噪聲的評(píng)價(jià)
噪聲評(píng)價(jià)是環(huán)境聲學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容之一，噪聲評(píng)價(jià)的目的是為有效地提出適合于人們對(duì)噪聲反應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)量。在噪聲的客觀物理量中，可以精確地計(jì)算和測(cè)量出噪聲的聲壓、聲強(qiáng)、頻率、相位、速度、諧波成分等參量，可是對(duì)噪聲主觀評(píng)定，例如說聲音很響、很煩，然而到底響到什么程度，煩到什么程度卻因人而異。在對(duì)聲音的研究中，逐漸建立了心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，除了音色很難定量評(píng)價(jià)外，首先建立了響度相同聲音的頻率與強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)一步又求得響度與強(qiáng)度、頻率的定量關(guān)系，并求得其規(guī)律和一般主觀感知和客觀參數(shù)的關(guān)系。同樣也求得音調(diào)與頻率的關(guān)系并和人的聽覺系統(tǒng)的構(gòu)造聯(lián)系起來根據(jù)這些結(jié)果，提出接近主觀感知的客觀量------計(jì)權(quán)聲級(jí)，成為可以用儀器測(cè)量的參量并提出符合聽力要求的聲波頻譜分析技術(shù)，使聲音的分析和合成有了辦法，這就是噪聲控制的基礎(chǔ)。
一、人的聽覺
1、聽覺構(gòu)造
人耳可以分為三個(gè)主要部分，即外耳、中耳及內(nèi)耳，其剖面示意圖如下圖1所示。聲波通過人耳轉(zhuǎn)化成聽覺神經(jīng)纖維中的神經(jīng)脈沖信號(hào)，傳到人腦中的聽覺中樞，引起聽覺。
圖1 人耳剖面示意圖
2、聲音的主觀感受
①聽閾與痛閾
人耳可以接受的聲音強(qiáng)度的變化范圍很大。正常年輕人聽到的最小聲音叫聽閾。
感覺閾代表人耳可容忍的最高聲壓，超出可忍受程度即為不適閾，即感覺不適，使人耳發(fā)癢或疼痛等，感覺閾與習(xí)慣性有關(guān)，未經(jīng)過強(qiáng)噪聲刺激的人，極限為 120~125dB，有經(jīng)驗(yàn)的人為135~140dB。在一般情況下，取120dB為不適，130~140dB為痛閾。
②最小可辨閾
a.對(duì)聲壓的分辨能力
對(duì)于頻率在50~10000Hz之間的純音，在聲壓級(jí)超過聽閥50dB最小可辨閥時(shí)，人耳大約可分辨1dB的聲壓級(jí)變化。在理想的隔聲室中，用耳機(jī)提供聲音時(shí)，在中頻范圍，人耳可察覺到0.3dB的聲壓級(jí)變化。
b.對(duì)頻率的分辨能力
當(dāng)頻率為 1000Hz而聲壓級(jí)超過40dB 時(shí)，人耳能覺察到的頻率變化約為 0.3%。當(dāng)然，人經(jīng)過的訓(xùn)練不同，測(cè)量方法不同，辨別能力是有很大差別的。例如專業(yè)音樂工作者，他的辨別能力顯然要比無(wú)音樂訓(xùn)練人強(qiáng)得多。
③聽覺定位
人耳的一個(gè)重要特性是能夠判斷聲源的方向與遠(yuǎn)近。人耳判斷聲源遠(yuǎn)近的準(zhǔn)確度較差，而確定聲源的方位相當(dāng)準(zhǔn)確。聽覺定位特性是由雙耳聽聞而得到的，由聲源發(fā)出的聲波到達(dá)兩耳，可以產(chǎn)生時(shí)間差和強(qiáng)度差。通常，當(dāng)頻率高于1400Hz左右時(shí)，強(qiáng)度差起主要作用；而低于1400H2時(shí)則時(shí)間差起主要作用。人耳對(duì)聲源方位的辨別在水平方向上比堅(jiān)直方向要好。在聲源處于正前方(即水平方位角為0°)，一個(gè)聽覺正常的人在安靜和無(wú)回聲的環(huán)境中，可辨別1°~3°的方位變化，在水平方位角0°~60°范圍內(nèi)，人耳有良好的方位辨別能力，超過60°迅速變差。在豎直平面內(nèi)人耳定位能力相對(duì)較差，但可以通過擺動(dòng)頭部而大大改善。雙耳定位能力有助于人們?cè)诖嬖诒尘霸肼暤那闆r下傾聽所需注意的聲音。
④掩藏效應(yīng)
人耳在傾聽一個(gè)聲音的同時(shí)，存在另一個(gè)聲音，則會(huì)影響到對(duì)所聽聲音的聲音的聽閾效果，即對(duì)所聽聲音的聽閾要提高。人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽覺靈敏因?yàn)榱硪粋€(gè)聲音的存在而降低，這一現(xiàn)象稱為掩蔽效應(yīng)，聽閾所提高的分貝數(shù)稱掩蔽閾。例如在吵鬧的織布車間中，人們聽不見對(duì)方的談話，這是語(yǔ)言被織機(jī)噪聲所掩蔽。為了有效地控制噪聲，保證語(yǔ)言信息的傳遞，就要找出不同聲音之間的掩蔽規(guī)律。
