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聲壓和聲強都是客觀物理量，聲壓越高，聲音越強；聲壓越低，聲音越弱，但是它們不能完全反映人耳對聲音的感覺特性。

 

人耳對聲音的感覺，不僅和聲壓有關(guān)，也和頻率有關(guān)。一般對高頻聲音感覺靈敏，對低頻聲音感覺遲鈍，聲壓級相同而頻率不同的聲音聽起來可能不一樣響。為了既考慮到聲音的物理量效應(yīng)，又考慮到聲音對人耳聽覺的生理效應(yīng)，把聲音的強度和頻率用一個量統(tǒng)一起來，人們仿照聲壓級引出了一個響度級的概念。

 

使用等響實驗方法，可以得到一族不同頻率、不同聲壓級的等響度曲線。實驗時用1000Hz的某一強度（例如40dB）的聲音為基準(zhǔn)，用人耳試聽的辦法與其它頻率（例如100Hz）聲音進行比較，調(diào)節(jié)此聲音的聲壓級，使它與1000Hz聲音聽起來響度相同，記下此頻率的聲壓級（例如50dB）。再用其它頻率試驗并記下它們與1000Hz聲音響度相等的聲壓級，將這些數(shù)據(jù)畫在坐標(biāo)上，就得到一條與1000Hz、40dB聲壓級等響的曲線。

 

這條曲線用1000Hz時的聲壓級數(shù)值來表示它們的響度級值，單位為方，這里就是40方。同樣以1000Hz其它聲壓級的聲音為基準(zhǔn)，進行不同頻率的響度比較，可以得出其它的等響度曲線。經(jīng)過大量試驗得到的并由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推薦為標(biāo)準(zhǔn)的等響度曲線示于圖1。

圖 1 等響度曲線

 

從等響度曲線可以看出：

 

1. 當(dāng)響度級比較低時，低頻段等響度曲線彎曲較大，也就是不同頻率的響度級（方值）與聲壓級（dB值）相關(guān)很大，例如同樣40方響度級，對1000Hz聲音來說聲壓級是40dB，對100Hz聲音是50dB，對40Hz聲音是70dB，對20Hz聲音是90dB。

    

2. 當(dāng)響度級高于100方時，等響度曲線變得比較平坦，也就是聲音的響度級主要決定于聲壓級，與頻率關(guān)系不大。

    

3. 人耳對高頻聲音，特別是3000~4000Hz的聲音最敏感，而對低頻聲音則頻率越低越不敏感。

 

響度級雖然定量地確定了響度感覺與頻率和聲壓級的關(guān)系，但是卻未能確定這個聲音比那個聲音響多少。例如一個80方的聲音比另一個50方的聲音究竟響幾倍？為此人們引出了響度的概念。1947年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了一個新的主觀評價量——宋，并以40方為1宋。響度級每增加10方，響度增加一倍，如50方為2宋，60方為4宋等。其表示式為：

或

式中：S是響度（宋），LN 是響度級（方）。

 

用響度表示聲音的大小可以直接計算出聲音響度增加或降低的百分數(shù)。如果聲源經(jīng)過隔聲處理后響度級降低了10方，相當(dāng)于響度降低了50%；響度級降低20方，相當(dāng)于響度降低了75%等等。

 

上述兩個等式只適用于純音和窄帶噪聲，對于一般的寬帶噪聲則要采用響度指數(shù)的計算方法，或者利用史蒂文斯響度指數(shù)表來查找倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級對應(yīng)的響度指數(shù)。

 

二、聲級和A聲級

 

聲壓級只反應(yīng)聲音強度對人響度感覺的影響，不能反映聲音頻率對響度感覺的影響。響度級和響度解決了這個問題，但是用它們來反映人們對聲音的主觀感覺過于復(fù)雜，于是又提出了計權(quán)聲壓級的概念。計權(quán)聲壓級就是用一定頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測量得到的聲壓級，計權(quán)聲壓級簡稱聲級。

 

在聲學(xué)測量儀器中，通常根據(jù)等響度曲線，設(shè)置一定的頻率計權(quán)電網(wǎng)絡(luò)，使接收的聲音按不同程度進行頻率濾波，以模擬人耳的響度感覺特性。當(dāng)然我們不可能做無窮多個電網(wǎng)絡(luò)來模擬無窮多根等響度曲線，一般設(shè)置A，B和C三種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其中A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對40方純音的響度，當(dāng)信號通過時，其低、中頻段（1000Hz以下）有較大的衰減。B計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對70方純音的響度，它對信號的低頻段有一定衰減。而C計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對100方純音的響度，在整個頻率范圍內(nèi)有近乎平直的響應(yīng)。

