其二，对于同一声音，不同受声对象会产生截然相反的主观评价，即或接受或排斥。也就是说，就同一声音而言，对人造成干扰的程度完全取决于人的主观表达。基于噪声定义涉及主客观方面的复杂性，可以将噪声分为绝对性噪声与相对性噪声。
绝对性噪声是指发出的声音被受声者所感知的过程不随客观条件而改变，这种声音能得到一般社会成员的共同评价，即难以为大多数人所需要而被判断为噪声。从物体之间能量转换的关系来看，绝对性噪声本质上属于“能量剩余物”，且“食之无肉、弃之有味”。而且当能量以声音的形式表现出来之后又被社会成员评价为无用的、令人厌恶的。例如，用铁锤将钉子钉入木板，铁锤获得人的动能将钉子打入木板中，铁锤和钉子之间发生碰撞、摩擦产生声音。铁锤获得的能量分解为两部分：动能与势能部分被钉子吸收，通过铁锤敲打钉子“冲破”木板阻力传递到木板内；这一部分动能与势能之外的能量剩余物在能量转化过程中以其他形式被消耗殆尽，在这个过程中产生的声音便属于绝对性噪声。噪声长短与木板的厚度有关，木板越厚，铁锤与钉子之间的摩擦越频繁，产生的噪声时长越长。绝对性噪声还存在这样一种情形，它的发出不需要借助物体之间的能量转化，只是一种单纯的声音刺激，通常出现在特定空间中，但对工作与学习毫无益处，或者说毫无关系，如寝室室友的鼾声、宁静的课堂之外嘈杂的鸣笛声等都属于绝对性噪声。
与绝对性噪声相对立的一种噪声即相对性噪声。相对性噪声是指人们对客观存在声音的主观反应，是需要还是不需要，即主观意志层面需要对收到的声音信息作出判断，而这种判断过程与受声者目前所处的环境有关。例如，正常的言语交流是人与人之间沟通的重要形式，但交谈中大声喧哗不免令人反感，甚至在正常音量的交谈中，语言中充满污秽、谩骂性词汇也会让人心生厌恶。另一种是客观声音首先表现为无用的噪声，随着客观条件的变化转变成有用的声音。这种声音多数具有预警、告知的含义。例如，每年9月18日全国范围内都会拉响警报（120dB以上）。战争年代，警报声预示着危险即将来临，提醒人们寻找安全的避险场所；和平年代，警报的作用在于提醒人们和平来之不易，应当緬怀先烈，居安思危。与警报声相类似的诸如救护车、警车的报警声等都属于相对性噪声。
综上所述，通过将噪声分为绝对性噪声与相对性噪声，既提高了我们对噪声本质的认识，又能让我们在生活中自觉控制噪声的产生，这对减少噪声污染、创造健康有益的有声环境将起到积极的作用。
18世纪中叶进入工业革命以来，以机器取代人力的生产机械化和自动化带动工业、农业、交通运输业迅速发展，在给人类的生产和生活带来诸多便利的同时，也造成不可估量的污染。其中，噪声污染越来越严重，逐渐引起人们的重视，己经被列为环境治理的主要对象之一。为了合理防范和控制噪声，首先应明白噪声产生的根源，常见的噪声主要有社会噪声、工业噪声、建筑噪声和交通噪声。相关统计数据显示，近几年由于机动车辆拥有量的指数式增长，特别是在城镇，隔声设施不够完善，交通噪声占据城市噪声污染来源的30%，己成为城镇噪声的重要组成部分；随着物质经济条件的丰裕，人们的社会生活变得多种多样，造成不可估量的噪声污染，社会噪声占据城市噪声污染来源的40%;除此之外，城市噪声污染来源还包括建筑施工和工业生产，大约占30%（刘美玲，2011）。噪声污染己越来越严重。据报道，近30年来在一些工业发达国家，城市噪声级增加30dB，平均每年升高1dB。按声能计算，每三年城市噪声的声能增加一倍，增加30dB相当于声能增加1000倍，可见噪声污染的增加速度之快。
有关数据显示，城市噪声污染来源的30%是多方面的，特别强的噪声源于道路交通、工业生产和建筑施工等。噪声的危害有影响设备正常运转，损害建筑结构等。噪声对人心理健康的危害也是不可忽略的，声音分贝的高低决定着人在当前环境中的生理状态。30dB的声环境是人们普遍期望的惬意空间，同时带给人们极大的满意度和舒适感；当声环境超过50dB，即超过城市区域环境噪声0类标准时，人们会产生轻度的厌恶感；噪声强度超过75dB时，使人感到焦虑，导致精神不振，同时对身体器官的影响也逐渐显现；噪声强度超过90dB，则直接影响机体的多个生命系统，致使体内激素分泌过多，使人感到压抑和痛苦。噪声对人生理健康也有较大的危害，噪声首要的“攻击目标”为听力器官，即人耳。噪声首先损害听觉系统，导致听觉阈值升高。人们进入强噪声环境中，很快就会感觉到来自噪声的“攻击”而难以忍受，甚至产生头晕目眩的不良反应。如若长期暴露在强噪声里，人的听觉会在不知不觉中降低，即使意识到噪声对听力己经造成了损害，但听觉系统功能也无法恢复至正常状态。处于噪声场所中，人们会感觉时刻处于一种紧张的状态下，导致体内激素水平升高，引发心血管系统疾病。噪声暴露易引起大脑损伤。噪声刺激会明显增加作业人员罹患神经衰弱综合征的风险。同时，人的记忆和学习功能也会受到一定的干扰。噪声对机体的影响与噪声强度有直接的关系。当噪声强度达到140dB，人们会出现视觉障碍、脉搏微弱甚至是呼吸困难。当噪声强度达到160dB，会引发人体耳内出血、心率加快甚至可能致人死亡。噪声容易使人疲劳，难以集中精力，从而使工作效率降低，对脑力劳动者尤其明显；长时间在强噪声环境中工作，会使内耳组织受到损伤，造成耳聋。当噪声强度超过135dB时，电子仪器的连接部位可能会出现松动，引线产生抖动，微调元件偏移，使仪器失效；在特强的噪声下，机械结构和固体材料产生疲劳现象而出现裂痕或断裂，在冲击波影响下，建筑会出现门窗变形、墙面开裂等。