掩蔽的現(xiàn)象和規(guī)律是很復(fù)雜的。通常，低頻音對(duì)高頻音掩蔽作用大，而高頻音對(duì)低頻音的掩蔽作用小；低頻音的聲壓級(jí)越高，對(duì)高頻音的掩蔽的作用越大，且作用的頻率范圍也越寬。
二、響度級(jí)和等響曲線
1、響度級(jí)
人耳對(duì)聲音的感覺不僅和聲壓有關(guān)，而且與頻率也有關(guān)。聲壓級(jí)相同而頻率不同的聲音，聽起來會(huì)不一樣響。如 90dB 高頻聲 (如水泵噪聲)就比 90dB 低頻噪聲(如空調(diào)機(jī)噪聲)聽起來要響得多。這是人耳對(duì)高頻聲敏感對(duì)低頻聲不敏感的特性決定的。人耳對(duì)2k~5kHz的聲音最敏感，在低于1kHz時(shí)，人耳的靈敏度隨頻率降低而降低，而在5kHz以上，人耳的靈敏度也逐漸下降。這也就是說，不同頻率的聲音要使其聽起來一樣響，應(yīng)具有不同的聲壓級(jí)。
考慮到人耳的頻率特性，依照聲壓級(jí)的概念，引入一個(gè)與頻率有關(guān)的物理量-----響度級(jí)，響度級(jí)的單位是 phon (方)。“phon”就是以1kHz純音為基準(zhǔn)聲音，任何聲音如果聽起來和某個(gè) 1kHz純音一樣響，那么這個(gè) 1kHz 純音聲壓級(jí)的分貝值就是該聲音的響度級(jí)“phon”值。可見響度級(jí)是表示聲音響度的主觀量，它與聲壓級(jí)和頻率有關(guān)。
2、等響曲線
在聽覺實(shí)驗(yàn)中，如果把某個(gè)頻率的純音與一定聲壓級(jí)的 1kHz純音很快地交替比較，當(dāng)聽者感覺兩者一樣響時(shí)，把該頻率的聲壓級(jí)標(biāo)在圖上。在許多頻率與該1kHz純音相比之后都把聲壓級(jí)標(biāo)出時(shí)，便可連出一條等響曲線。這條曲線的響度級(jí)即是1kHz的聲壓級(jí)，圖2是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的一組在人耳可聽頻率范圍內(nèi)的等響曲線，該曲線是對(duì)18~25歲的120名具有正常聽力的人，在消聲室內(nèi)測(cè)量得到的。從等響曲線可以看出1kHz純音的聲壓級(jí)即等于響度級(jí)。人耳最敏感的頻率范圍是2k~5kHz，對(duì)低頻聲音則不很敏感。等響曲線中最下面一條曲線是可聽閥曲線，人耳的可聽閾也是頻率的函數(shù)。
圖2 等響曲線
由圖2看出，不同響度級(jí)的等響曲線之間是不平行的，較低響度的等響度曲線彎曲得厲害些，較高響度時(shí)的等響曲線變化較小，在很低的頻率，人耳對(duì)低強(qiáng)度聲的感覺很遲鈍。但在一定強(qiáng)度以上，則較小的強(qiáng)度變化將感到有較大的響度差別。
3、響度
響度級(jí)考慮了聲壓級(jí)和頻率兩個(gè)因素，如果已知一純音或窄帶噪聲的頻率和聲壓級(jí)，就可以利用圖 2 的等響曲線查出其響度級(jí)是多少方(phon)。但它的量度單位“phon”仍基于客觀量“dB”，所以不能表示一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音響多少的那種主觀感覺。
響度是用來描述聲音大小的主觀感覺量。響度的單位是 sone (宋)，定義 1kHz純音聲壓級(jí)為40dB時(shí)的響度為 1sone。2sone 的聲音是40phon 聲音響度的2倍;4sone 的聲音是40phon聲音響度的4倍，······，對(duì)許多人的平均結(jié)果，大約響度級(jí)每改變 10phon，響度感覺就增加了1倍，即40phon 為 1sone，50phon 為 2sone，60phon 為 4sone，70phon 為8sone······在20phon 至 120phon 之間的純音或窄帶噪聲，響度級(jí) LN和響度N之間的近似關(guān)系為
N=20.1(L -40) ①
或LN=40+10log2N=40+33.3lgN ②
式中，N為響度，sone; LN 為響度級(jí)，phon。利用式①和式②計(jì)算響度僅適合于純音或窄帶噪聲。
圖3 響度和響度級(jí)的計(jì)算
4、頻率計(jì)權(quán)
相同聲壓級(jí)的聲音，因頻率不同而使人聽覺感受上有不同的響度，因此，要用聲學(xué)儀器測(cè)得的量來表示人耳感受到的響度的大小，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。
