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噪聲污染的危害及治理措施添加時間:2016-12-20
噪聲和其它污染不同,它是一種物理性污染,聲源輸出停止后,污染立即消失,不留下任何殘余物質。一項環境監測報告表明,全國有近2/3的城市居民在噪聲超標的環境中生活和工作。噪聲污染,干擾人們正常的工作和生活,甚至影響社會穩定,是目前城市居民最為關心、反映最為強烈的環境問題之一。現在我們對基本的噪聲知識進行介紹。
聲學基礎
聲音(包括噪聲)的形成,必須具備三個要素,首先要有產生振動的物體,即聲源,其次要有能夠傳播聲波的媒介,最后還要有聲的接受器,如人耳、傳聲器等。
1聲音的基本性質
聲音(sound)是由物體振動產生的,而振動在彈性介質中的傳播形式就是聲波,處于一定頻率范圍內(20~20000Hz)的聲波作用于人耳就產生了聲音的感覺。當人們用手撥動琴弦,弦即振動并同時發出聲音,這里琴弦的振動是產生聲音的根源。通常我們把振動發聲的物體,稱為聲源( sound source)。聲源不一定都是固體,液體和氣體的振動也會產生聲音,如海上的浪濤聲和火車的汽笛聲。
如果將一個發聲物體置于一個真空的罩子內,聲音則傳不出來,因此聲音的產生除了要有振動的物體外,還必須要有傳播聲音的媒介物質,它可以是空氣、水等流體也可以是鋼鐵、玻璃等固體。
物體振動是產生聲音的根源,但并不是物體產生震動后一定會使人們得到聲音的感覺。因為人耳能感覺到的聲音頻率范圍只是在 20~20000Hz之間,這個頻率范圍的聲音稱可聽聲,頻率低于20Hz的聲音稱為次聲(infrasound),頻率高于20000Hz的聲音稱為超聲(ultrasound)。次聲和超聲對于人耳來說都是感覺不到的。
描述聲音高低的物理量是頻率,描述聲音強弱的物理量有:聲壓、聲強、聲功率以及各自相應的級,描述聲音大小的主觀評價量是響度、響度級。
2聲音的傳播與衰減
聲波作為機械波的一種,具有波在傳播中的一切特性。當聲波在前進過程中,遇到尺寸比其波長大得多的障礙物時,就會發生反射( reflection);當遇到尺寸較小的障礙物或孔隙時,就會發生衍射(diffraction,舊稱"繞射"),由于衍射現象同障礙物尺寸與聲波波長的比值有關,低頻噪聲更容易發生衍射;當兩個或數個聲波在傳播過程中相遇,其振幅會疊加或削弱,這種現象叫做干涉(interference)。另外,還有聲音的共鳴現象和掩蔽效應,等等。
由于噪聲在傳播中要不斷地被衰減,因此離噪聲源近,噪聲大些;離噪聲源遠,噪聲就小。噪聲衰減的原因主要:①當聲波從聲源向四面八方輻射時,波前的面積隨傳播距離的增加而不斷擴大,聲波被擴散,通過單位面積上的聲能相應減少;②由于傳播媒質的粘滯性、熱傳導和分子馳豫過程等原因,聲波被吸收,這兩點均使聲波在傳播過程中聲能不斷地被轉化為其他形式的能量,從而導致聲強不斷衰減。
3噪聲及其評價
噪聲( noise)通常定義為"不需要的聲音"(unwanted sound),是一種環境現象。人一生都暴露在有噪聲的環境,噪聲也是一種由人類各種活動產生的環境污染物。
但是噪聲有不同于其它污染物象空氣污染物、水污染物的特點:①把噪聲定義為"不需要的聲音"是很主觀的,被某人認為是噪聲的聲音,卻可能被另外的人喜愛;②噪聲衰退的時間短,不像空氣污染物、水污染物等那樣長期存在于環境中,因此當人們設法去降低、控制或抱怨環境噪聲時,該噪聲可能已不再存在;③噪聲對人們生理和心理的影響很難評價,其影響經常是錯綜復雜的、隱伏的,其影響結果的出現是漸近的,以至于很難將原因和結果聯系在一起。實際上,一些聽覺可能已經受到噪聲損害的人,卻并不認為自己有什么問題。
