第二章 噪声与振动的评价及其量度

第一节 噪声及其物理量度

一、 声压、声功率、声强 1. 声压

发声体的振动使周围的空气形成周期性的疏密相间层状态，在空气中由声

源向外传播，形成空气中的声波。当声波通过时，可用声扰动所产生的逾量压强来表述状态，

p P P0（逾量压强就是声压）

声场：存在声压的空间。

瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值。

峰值声压：在一定时间间隔内最大的瞬时声压值。

有效声压：当声波传入人耳时，由于鼓膜的惯性作用，无法辨别声压的

起伏，起作用的不是瞬时声压值，而是一个稳定的有效声压。 有效声压是在一定的时间间隔内瞬时声压对时间的圴方根值。

1pe

T

声压就是有效声压。

T

p2(t)dt

人们习惯指的声压，往往是指有效声压，一般的声学测量仪器测量到的

在实际使用中，如没有特别说明，声压就是有效声压的简称。

人耳对1000Hz声音的可听阈（即刚刚能觉察到它存在的声压）约为

2 10 5Pa；微风轻轻吹动树叶的声音约为2 10 4Pa；普通谈话声（相距

1m 处）约为2 10 2Pa；交响乐演奏声（相距5~10m处）约为0.3Pa；大型球磨机（相距2m处）约为20Pa（痛阈，即正常人耳感觉为痛）。

2. 声功率

声波传播到原先静止的介质中，一方面使介质质点在平衡位置附近做来

回的振动，获得扰动动能，同时，在介质中产生了压缩和膨胀的疏密过程，使介质具有形变的热能，两部分能量之和就是由于声扰动使介质得到的声能能量，以声的波动形式传递出去。

