從生理學和心理學角度來講,凡是使人討厭和煩惱的、過響的、干擾妨礙人們生活、工作、學習、休息的以及對人體健康造成影響或危害的聲音都是雜訊。持續的、過響的雜訊會損害人們的身心健康,大量的統計資料表明,雜訊級在80dB以下的環境,才能保證人們長期工作而不致耳聾。隨著技術的進步和船員舒適度要求的提升,船舶的雜訊問題也越來越被重視,相關雜訊標準也在逐漸提高。另外,隨著國內客滾船和豪華郵輪項目的日益增多,客船雜訊控制問題也擺在了我們面前。

聲學物理基礎

聲波是由聲源振動產生的,這個聲源可以是固體、液體、或者氣體,但是聲音最終都是通過空氣傳遞到人耳中。聲源振動使周圍空氣的質點交替成為密部和疏部,聲波就是通過不斷地密-疏-密的變換過程傳遞出去。因此,聲波是一種疏密波,也成為縱波。所謂縱波是指質點的振動方向和波的傳播方向互相平行的波。

空氣變密,壓力就增高;空氣變疏,壓力就降低。因此,空氣疏密的傳播,就是空氣壓力的傳播,不斷變換的壓力傳入耳膜,引起鼓膜振動,人們就感覺到了聲音。

聲源振動,有兩個重要的參數:頻率和振幅。

頻率

聲波在不同介質中傳播,頻率是保持不變的。通常情況下,聲源的振動是複雜的,因此,聲波也是複雜的周期波。但是任何複雜的周期波都可以被認為是由多個不同頻率的簡諧波複合而成,這有點像化學裡面,所有物質都是由那些不同的元素構成一樣。

振幅

空氣疏密變化,引起空氣壓力變化,聲波引起的空氣壓力變化量就是聲壓。聲壓的大小與振幅成正比,聲壓越大,聽起來也越響。其實聲壓是隨著空氣疏密交替不斷變化的,但是由於頻率較大,人耳分辨不出這種快速變換,聽起來會感覺是一個穩定的聲音。因此,我們通常談論的聲壓,是指有效聲壓(瞬時聲壓的均方根值),類似於交流電的有效電壓。

雜訊研究注重的是人的聽覺感受,因此人耳的聽覺範圍也是雜訊研究的範圍。正常人耳能聽到的最弱聲壓為2×10-5 Pa,稱為人耳的「聽閾」,當聲壓達到20 Pa時,人耳就會產生疼痛的感覺,稱為人耳的「痛閾」。人耳的聽覺頻率範圍約為20~20000 Hz。

聲壓級

從聽閾到痛閾,聲壓相差一百萬倍,為了方便描述聲壓大小,於是引入了聲壓級Lp

其中,P 為有效聲壓;Po 為基準聲壓,大小為2×10-5 Pa,也是聽閾聲壓值。

除了聲壓級,類似地還有聲功率級、聲強級。

等響曲線

雜訊研究注重的是人對雜訊的直觀感受,人對聲音的第一感覺是響的程度,它與人耳對聲壓和頻率的響應有關。換句話說,同樣聲壓、不同頻率,聽起來是不一樣響的;同樣頻率、不同聲壓,聽起來也是不一樣響的。所謂等響曲線就是不同聲壓、不同頻率但具有同等響度的曲線。它是通過聽力正常的年齡在18~25歲的120名青年男女測得的。

當某一頻率的純音和某聲壓級在1000Hz的純音聽起來同樣響時,1000Hz純音的聲壓級就是該待定聲音的響度級,記作LN,單位為方(phon)。上圖表示的就是響度級為20~100 phon的等響曲線。可以看到,在低頻和高頻部分,需要更大的聲壓級,才能達到同樣的響度。

計權聲級

由於等響曲線的存在,聲壓級的大小就不能直觀表示聲音的響度,為了解決這個問題,就需要對聲壓級進行修正。為了便於儀器直接測量,國際上都採用國際電工委員會(IEC)規定的電子計權網路:包括A、B、C、D四種按頻程計權的網路。

其中A、B、C三種計權網路分別是由40 phon、70 phon、100 phon的等響曲線經規整化後倒置得到的。船舶雜訊領域常用A計權網路,雜訊衡准都是用A計權的聲壓級-dB(A)表示。聲壓級加上對應A計權網路的修正量,得到的就是A計權聲壓級。例如,頻率100Hz的A計權修正量為-19.1dB,80dB的聲壓級修正後就是60.9dB(A)。

頻譜和頻程

通常我們聽到的聲音,都是複雜振動的周期波,可以分解成多個不同頻率的簡諧波。頻譜就是表示聲音在不同頻率下的能量分布。頻譜圖是以頻率為橫坐標,以各頻率成分的聲壓級為縱坐標而作出的聲壓級-頻率的曲線圖。頻譜圖在船舶雜訊控制中起著非常重要的作用,可以明確雜訊源的頻譜特性,有針對性的控制雜訊中聲壓級較高的頻率成分,有效降低雜訊水平。

如前所述,人耳聽閾範圍為20~20000Hz,若按1Hz來測量頻譜,需要測量19981個整數頻率對應的聲壓級,這在實際操作中難以達到,為方便起見,就把聽閾頻率範圍分成若干個有代表性的頻段,也就是頻程。在雜訊測量中,最常用的是倍頻程和1/3倍頻程。倍頻程共有11個中心頻率,分別為16、31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000、16000。每個中心頻率f代表一個頻段,頻率範圍為

。1/3倍頻程中心頻率更多,不作更多闡述。

聲壓級的疊加

船舶雜訊源眾多,因此某一位置的雜訊水平是多個聲壓級疊加的結果。總聲壓級:

假如,兩個同樣大小的聲壓級疊加,總聲壓級增加3dB。

總的來說,在船舶雜訊評價中,我們通常使用的是A計權聲壓級來衡量雜訊的大小。雜訊都是通過電子設備測量得到,雜訊儀以數倍於20000Hz的頻率採集雜訊時域信號,通過快速傅里葉變換轉化成頻域信號,通過濾波器測出倍頻程每個中心頻率頻程內的聲壓級,經過A計權網路修正以後,再累計疊加就得到了所要測量的雜訊的A計權聲壓級。再將測量結果與雜訊衡准比較,就可以知道是否滿足雜訊要求了。

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