因此,前述以聲壓、聲強、聲功率及其相應的級來表示聲音的強弱,只是對聲音的客觀評價量,而不能準確地反映人對噪聲的主觀感覺。實驗證明,雖然兩個聲源的聲壓相同,當其頻率不同時,人耳的主觀感覺卻是高頻聲比低頻聲響得多。亦即人耳對聲音大小的感覺不但與聲壓有關,還與頻率有直接關系。如何使噪聲的客觀物理量與人耳感覺的主觀量統一起來,這就是噪聲評價的重要問題。
4噪聲的危害
人類社會工業革命的科技發展,使得噪聲的發生范圍越來越廣,發生頻率也越來越高,越來越多的地區暴露于嚴重的噪聲污染之中,噪聲正日益成為環境污染的一大公害。其危害主要表現在它對環境和人體健康方面的影響。
1) 對睡眠、工作、交談、收聽和思考的影響
噪聲影響睡眠的數量和質量。通常,人的睡眠分為瞌睡、入睡、睡著和熟睡四個階段,熟睡階段越長睡眠質量越好。研究表明,在 40~50 dB噪聲作用下,會干擾正常的睡眠。突然的噪聲在40dB時,可使10%的人驚醒,60dB時則使70%的人驚醒。當連續噪聲級達到70dB時,會對50%的人睡覺產生影響。噪聲分散人的注意力,容易使人疲勞,心情煩躁,反應遲鈍,降低工作效率。當噪聲為60~80dB時,工作效率開始降低,到90dB以上時,差錯率大大增加,甚至造成工傷事故。噪聲干擾語言交談與收聽,當房間內的噪聲級達55dB以上時,50%住戶的談話和收聽受到影響,若噪聲達到65dB以上,則必須高聲才能交談,如噪聲達到90dB以上,則無法交談。噪聲對思考也有影響,突然的噪聲干擾要喪失4秒鐘的思想集中。
2.對聽覺器官的影響
噪聲會造成人的聽覺器官損傷。在強噪聲環境下,人會感到刺耳難受、疼痛、聽力下降、耳鳴,甚至引起不能復原的器質性病變,即 噪聲性耳聾。噪聲性耳聾是指 500、1000、2000Hz三個頻率的平均聽力損失超過25dB。若在噪聲為85 dB條件下長期暴露15年和30年, 噪聲性耳聾發病率分別為5%和8%; 而在噪聲為90 dB條件下長期暴露15年和30年, 噪聲性耳聾發病率提高為14%和18%。目前,一般國家確定的聽力保護標準為85~90 dB。
3.對人體健康的影響
噪聲作用于中樞神經系統,使大腦皮層功能受到抑制,出現頭疼、腦脹、記憶力減退等癥狀;噪聲會使人食欲不振、惡心、腸胃蠕動和胃液分泌功能降低,引起消化系統紊亂;噪聲會使使交感神經緊張,從而出現心跳加快、心律不齊,引起高血壓、心臟病、動脈硬化等心血管疾病;噪聲還會使視網膜軸體細胞光受性和視力清晰度降低,并且常常伴有視力減退、眼花、瞳孔擴大等視覺器官的損傷。
吸聲、隔聲材料和結構淺說
室內裝修已成為一項獨立的產業 , 大大小小的裝飾裝璜公司像雨后春筍 , 遍地林立。不少裝璜公司,以新風格、新材料、新工藝給室內建筑裝修帶來新面貌,達到了新水平。
在很多情況下,室內裝修有一定的聲學要求。不僅是各類劇院、體育場館和歌舞廳以及與聲學有關的錄音室、演播室等專業用房本身有一定的聲學技術指標,而且凡是公共場所,一般都需要傳播語言或音樂,即使是家庭用房現在也需要有良好的音樂欣賞環境。所以室內裝修工程必須重視聲學要求。如果忽視這一點,極有可能造成不良后果。例如有一水上健身娛樂場所,地面基本上都是水面,上空是一大玻璃圓穹項,由于沒有聲學設計,致使廳內混響時間特別長,當有文娛表演時連報幕的話也聽不清。再如有的走廓或門廳,做得富麗堂皇、金碧輝煌,但即使是普通的談話聲或背景音樂,也在空間內久傳不衰,形成令人煩惱的干擾噪聲。