為了使儀器測(cè)得的分貝值與人們主觀上的響度感覺有一定的相關(guān)性，需要在儀器上安裝一個(gè)“頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)”，例如，人耳聽某一種具有連續(xù)譜的噪聲，對(duì)其中的低頻聲感覺不靈敏則在儀器上附加一個(gè)電路來衰減這種頻率的聲音，使儀器對(duì)該低頻聲也變得像人耳一樣的不靈敏，人耳對(duì)其中的中高頻聲比較靈敏，則這個(gè)附加電路對(duì)噪聲中的中高頻成分適當(dāng)加以提升，使得它對(duì)中高頻的聲音也變得像人耳一樣的靈敏，這樣的儀器測(cè)得的分貝值就和人耳的主觀響度感覺十分接近了。這個(gè)附加的電路就叫“頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)”。“頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)”按對(duì)不同頻率的提升和衰減要求設(shè)計(jì)，由電容器和電阻器等電子元件組裝而成。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，常見的有四種不同的“頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)分別叫A、B、C、D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，它們測(cè)得的聲級(jí)分別叫 A聲級(jí)、B聲級(jí)、C聲級(jí)、D聲級(jí)。
圖4 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的特性曲線
A網(wǎng)絡(luò)是擬人耳對(duì) 40phon 純音的響應(yīng)，即以 40phon 等響曲線為基礎(chǔ)，經(jīng)規(guī)整化后倒置，成為圖4中的“A”計(jì)權(quán)曲線。經(jīng)過 A 計(jì)權(quán)測(cè)量得到的分貝數(shù)稱為A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)簡(jiǎn)稱A聲級(jí)，單位也是分貝，記作 dB。
B網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì) 70phon 純音的響應(yīng)，即以70phon 等響曲線為基礎(chǔ)，加以規(guī)整化后倒置，得到圖4中“B”計(jì)權(quán)曲線。經(jīng)過B計(jì)權(quán)測(cè)量得到的分貝數(shù)，稱B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，簡(jiǎn)稱B聲級(jí)。
C網(wǎng)絡(luò)是人耳對(duì) 100phon純音的響應(yīng)，即以100phon等響曲線為基礎(chǔ)，加以規(guī)整化后倒置，得圖4中“C”計(jì)權(quán)曲線。同樣經(jīng)C計(jì)權(quán)測(cè)量得到的分貝數(shù)簡(jiǎn)稱為C聲級(jí)。
D聲級(jí)主要用于航空噪聲的測(cè)量。在航空噪聲中，常用“感覺噪聲級(jí)”來進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)受聲者對(duì)周圍環(huán)境的吵鬧程度的感覺與某一個(gè)來自其正前方的中心頻率為1kHz的倍頻帶的噪聲對(duì)其的感覺相同時(shí)，就把該 1kHz噪聲的聲壓級(jí)，叫做受聲者所處環(huán)境的“感覺噪聲級(jí)”。感覺噪聲級(jí)的單位也是dB。把40dB 的等感覺噪聲級(jí)曲線倒置并規(guī)整化，即為圖4的“D”計(jì)權(quán)曲線。
三、噪音基本評(píng)價(jià)量
評(píng)價(jià)噪聲對(duì)人的影響程度是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，迄今為止，噪聲評(píng)價(jià)量和評(píng)價(jià)方有上百種。在此介紹幾種基本公認(rèn)的評(píng)價(jià)量。
1、A聲級(jí)
