噪聲的評價
噪聲評價是環(huán)境聲學重要的研究內(nèi)容之一，噪聲評價的目的是為有效地提出適合于人們對噪聲反應的主觀評價量。在噪聲的客觀物理量中，可以精確地計算和測量出噪聲的聲壓、聲強、頻率、相位、速度、諧波成分等參量，可是對噪聲主觀評定，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。在對聲音的研究中，逐漸建立了心理物理學實驗方法，除了音色很難定量評價外，首先建立了響度相同聲音的頻率與強度的關系，進一步又求得響度與強度、頻率的定量關系，并求得其規(guī)律和一般主觀感知和客觀參數(shù)的關系。同樣也求得音調(diào)與頻率的關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------計權(quán)聲級，成為可以用儀器測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。
一、人的聽覺
1、聽覺構(gòu)造
人耳可以分為三個主要部分，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，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，感覺閾與習慣性有關，未經(jīng)過強噪聲刺激的人，極限為 120~125dB，有經(jīng)驗的人為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.對聲壓的分辨能力
對于頻率在50~10000Hz之間的純音，在聲壓級超過聽閥50dB最小可辨閥時，人耳大約可分辨1dB的聲壓級變化。在理想的隔聲室中，用耳機提供聲音時，在中頻范圍，人耳可察覺到0.3dB的聲壓級變化。
b.對頻率的分辨能力
當頻率為 1000Hz而聲壓級超過40dB 時，人耳能覺察到的頻率變化約為 0.3%。當然，人經(jīng)過的訓練不同，測量方法不同，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音樂訓練人強得多。
③聽覺定位
人耳的一個重要特性是能夠判斷聲源的方向與遠近。人耳判斷聲源遠近的準確度較差，而確定聲源的方位相當準確。聽覺定位特性是由雙耳聽聞而得到的，由聲源發(fā)出的聲波到達兩耳，可以產(chǎn)生時間差和強度差。通常，當頻率高于1400Hz左右時，強度差起主要作用；而低于1400H2時則時間差起主要作用。人耳對聲源方位的辨別在水平方向上比堅直方向要好。在聲源處于正前方(即水平方位角為0°)，一個聽覺正常的人在安靜和無回聲的環(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)人耳定位能力相對較差，但可以通過擺動頭部而大大改善。雙耳定位能力有助于人們在存在背景噪聲的情況下傾聽所需注意的聲音。
④掩藏效應
人耳在傾聽一個聲音的同時，存在另一個聲音，則會影響到對所聽聲音的聲音的聽閾效果，即對所聽聲音的聽閾要提高。人耳對一個聲音的聽覺靈敏因為另一個聲音的存在而降低，這一現(xiàn)象稱為掩蔽效應，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，人們聽不見對方的談話，這是語言被織機噪聲所掩蔽。為了有效地控制噪聲，保證語言信息的傳遞，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)律是很復雜的。通常，低頻音對高頻音掩蔽作用大，而高頻音對低頻音的掩蔽作用??；低頻音的聲壓級越高，對高頻音的掩蔽的作用越大，且作用的頻率范圍也越寬。
二、響度級和等響曲線
1、響度級
人耳對聲音的感覺不僅和聲壓有關，而且與頻率也有關。聲壓級相同而頻率不同的聲音，聽起來會不一樣響。如 90dB 高頻聲 (如水泵噪聲)就比 90dB 低頻噪聲(如空調(diào)機噪聲)聽起來要響得多。這是人耳對高頻聲敏感對低頻聲不敏感的特性決定的。人耳對2k~5kHz的聲音最敏感，在低于1kHz時，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，應具有不同的聲壓級。