 

A、B、C計權(quán)的頻率響應(yīng)曲線（計權(quán)曲線）已由國際電工委員會（IEC）定為標(biāo)準(zhǔn)，并示于圖2。

圖2 頻率計權(quán)相對響應(yīng)曲線

 

IEC61672-1：2002規(guī)定了A、C及Z（不計權(quán)）頻率計權(quán)相對響應(yīng)及允許誤差見表1（包括最大測量擴展不確定度）。

 

表1 頻率計權(quán)和允差（包括最大測量擴展不確定度）

 

利用具有一定頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)和時間計權(quán)的聲學(xué)測量儀器對聲音進行聲壓級測量，所得到的讀數(shù)稱計權(quán)聲壓，簡稱聲級，單位為dB。使用什么計權(quán)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在測量值后面注明，如70dB(C)或C聲級70dB。如果沒有注明，通常就是指A聲級。

 

某時間t的A計權(quán)和時間計權(quán)聲級LAτ(t)用下式表示：

式中：τ為時間計權(quán)F或S的指數(shù)時間常數(shù)；ξ為從過去的某時刻，例如積分下限-∞，到觀測時刻t的時間積分的變量；pA(ξ)為A計權(quán)瞬時聲壓；p0為基準(zhǔn)聲壓。

 

在上式中，取對數(shù)運算的函數(shù)式的分子是在觀察時間t上對頻率計權(quán)聲壓取指數(shù)時間計權(quán)的方均根值。上式的表達過程可用圖3的示意圖說明。

圖3 形成指數(shù)時間計權(quán)聲級的主要步驟

 

在實際測量時到底用哪一種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)呢？以前曾有規(guī)定，聲級小于70dB時用A網(wǎng)絡(luò)測量，聲級大于70dB但小于90dB時用B網(wǎng)絡(luò)測量，聲級大于90dB時用C網(wǎng)絡(luò)測量。近年來研究表明，不論噪聲強度多少，利用A聲級都能較好地反應(yīng)噪聲對人吵鬧的主觀感覺和人耳聽力損傷的影響。因此，現(xiàn)在基本上都用A聲級來作為噪聲評價的基本量，而且如果不另作說明，都是指的A聲級。C聲級只作為可聽聲范圍的總聲壓級的讀數(shù)來使用，B聲級基本上不用了。有時只是為了判斷噪聲的頻率特性，才附帶測量C聲級。因為如果A、C兩種聲級基本相同，該噪聲特性是高頻特性；如果C聲級小于A聲級，該噪聲為中頻特性；如果C聲級大于A聲級，則該噪聲為低頻特性。表2列了幾種常見聲源的A聲級。

 

表2 幾種常見聲源的A聲級 （測點距離聲源1-1.5m）

 

在有些聲學(xué)測量儀器中還具有D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。它主要用于航空噪聲的測量。用D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的D聲級再加上7dB，就直接得到飛機噪聲的感覺噪聲級。D網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)特性亦示于圖2中，它的響應(yīng)特性對應(yīng)于倒置的40吶等噪度曲線（見圖5）。目前，D計權(quán)也已不使用，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也已不再規(guī)定它們的特性。

 

三、時間平均聲級或等效連續(xù)聲級Leq

 

A聲級能夠較好地反映人耳對噪聲的強度和頻率的主觀感覺，對于一個連續(xù)的穩(wěn)定噪聲，它是一種較好的評價方法。但是對于起伏的或不連續(xù)的噪聲，很難確定A聲級的大小。例如我們測量交通噪聲，當(dāng)有汽車通過時噪聲可能是75dB，但當(dāng)沒有汽車通過時可能只有50dB，這時就很難說交通噪聲是75dB還是50dB。又如一個人在噪聲環(huán)境下工作，間歇接觸噪聲與一直接觸噪聲對人的影響也不一樣，因為人所接觸的噪聲能量不一樣。為此提出了用噪聲能量平均的方法來評價噪聲對人的影響，這就是時間平均聲級或等效連續(xù)聲級，用Leq表示。這里仍用A計權(quán)，故亦稱等效連續(xù)A聲級LAeq。

 

等效連續(xù)A聲級定義為：在聲場中某一定位置上，用某一段時間能量平均的方法，將間歇出現(xiàn)的變化的A聲級以一個A聲級來表示該段時間內(nèi)的噪聲大小，并稱這個A聲級為此時間段的等效連續(xù)A聲級，即：