二、声波的基本性质
声音是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中传播的形式就是声波。通常将振动发声的物体称为声源。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。如果将一声源置于真空罩内，则声波不能传播。因此，声波的产生除了要有振动的物体外，还必须要有传播振动的介质物体，它可以是空气、水等流体，也可以是钢铁、玻璃等固体。介质将产生声波的物体的振动转变为附近介质粒子的振动，从而实现能量在介质中的传输。
按介质质点振动方向、波传播方向或波的形状等来划分，声波主要有以下几种类型。
（一）纵波和横波
纵波：指介质质点振动方向与波的传播方向平行的波。
横波：指介质质点振动方向与波的传播方向垂直的波，如石子投入水中在水面上产生的波。
（二）连续波和脉冲波
连续波和脉冲波的差别在于它们的波形连续与否。
连续波：介质的各质点均连续不断振动产生的波称为连续波，如正弦波。
脉冲波：如撞击发生的声波，这种非连续的脉冲波相对来说振动时间短，间歇周期长，波形在某一瞬间常常出现很高的峰值。
（三）平面波、球面波和柱面波
按波阵面的形状，声波可分为平面波、球面波和柱面波等。波阵面是指波传播时在同一时刻运动状态相同的相邻各点所形成的面。平面波是指波阵面为平面的波，球面波和柱面波是指波阵面分别为球面和柱面的波。
声波传播时，粒子振动方向与能量传递方向平行。声波在空气和液体中的传播形式一般是纵波，而在固体中的传播方式既有纵波也有横波。当声波为纵波，其纵向振动导致介质的压缩和变稀。波长和频率是声波的重要参数。波长是声波在介质中传播一个完整周期的距离。频率是介质粒子振动的频繁程度，表示为每秒时间内完成的周期数。声波在介质中传播时，介质粒子以相同的频率振动。只有当声波传入另一种介质时，频率才会发生变化。
三、可听声的定义
物体振动是声音产生的根源，但并不是物体发生振动后一定会使人感知到声音。因为人耳能感觉到的声音频率范围只有20～20000Hz，这个频率范围的声音称为可听声，频率低于20Hz的声音称为次声波，频率高于20000Hz的声音称为超声波。对人耳来说，次声波和超声波都是感知不到的。
描述声音高低的物理量是频率；描述声音强弱的物理量有声压、声强、声功率及各自相应的等级；描述声音大小的主观评价指标是响度及其等级。噪声由随机分布的多种频率的声波混合形成。因此，噪声一般可以解析为具各自声压等级的频带的谱图。可听声主要频率的波长如表1-1所示。
四、声波的速度
声速是声波传播距离与时间的比例，它取决于介质的性能——惯性和弹性。密度就是介质的惯性性能。介质中粒子的惯性越大，对附近粒子扰动的响应就越小，从而使声波的传播变慢。在其他参数相同的情况下，声波在低密度介质中的传播比在高密度中快。弹性性能与介质材料在应力或应变作用下抵抗变形或保持形变的趋势有关。弹性模量可反映材料的弹性性能，如钢铁的弹性模量就高于橡胶，即钢铁的弹性性能强于橡胶。在分子级别上，高弹性模量材料的粒子间作用力非常强，当施加应力时，粒子间的强相互作用力可以阻止材料变形并有助于材料形状的保持。因此，材料的相态对声速有极大的影响。总之，固体具有*强的粒子间作用力，然后依次是液体和气体。所以，在固体中声波的传播比在液体中快，尽管声波的速度可以由频率和波长计算，但在物理上并不取决于这些参数。声波在一些材料中的传播速度如表1-2所示。
五、声音的传播与衰减
当声源振动时，其邻近的空气分子发生交替的压缩和扩张，形成疏密相间的状态，空气分子时疏时密的状态依次向外传播（图1-1）。
声源的振动是按一定的时间间隔重复进行的，振动是具有周期性的，使声源周围介质发生周期性的疏密变化。在同一时刻，从某一个*稠密（或*稀疏）的地点到相邻的另一个*稠密（或*稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长（2）。振动重复的*短时间间隔称为周期（r）。周期的倒数，即单位时间内的振动次数，称为频率（/）。介质中的振动逐渐由声源向外传播，这种传播是需要时间的，即传播的速度是有限的，这种振动在介质中传播的速度称为声速（C）。
在空气中，声速为
c=331.45+0.61t0（1-1）
式中，t0是空气的摄氏温度。可见，声速c随温度会有一些变化，但是一般情况下变化不大，实际计算时常取c为340m/s。
显然，这些物理量之间存在以下相互关系：
（1-2）
（1-3）
声波传播时，介质中各点的振动频率都是相同的。但是，在同一时刻各点的相位不一定相同，同一质点在不同时刻也会
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