考慮到人耳的頻率特性，依照聲壓級的概念，引入一個與頻率有關的物理量-----響度級，響度級的單位是 phon (方)。“phon”就是以1kHz純音為基準聲音，任何聲音如果聽起來和某個 1kHz純音一樣響，那么這個 1kHz 純音聲壓級的分貝值就是該聲音的響度級“phon”值?？梢婍懚燃壥潜硎韭曇繇懚鹊闹饔^量，它與聲壓級和頻率有關。
2、等響曲線
在聽覺實驗中，如果把某個頻率的純音與一定聲壓級的 1kHz純音很快地交替比較，當聽者感覺兩者一樣響時，把該頻率的聲壓級標在圖上。在許多頻率與該1kHz純音相比之后都把聲壓級標出時，便可連出一條等響曲線。這條曲線的響度級即是1kHz的聲壓級，圖2是國際標準化組織(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18~25歲的120名具有正常聽力的人，在消聲室內(nèi)測量得到的。從等響曲線可以看出1kHz純音的聲壓級即等于響度級。人耳最敏感的頻率范圍是2k~5kHz，對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，較高響度時的等響曲線變化較小，在很低的頻率，人耳對低強度聲的感覺很遲鈍。但在一定強度以上，則較小的強度變化將感到有較大的響度差別。
3、響度
響度級考慮了聲壓級和頻率兩個因素，如果已知一純音或窄帶噪聲的頻率和聲壓級，就可以利用圖 2 的等響曲線查出其響度級是多少方(phon)。但它的量度單位“phon”仍基于客觀量“dB”，所以不能表示一個聲音比另一個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純音聲壓級為40dB時的響度為 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，······，對許多人的平均結(jié)果，大約響度級每改變 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 LN和響度N之間的近似關系為
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，phon。利用式①和式②計算響度僅適合于純音或窄帶噪聲。
圖3 響度和響度級的計算
4、頻率計權(quán)
相同聲壓級的聲音，因頻率不同而使人聽覺感受上有不同的響度，因此，要用聲學儀器測得的量來表示人耳感受到的響度的大小，是一個相當復雜的問題。
為了使儀器測得的分貝值與人們主觀上的響度感覺有一定的相關性，需要在儀器上安裝一個“頻率計權(quán)網(wǎng)絡”，例如，人耳聽某一種具有連續(xù)譜的噪聲，對其中的低頻聲感覺不靈敏則在儀器上附加一個電路來衰減這種頻率的聲音，使儀器對該低頻聲也變得像人耳一樣的不靈敏，人耳對其中的中高頻聲比較靈敏，則這個附加電路對噪聲中的中高頻成分適當加以提升，使得它對中高頻的聲音也變得像人耳一樣的靈敏，這樣的儀器測得的分貝值就和人耳的主觀響度感覺十分接近了。這個附加的電路就叫“頻率計權(quán)網(wǎng)絡”。“頻率計權(quán)網(wǎng)絡”按對不同頻率的提升和衰減要求設計，由電容器和電阻器等電子元件組裝而成。針對不同的應用場合，常見的有四種不同的“頻率計權(quán)網(wǎng)絡分別叫A、B、C、D計權(quán)網(wǎng)絡，它們測得的聲級分別叫 A聲級、B聲級、C聲級、D聲級。
圖4 計權(quán)網(wǎng)絡的特性曲線
A網(wǎng)絡是擬人耳對 40phon 純音的響應，即以 40phon 等響曲線為基礎，經(jīng)規(guī)整化后倒置，成為圖4中的“A”計權(quán)曲線。經(jīng)過 A 計權(quán)測量得到的分貝數(shù)稱為A 計權(quán)聲壓級簡稱A聲級，單位也是分貝，記作 dB。