式中：pA(t)是瞬時A計權(quán)聲壓；p0是參考聲壓（2×10Pa??）；LA是變化A聲級的瞬時值，單位dB；T是某段時間的總量。

 

實際測量噪聲是通過不連續(xù)的采樣進行測量，假如采樣時間間隔相等，則：

式中：N是測量的聲級總個數(shù)，LAi是采樣到的第i個A聲級。對于連續(xù)的穩(wěn)定噪聲，等效連續(xù)聲級就等于測得的A聲級。

 

四、晝夜等效聲級

 

通常噪聲在晚上比白天更顯得吵，尤其對睡眠的干擾是如此。評價結(jié)果表明，晚上噪聲的干擾通常比白天高10dB。為了把不同時間噪聲對人的干擾不同的因素考慮進去，在計算一天24h的等效聲級時，要對夜間的噪聲加上10dB的計權(quán)，這樣得到的等效聲級為晝夜等效聲級，以符號Ldn表示：

式中：Ld為白天的等效聲級；Ln為夜間的等效聲級。

 

白天與夜間的時間定義可依地區(qū)的不同而異。16為白天小時數(shù)（6:00~22:00），8為夜間小時數(shù)（22:00~第二天6:00）。

 

五、聲暴露級LAE

 

對于單次或離散噪聲事件，如鍋爐超壓放氣，飛機的一次起飛或降落過程，一輛汽車駛過等等，可用“聲暴露級”LAE來表示這一噪聲事件的大小：

式中PA(t)為聲壓、P0為參考聲壓級，（t2-t1）為該噪聲事件對聲能有顯著貢獻的足夠長的時間間隔。t0為參考時間，一般不注明時取t0為1秒。

圖4 單次噪聲事件

 

如一單次噪聲事件的時間過程如圖4所示，則在確定（t2-t1）的時間間隔時，可取最高聲級以下降低10dB以內(nèi)的總能量計算，就不會引起不可忽略的誤差了。如果用積分式聲級計進行聲暴露級的自動測量，就可按此原則進行設(shè)計。聲暴露級本身是單次噪聲事件的評價量，此外，知道了單次噪聲事件的聲暴露級，也可從它計算T時段內(nèi)的等效聲級。如果在T時段內(nèi)有n個單次噪聲事件，其聲暴露級分別為LAEi，則T時段內(nèi)的等效聲級為：

 

六、噪聲暴露量（噪聲劑量）

 

一個人在一定的噪聲環(huán)境下工作，也就是暴露在噪聲環(huán)境下時，噪聲對人的影響不僅與噪聲的強度有關(guān)，而且與噪聲暴露的時間有關(guān)。為此，提出了噪聲暴露量，并用E表示，單位是Pa² •h（帕²•小時）。

 

噪聲暴露量E定義為噪聲的A計權(quán)聲壓值平方的時間積分，即：

式中：T是測量時間（h），pA(t)是瞬時A計權(quán)聲壓。假如pA(t)在試驗期保持恒定不變，則：

1Pa² •h相當(dāng)于84.95≈85dB聲級暴露了8h，我國《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（試行草案）中，規(guī)定工人每天工作8h，噪聲聲級不得超過85dB，相應(yīng)的噪聲暴露量為1Pa²h。如果工人每天工作4h，允許噪聲聲級增加3dB，噪聲暴露量仍保持不變。

 

某一時間內(nèi)的等效連續(xù)聲級（Leq ）與噪聲暴露量（E）之間的關(guān)系為：

有的國家將噪聲暴露量用噪聲劑量來表示，并以規(guī)定的允許噪聲暴露量作為100%，例如以1Pa² •h作為100%，則0.5Pa² •h噪聲劑量為50%，2Pa²•h為200%等等。

 

七、累計百分聲級（統(tǒng)計聲級）LN

 

由于環(huán)境噪聲，如街道、住宅區(qū)的噪聲，往往呈現(xiàn)不規(guī)則且大幅度變動的情況，因此需要用統(tǒng)計的方法，用不同的噪聲級出現(xiàn)的概率或累積概率來表示。定義為：累計百分聲級LN表示某一A聲級，且大于此聲級的出現(xiàn)概率為N%。如L5=70dB表示整個測量期間噪聲超過70dB的概率占5%。L10，L95 的意義依此類推。

 