造成音質差的主要原因是沒有科學的聲學設計。不少裝飾工程公司本身沒有合格的聲學設計人員;有的一開始邀請聲學專家做設計,以后自以為有了 " 經驗 " ,便大膽地把設計也承包了;有的是東抄西襲,以為找到了人家的奧秘,你做軟包,我也搞軟包,你用穿孔板,我也做穿孔板,實際上沒有掌握真正的聲學要求;也不排除有的工程技術人員懂得一些聲學知識,但并不精于室內聲學的原理和實踐,做出了并不合格的聲學裝修設計。
室內聲學設計是一門系統學科,涉及面較廣,本文只就與室內裝飾有關的吸聲和隔聲的材料和結構方面的知識作簡單介紹,希望裝飾工程人員和業主對聲學材料和結構有所了解,能夠理解聲學設計為什么作這樣那樣的處理,從而使裝飾工程在美觀和聲學要求上達到完美的統一。
1吸聲與隔聲的基本概念
首先要明確吸聲與隔聲是完全不同的兩個聲學概念。吸聲是指聲波傳播到某一邊界面時,一部分聲能被邊界面反射(或散射),一部分聲能被邊界面吸收(這里不考慮在媒質中傳播時被媒質的吸收),這包括聲波在邊界材料內轉化為熱能被消耗掉或是轉化為振動能沿邊界構造傳遞轉移,或是直接透射到邊界另一面空間。對于入射聲波來說,除了反射到原來空間的反射(散射)聲能外,其余能量都被看作被邊界面吸收。在一定面積上被吸收的聲能與入射聲能之比稱為該邊界面的吸聲系數。例如室內聲波從開著的窗戶傳到室外,則開窗面積可近似地認為百分之百地 " 吸收 " 了室內傳來的聲波,吸聲系數為1。當然,我們所要考慮的吸聲材料,主要不是靠開口面積的吸聲,而要靠材料本身的聲學特性來吸收聲波。
對于兩個空間中間的界面隔層來說,當聲波從一室入射到界面上時,聲波激發隔層的振動,以振動向另一面空間輻射聲波,此為透射聲波。通過一定面積的透射聲波能量與入射聲波能量之比稱透射系數。對于開啟的窗戶,透射系數可近似為1(吸聲系數也為1),其隔聲效果為0,即隔聲量為0dB。對于又重又厚的磚墻或厚鋼板,單位面積質量大,聲波入射時只能激發起此隔層的微小振動,使對另一空間輻射的聲波能量(透射聲能)很小,所以隔聲量大,隔聲效果好。但對于原來空間而言,絕大部分能量被反射,所以吸聲系數很小。
對于單一材料(不是專門設計的復合材料)來說,吸聲能力與隔聲效果往往是不能兼顧的。如上述磚墻或鋼板可以作為好的隔聲材料,但吸聲效果極差;反過來,如果拿吸聲性能好的材料(如玻璃棉)做隔聲材料,即使聲波透過該材料時聲能被吸收99%(這是很難達到的),只有1%的聲能傳播到另一空間,則此材料的隔聲量也只有20dB,并非好的隔聲材料。有人把吸聲材料誤稱為 " 隔音材料 " 是不對的。如果有人介紹某種單一材料吸聲好隔聲也好,那他不是不懂就是在騙人了。
2吸聲材料
吸聲材料是指吸聲系數比較大的建筑裝修材料。如果材料內部有很多互相連通的細微空隙,由空隙形成的空氣通道,可模擬為由固體框架間形成許多細管或毛細管組成的管道構造。當聲波傳入時,因細管中靠近管壁與管中間的聲波振動速度不同,由媒質間速度差引起的內摩擦,使聲波振動能量轉化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料,稱多孔性吸聲材料,如玻璃棉、巖棉、礦碴棉、棉麻和人造纖維棉、特制的金屬纖維棉等等,也包括空隙連通的泡沫塑料之類。吸聲性能與材料的纖維空隙結構有關,如纖維的粗細(微米至幾十微米間為好)和材料密度(決定纖維之間 " 毛細管 " 的等效直徑)、材料內空氣容積與材料體積之比(稱空隙率,玻璃棉的空隙率在90%以上)、材料內空隙的形狀結構等。從使用的角度,可以不管吸聲的機理,只要查閱材料吸聲系數的實驗結果即可。當然在選用時還要注意材料的防潮、防火以及可裝飾性等其他要求。
多孔性吸聲材料有一個基本吸聲特性,即低頻吸聲差,高頻吸聲好。定性的吸聲頻率特性:頻率高到一定值附近,吸聲系數 α 達到最大值,頻率繼續增大時,吸聲系數在高端有些波動。這個f0的位置,大體上是f0對應的波長為材料厚度t的4倍。