B網(wǎng)絡是模擬人耳對 70phon 純音的響應，即以70phon 等響曲線為基礎，加以規(guī)整化后倒置，得到圖4中“B”計權(quán)曲線。經(jīng)過B計權(quán)測量得到的分貝數(shù)，稱B計權(quán)聲壓級，簡稱B聲級。
C網(wǎng)絡是人耳對 100phon純音的響應，即以100phon等響曲線為基礎，加以規(guī)整化后倒置，得圖4中“C”計權(quán)曲線。同樣經(jīng)C計權(quán)測量得到的分貝數(shù)簡稱為C聲級。
D聲級主要用于航空噪聲的測量。在航空噪聲中，常用“感覺噪聲級”來進行評價。當受聲者對周圍環(huán)境的吵鬧程度的感覺與某一個來自其正前方的中心頻率為1kHz的倍頻帶的噪聲對其的感覺相同時，就把該 1kHz噪聲的聲壓級，叫做受聲者所處環(huán)境的“感覺噪聲級”。感覺噪聲級的單位也是dB。把40dB 的等感覺噪聲級曲線倒置并規(guī)整化，即為圖4的“D”計權(quán)曲線。
三、噪音基本評價量
評價噪聲對人的影響程度是一個十分復雜的問題，迄今為止，噪聲評價量和評價方有上百種。在此介紹幾種基本公認的評價量。
1、A聲級
有關噪聲評價的長期實踐表明，時間上連續(xù)，頻譜比較均勻，無顯著純音成分的寬頻帶噪聲，若以它們的A聲級值的大小次序排列，則與人們主觀聽次序有較好的相關性。從評價工作來看，人們很希望有一個簡單的單一量來表示。所以經(jīng)過二三十年噪聲評價工作的實踐，國際、國家標準中凡與人有聯(lián)系的各種噪聲評價量，絕大部分都是以A聲級為基礎的。
以A聲級作為噪聲的評價量，其優(yōu)點是簡便實用，但因 A 聲級是對低頻信號減的頻率計權(quán)測量值，測量結(jié)果中不提供頻率成分信息，因此存在兩個明顯的缺由于缺少頻率成分信息，不可能作出經(jīng)濟合理的科學的噪聲控制設計；其二，對于低頻成分占優(yōu)勢的強噪聲環(huán)境，其A聲級符合噪聲勞動衛(wèi)生標準，但對長期暴露于該環(huán)境的工作人員可能會有高血壓、心臟病等癥狀。
2、等效連續(xù)A聲級
當評價對人體的影響時，不但要考慮聲的強度而考慮它的作用時間。另一方面，實際存在的噪聲，連續(xù)穩(wěn)定的噪聲是較少的，絕大多數(shù)其強度是隨時間變化的。如何表征不穩(wěn)定噪聲對人體的作用呢?在較多的情況下，是求段時間間隔內(nèi)A計權(quán)聲壓級的能量平均意義上的等效聲級，稱為等效連續(xù) A聲級(常簡等效聲級)。
應用“積分式聲級計”可以自動測量某一時間段內(nèi)的等效聲級，無需進行人工統(tǒng)計和計算。
3、噪聲評價曲線NR
A聲級、等效聲級、統(tǒng)計聲級等評價量，都是建立在 A 計權(quán)的基礎上并不考慮具體頻率成分的單位評價量。但在噪聲評價和控制設計中，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，提出一組噪聲評價曲線 (NR)，見圖5。曲線號數(shù)與該曲線 1kHz 的聲壓級值相同。1971年，NR曲線被國際標準化組織(ISO)在1996 號文件的附錄中采用，因而逐漸在國際上被廣泛地采用。
NR 曲線有兩方面的用途。一種是對某種噪聲環(huán)境，主要是室內(nèi)環(huán)境作出評價。其方法是將一組要評價的倍頻程噪聲譜疊在 NR 曲線上，確定各倍頻程聲壓級的 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)境噪聲控制設計。如各類廳堂音質(zhì)設計，公共場所、賓館、旅店等的噪聲控制，可以設定室內(nèi)環(huán)境噪聲不高于第幾號 NR 曲線。有些標準中只規(guī)定A聲級限值。例如工廠企業(yè)中的設計室，噪聲限制值為60dB，在進行噪聲控制設計時，可按 NR-55 曲線所對應的各倍頻程的聲壓級進行設計。