有關(guān)噪聲評(píng)價(jià)的長(zhǎng)期實(shí)踐表明，時(shí)間上連續(xù)，頻譜比較均勻，無(wú)顯著純音成分的寬頻帶噪聲，若以它們的A聲級(jí)值的大小次序排列，則與人們主觀聽次序有較好的相關(guān)性。從評(píng)價(jià)工作來看，人們很希望有一個(gè)簡(jiǎn)單的單一量來表示。所以經(jīng)過二三十年噪聲評(píng)價(jià)工作的實(shí)踐，國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中凡與人有聯(lián)系的各種噪聲評(píng)價(jià)量，絕大部分都是以A聲級(jí)為基礎(chǔ)的。
以A聲級(jí)作為噪聲的評(píng)價(jià)量，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便實(shí)用，但因 A 聲級(jí)是對(duì)低頻信號(hào)減的頻率計(jì)權(quán)測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果中不提供頻率成分信息，因此存在兩個(gè)明顯的缺由于缺少頻率成分信息，不可能作出經(jīng)濟(jì)合理的科學(xué)的噪聲控制設(shè)計(jì)；其二，對(duì)于低頻成分占優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)噪聲環(huán)境，其A聲級(jí)符合噪聲勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)長(zhǎng)期暴露于該環(huán)境的工作人員可能會(huì)有高血壓、心臟病等癥狀。
2、等效連續(xù)A聲級(jí)
當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)人體的影響時(shí)，不但要考慮聲的強(qiáng)度而考慮它的作用時(shí)間。另一方面，實(shí)際存在的噪聲，連續(xù)穩(wěn)定的噪聲是較少的，絕大多數(shù)其強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的。如何表征不穩(wěn)定噪聲對(duì)人體的作用呢?在較多的情況下，是求段時(shí)間間隔內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的能量平均意義上的等效聲級(jí)，稱為等效連續(xù) A聲級(jí)(常簡(jiǎn)等效聲級(jí))。
應(yīng)用“積分式聲級(jí)計(jì)”可以自動(dòng)測(cè)量某一時(shí)間段內(nèi)的等效聲級(jí)，無(wú)需進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。
3、噪聲評(píng)價(jià)曲線NR
A聲級(jí)、等效聲級(jí)、統(tǒng)計(jì)聲級(jí)等評(píng)價(jià)量，都是建立在 A 計(jì)權(quán)的基礎(chǔ)上并不考慮具體頻率成分的單位評(píng)價(jià)量。但在噪聲評(píng)價(jià)和控制設(shè)計(jì)中，常需了解噪聲頻譜。
圖5 NR曲線
1962年，C.wKosten 和 Vanos 基于等響曲線，提出一組噪聲評(píng)價(jià)曲線 (NR)，見圖5。曲線號(hào)數(shù)與該曲線 1kHz 的聲壓級(jí)值相同。1971年，NR曲線被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在1996 號(hào)文件的附錄中采用，因而逐漸在國(guó)際上被廣泛地采用。
NR 曲線有兩方面的用途。一種是對(duì)某種噪聲環(huán)境，主要是室內(nèi)環(huán)境作出評(píng)價(jià)。其方法是將一組要評(píng)價(jià)的倍頻程噪聲譜疊在 NR 曲線上，確定各倍頻程聲壓級(jí)的 N 值，選取各倍頻 N值中最大值再加上 1，為該噪聲的 NR 值。
NR 曲線的另一用途，是用于室內(nèi)環(huán)境噪聲控制設(shè)計(jì)。如各類廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)，公共場(chǎng)所、賓館、旅店等的噪聲控制，可以設(shè)定室內(nèi)環(huán)境噪聲不高于第幾號(hào) NR 曲線。有些標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定A聲級(jí)限值。例如工廠企業(yè)中的設(shè)計(jì)室，噪聲限制值為60dB，在進(jìn)行噪聲控制設(shè)計(jì)時(shí)，可按 NR-55 曲線所對(duì)應(yīng)的各倍頻程的聲壓級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