L5相當(dāng)于峰值平均噪聲級，L50相當(dāng)于平均噪聲級，又稱中央值，L95相當(dāng)于背景噪聲級（或叫本底噪聲級）。如果測量是按一定時間間隔（例如每5s一次）讀取指示值，那么L10表示有10%的數(shù)據(jù)比它高，L50表示有50%的數(shù)據(jù)比它高，L90表示有90%的數(shù)據(jù)比它高。

 

如果噪聲級的統(tǒng)計特性符合正態(tài)分布，那么：

式中：d=L10-L90 。如果噪聲級的統(tǒng)計特性符合對稱正態(tài)分布，則L10-L50與L50-L90應(yīng)該相同。如不對稱則差值不同，差值越大說明分布越不集中。

 

八、交通噪聲指數(shù)

 

通常，起伏的噪聲比穩(wěn)態(tài)的噪聲對人的干擾更大，交通噪聲指數(shù)就是考慮到了噪聲起伏的影響，加以計權(quán)而得到的，通常記為TNI。因為噪聲級的測量是用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，所以它的單位為dB(A)，其數(shù)學(xué)表達式為：

d反映了交通噪聲起伏的程度，d越大，表示噪聲起伏越大，則TNI也越大，也就是說，對人的干擾越大。噪聲干擾亦同噪聲的本底有關(guān)，L90越高，即本底越大，對人的干擾也越大。

 

九、標(biāo)準(zhǔn)偏差和噪聲污染級

 

標(biāo)準(zhǔn)偏差SD（或σ）也可表示噪聲起伏大小：

式中：LA為整個采樣時間內(nèi)所有A聲級的算術(shù)平均值，LAi為第i個瞬時A聲級，N為總的采樣次數(shù)。

噪聲污染級NPL也是用以評價噪聲對人影響的一種方法，它是用噪聲能量平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示的：

在正態(tài)分布條件下，噪聲污染級可用累積百分聲級來表示：

十、噪聲評價數(shù)NR

 

噪聲評價數(shù)NR是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1961年推薦的方法，它由圖5的一簇噪聲評價數(shù)曲線（即NR曲線）所組成，并推薦了作為聽力損傷、會話干擾、煩惱的噪聲評價數(shù)N。近年來各國規(guī)定的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，都是以A聲級（或等效連續(xù)A聲級）作為評價標(biāo)準(zhǔn)，參考NR曲線。對于大多數(shù)噪聲（航空噪聲例外），NR=LA -5。如保護聽力標(biāo)準(zhǔn)為85dB，即相當(dāng)于N-80，由N-80曲線即可知各倍頻帶聲壓級的允許標(biāo)準(zhǔn)。求噪聲評價數(shù)的方法是把各倍頻帶聲壓級畫在圖上，超過這些值的最低曲線的NR值即所求的值。對聽力保護和語言可懂度，只用500，1000，2000Hz三個倍頻帶。

圖5 噪聲評價曲線

 

十一、感覺噪聲級（PNdB）和噪度（吶）

 

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，飛機噪聲對人的危害日趨嚴重，為了評價航空噪聲的影響，人們提出用感覺噪聲級LPN和噪度來進行評價。感覺噪聲級的單位是PNdB，噪度的單位是吶，它們與響度級及響度相對應(yīng)，但它們是以復(fù)合聲音作為基礎(chǔ)的，而響度級和響度則是以純音或窄帶聲為基礎(chǔ)的。圖6畫出了等噪度曲線及噪度和感覺噪聲級的換算圖表，噪度為1吶的聲音同一個40dB、中心頻率為1000Hz的倍頻帶（或1/3倍頻帶）的無規(guī)噪聲聽起來有相等的吵鬧感覺。

圖6 等噪度曲線和感覺噪聲級的換算

 

感覺噪聲級可通過以下方法進行測量和計算：首先測出某航空噪聲的倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級，在圖6等噪度曲線上查得各頻帶的噪度（吶），再根據(jù)下式算出總噪度NT：

式中：Nm是各噪度中最大的一個；∑項是所有頻帶噪度之和；F是系數(shù)，對于倍頻程為0.30，對于1/3倍頻程為0.15。然后由圖6或按下式，將總噪度化為感覺噪聲級：

對于具有用于航空噪聲測量用的D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的聲級計，可以直接在測得的D計權(quán)聲級上加7dB，就得到感覺噪聲級PNdB。例如某飛機的D計權(quán)噪聲級LP=140dB，則其感覺噪聲級LPN為147（PNdB），這就大大簡化了測量和計算。