可见，声波的传播过程实际上伴随着声能能量的转移，或者说声波的传

播过程就是声能能量的传播过程。 声压作用在体积元上的瞬时声功率为

W Spu

式中：S－体积元截面积；u－声波传播速度。 人耳对声的感觉是一个平均效应：

1

T

T

1

Spudt S

T

T

pudt

对于平面声波，有：

2

P02U0 cPe212

SP0U0 S S SPU S SUeee c

22 c2 c

P0

Pe

2－声压的有效值，又称为均方根值；

Ue

U0

2－质点扰动速度的有效值，又称为均方根值。

一个声源发出的声功率和声源所发出的总功率是两个不同的概念。 声功率只是声源总功率中以声波形式辐射出来的很小部分。

3. 声强

声强：在某一点上，一个与指定方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的平均声能能量。

Pe2I Ue2 c PeUe

S c

声强是有方向的量，它的指向就是声传播的方向。

可以想象在有反射波存在的声场中，声强这一物理量往往不能反映其能

量关系。

例如，同时存在前进波和反射波，其总声强应为I I I ，如果两者相

等，则I 0。这时只能用声能密度来描述能量关系。

声场中介质的单位体积内包含的声能能量，称为声能密度。平均声能密

度与声强的关系为：

Pe2I

2

c c

对于平面声波，Pe，Ue都是常数，不随距离变化，所以，平均声能量密度处处相等。

4. 声功率和声强的关系

如果声源均匀地向四周辐射声能叫做球面辐射，若围绕声源半径为r的球面上的声强为I，则声功率W与半径为r的球面上的声强I有如下关系：

WI

4 r2

成反比。

可见，当声源的声功率一定时，球面辐射的声强I与离开声源的距离的平方

如果声源放置在刚性平面上，声波只能向半球面空间辐射，若距离声源

半径为r的半球面上的声强：

WI

2 r2

用指向性因素来表示，则

I

QW2 r2

Q－指向性因素。假如指向性声源与无指向性声源的声功率相同，在距两声源相同距离的位置上：

1 无指向性点声源

2 刚性反射面上点声源Q

4 两壁面边线中心上点声源

8 房间角落上点声源

二、 声压级、声强级、声功率级及其运算

人耳对1000Hz声音的听阈声压约为2 10Pa； 痛阈声压约为20Pa。

从听阈到痛阈，声压相差100万倍。由此可见，声音的强弱变化范围是

非常广的，用声压的绝对值来衡量声音的强弱是很不方便的，并且在整

5

个范围内都采用一定绝对精度量度的仪器，也是很难实现的。在声学上普遍采用对数标度来量度。

1. 声压级

pe

Lp 20lg

p0

或者为

p0－参与声压，2 10 5Pa，听阈声压级为零分贝。

采用对数标度可以使数值相关悬殊的变化缩小到适当的范围内。例如，

从人耳的听阈到痛阈，声压变化达100万倍，声压级变化范围为0~120dB。 一个声音比另一个声音的声压大一倍时，声压级约增加6dB，一般人耳对

Lp 20lgpe 94

声音强弱的分辨能力为0.5 dB。

2. 声强级

LI

I 10lg

I0－参考声强，10-12W/m2，是参考声压p0 2 10 5Pa对应的压强，由此，上式可写为：

LI 10lgI 120

综上所述，声强可表示为：

P2I

e c

400Pe2I400 52 LI 10lg 10lg /2 10 Lp 10lg I0cc

由于空气特性阻抗 c与大气压强P成正比，而与绝对温度的平方根成反比，

10lg

400

c可改写为：

1/2

400P 293

10lg 10lg

c100 273 t

t－温度。

10lg

400

c可以忽略不计，这时

通常情况下，大气压强与温度变化范围不大，

声强级与声压级基本相同。

3. 声功率级

Lw 10lg

WW0

W0－参考声功率，10 12W，则上式可写为

Lw 10lg 120

因

I /S

S－垂直于声传播方向的面积。 则

1 W01

Lp LI 10lg 10lg

SI0 W0I0S

12 12

W 10I 1000将W，W/m2代入上式，得

Lp LI LW 10lgS

对于自由场内的点声源，其声压级与声功率级的关系为：

Lp LI LW 10lgS LW 10lg4 r2 LW 20lgr 11

半自由场内的点声源，其声压级与声功率级的关系为：

Lp LI LW 10lgS LW 10lg2 r2 LW 20lgr 8

4. 声级运算

不能把多个声级进行简单的代数相加，能进行相加运算的只能是声音的能量。 平均声能密度公式：

Pe2I

2

c c

由于一般噪声不会发生干涉现象，应用声能量叠加的概念，多个声源在同一点产生的总声压应为：

P Pi2

2T

i 1

n

0.1Lp

由声压级的定义可得：

p p 10

n

2

20

，

则有

100.1LPT 100.1LPi

i 1

LPT

则总声压级为：

n0.1LPi 10lg 10

i 1

对于仅有2个声源的叠加，总声压级就变为：

LPT 10lg100.1LP1 100.1LP2

对于排除背景噪声问题，即在测量声源过程中，为了得到声源的真实声压级，须排除其他外界噪声的干扰，假设在受外界噪声干扰情况测得声源声压级为

LPT，在声源停止发声后，同一点测得声压级为LP1，则可得到声源声压级，即

LP2 10lg100.1LPT 100.1LP1

声级的叠加不仅仅局限于两个声源或多个声源发出的声音。

对同一个声源发声也有声级叠加的问题。一般声源发声所包含的不只是

单一频率的成分，它发出的是各种频率的声波，而频率不同的声波是不发生干涉，它们之间的叠加遵循能量相加的原则。所以，如果已知声源所发出的声波各频率成分的声压级，可按照上述公式计算其总声压级。

三、 噪声频谱

人耳可以听到的声音的频率范围20~20000Hz，这个频率范围的声音叫做

可听声。

频率低于20Hz的声音叫次声，高于20000 Hz的声音叫超声，次声和超

声人耳感觉不到。

在噪声控制中研究的是可听声范围。

一般噪声都是由许多频率声波组成的复合声，不同的噪声含有的频率成