當材料厚度增加時,可以改善低頻的吸聲特性。相同頻率時t2的吸聲系數大于t1的吸聲系數。如果t2=2t1,則相同吸聲系數對應的頻率大約為f2=f1,即厚度增加一倍,低頻吸聲系數的頻率特性向低頻移一個倍頻程。但并非可以一直增加厚度來提高低頻吸聲系數的,因為聲波在材料的空隙中傳播時有阻尼,使增加厚度來改善低頻吸聲受到限制。不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一類好的吸聲材料,一般用5cm左右的厚度,很少用到10cm以上。而像纖維板一類較微密的材料,其材料纖維間空隙非常小,聲波傳播的阻尼非常大,不僅吸聲系數小,而且有效厚度也非常小。
一般平板狀吸聲材料的低頻吸聲性能差是普遍規律。一種改進的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀,當聲波傳播到尖劈狀材料時,從尖部到基部,空氣與材料的比例逐漸變化,也即聲阻抗逐漸變化,聲波傳播就超出平板狀材料有效厚度的限制,達到材料的基部,從而可改善低頻吸聲性能。吸聲頻率特性仍與前述相似,最大吸聲系數的頻率f0對應的波長大約為尖劈吸聲結構長度t的4倍。例如要使100Hz以上頻率都有很高的吸聲系數,吸聲尖劈的長度約為87cm左右。當然這樣的吸聲結構一般不宜用于室內裝修,主要用于聲學實驗室或特殊的噪聲控制工程。
3共振吸聲結構
利用不同的共振吸聲機理,設計各種類型的共振吸聲結構,使吸收峰值選擇在所需頻率位置,滿足不同頻率吸聲量的要求,特別是解決低頻吸聲量不足的問題。
主要利用一下幾種專業結構衣達到吸聲效果:薄層多孔性吸聲材料的共振吸聲,薄膜共振吸聲,薄板共振吸聲,穿孔板共振吸聲結構。
4隔聲材料
不透氣的固體材料,對于空氣中傳播的聲波都有隔聲效果,隔聲效果的好壞最根本的一點是取決于材料單位面積的質量。
隔層材料在物理上有一定彈性,當聲波入射時便激發振動在隔層內傳播。當聲波不是垂直入射,而是與隔層呈一角度 θ 入射時,聲波波前依次到達隔層表面,而先到隔層的聲波激發隔層內彎曲振動波沿隔層橫向傳播,若彎曲波傳播速度與空氣中聲波漸次到達隔層表面的行進速度一致時,聲波便加強彎曲波的振動,這一現象稱吻合效應。這時彎曲波振動的輻度特別大,并向另一面空氣中輻射聲波的能量也特別大,從而降低隔聲效果。
5雙層隔聲結構
根據質量定律,頻率降低一半,傳遞損失要降6dB;而要提高隔聲效果時,質量增加一倍,傳遞損失增加6dB。在這一定律支配下,若要顯著地提高隔聲能力,單靠增加隔層的質量,例如增加墻的厚度,顯然不能行之有效,有時甚至是不可能的,如航空器上的隔聲結構。這時解決的途徑主要是采用雙層以至多層隔聲結構。
雙層隔聲結構模型:單位面積質量分別為m1、m2,中間空氣層厚度為L。雙層結構的傳遞損失可以進行理論計算,結果比較復雜,在不同頻率范圍可以得到不同的簡化表示,這里只作定性介紹。
一般雙層隔聲結構的兩層,不用相同厚度的同一種材料,以避免這兩層出現相同的吻合頻率。
在設計和施工中要特別注意,兩層之間不能有剛性連接。破壞了固體 —— 空氣 —— 固體的雙層結構,把兩層固體隔層由剛性構件相連,使兩個隔層的振動連在一起,隔聲量便大為降低。尤其是雙層輕結構隔聲,相互之間必須相互支撐或連接時,一定要用彈性構件支撐或懸吊,同時注意需要分割的兩個空間之間,不能有縫或孔相通。 " 漏氣 " 就要漏聲,這是隔聲的實際問題。
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