科普：輕松掌握噪聲監測

 

首先，我們先從相關(guān)概念學(xué)起。

 

聲音是一種振動(dòng)波。聲音通過(guò)空氣傳播、被我們聽(tīng)到，本質(zhì)上就是空氣分子的振動(dòng)傳到了耳朵里，引發(fā)鼓膜的振動(dòng)。所以，聲音的大小，其實(shí)反映的是這種振動(dòng)的強度。

 

頻率就是物體在一秒鐘之內振動(dòng)的次數，單位是赫茲，字母Hz。也可以理解為頻率是每秒經(jīng)過(guò)一給定點(diǎn)的聲波數量。其實(shí)頻率就是我們認為的聲音的音高。頻率在20 Hz~20000 Hz之間的波，才是可以被人耳識別的聲音。高于這個(gè)范圍的波稱(chēng)為超聲波；低于這一范圍的波稱(chēng)為次聲波。

 

由于空氣振動(dòng)會(huì )引起大氣壓強的變化，所以確切地說(shuō)，我們應該用壓強變化的程度來(lái)描述一個(gè)聲音的大小，這就是“聲壓”的概念，它的單位是Pa。但從可以聽(tīng)到的強度最小的聲音，到強度大到能夠引起痛覺(jué)的聲音，聲壓強度的絕對值相差一千萬(wàn)億倍。顯然，用聲強的絕對值表示聲音的大小是不方便的，所以就用到我們后面的聲級。

 

聲級簡(jiǎn)單理解就是聲級是聲壓級，即聲壓所處的一個(gè)級別，是人們對聲音強弱的主觀(guān)感覺(jué)相一致的物理量，單位為分貝。按專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)聲級是聲音經(jīng)過(guò)聲級計中不同而設計的計權網(wǎng)絡(luò )（特殊電路）修正過(guò)的總聲壓級值。近似于人耳對聲音各頻率成分感覺(jué)程度綜合成的總聲壓級數值。所以聲級一般也叫計權聲級。

 

分貝為兩個(gè)數值的對數比率，這兩個(gè)數值分別是測量值和參考值（也稱(chēng)為基準值）。“分貝”并不反映聲音的絕對響度，它是以某一個(gè)聲音為基準，描述聲音響度的相對關(guān)系。我們將某一個(gè)聲壓值定義為“標準值”（0分貝），這是一個(gè)固定的值；任何一個(gè)聲音，都和這個(gè)標準值相除，取結果的對數（以10為底），再乘以20，這樣算出來(lái)的就是這個(gè)聲音的分貝。

 

從物理定義而言，振幅和頻率上無(wú)規律的震蕩稱(chēng)之為噪聲。從環(huán)境保護角度而論，凡是人們所不需要的聲音統稱(chēng)為噪聲。

 

在了解了一些基本概念的情況下讓我們開(kāi)始學(xué)習專(zhuān)用的概念吧。
 

 

為了能用儀器直接反映人的主觀(guān)響度感覺(jué)的評價(jià)量，有關(guān)人員在噪聲測量?jì)x器——聲級計中設計了一種特殊濾波器，叫計權網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)計權網(wǎng)絡(luò )測得的聲壓級，已不再是客觀(guān)物理量的聲壓級，而叫計權聲壓級或計權聲級，也習慣簡(jiǎn)稱(chēng)為聲級。

 

聲級計的頻率計權通常有A、B、C、D計權，這是為了模擬人耳聽(tīng)覺(jué)在不同頻率處有不同的靈敏度而在聲級計的電路內設計的不同的計權網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)計權網(wǎng)絡(luò )測得的聲壓級叫做計權聲壓級，如A計權聲壓級，也稱(chēng)A聲級；不通過(guò)計權網(wǎng)絡(luò )的稱(chēng)為線(xiàn)性聲壓級，目前用Z計權聲壓級表示。

 

A計權聲級是模擬人耳對55dB以下低強度噪聲的頻率特性；B計權聲級是模擬55dB到85dB的中等強度噪聲的頻率特性；C計權聲級是模擬高強度噪聲的頻率特性；D計權聲級是對噪聲參量的模擬，專(zhuān)用于飛機噪聲的測量。

 

幾乎所有環(huán)境和工作場(chǎng)所噪聲測量都需要A計權，這在國際和國家標準和指南中都有規定。A計權濾波覆蓋了10Hz至20kHz的整個(gè)音頻范圍。A計權網(wǎng)絡(luò )是使用廣泛的頻率計權，B、C計權很少使用。

 

 

在現實(shí)生活中，噪聲種類(lèi)繁多，包括穩態(tài)噪聲、瞬態(tài)噪聲以及脈沖噪聲等，針對不同噪聲測量又引入了時(shí)間計權。時(shí)間計權實(shí)際上是對測量信號進(jìn)行時(shí)間平均。通常時(shí)間平均特性包含四種方式，即“快” （Fast）檔、“慢”（Slow）檔、“脈沖”（Impulse）檔和“峰值保持”（Peak）檔。

 

（1）對于連續的聲音信號，通常用“快”檔和“慢”檔計權。“快”檔計權的時(shí)間常數為125ms，一般用于測量波動(dòng)較大的不穩態(tài)噪聲和交通運輸噪聲等?？鞕n接近人耳對聲音的反應。“慢”檔計權的時(shí)間常數為1000ms，—般用于測量穩態(tài)噪聲，測得的數值為有效值。對于穩態(tài)的連續聲音信號，兩種計權方式?jīng)]有明顯差異。但如果被測聲音波動(dòng)較大，由于計權時(shí)間長(cháng)短不一樣，則用“慢檔”計權得到的結果更穩定。但是由于平均時(shí)間長(cháng)，會(huì )使峰值與峰谷測量產(chǎn)生誤差。因此，為了準確地了解信號的實(shí)時(shí)變化，宜用“快”檔計權（快檔接近人耳對聲音的反應，隔聲室的本底噪聲測量時(shí)宜選用快檔、A計權）。

 

（2）“脈沖”檔時(shí)間常數為35ms，用于測量持續時(shí)間較長(cháng)的脈沖噪聲，如沖床、按錘等，測得的數值為最大有效值。“峰值保持”的時(shí)間常數小于20ms，用于測量持續時(shí)間很短的脈沖聲，如槍、炮和爆炸聲，測得的數值是峰值即最大值。

 

 

時(shí)間計權通常用于聲級計測量中與頻率計權配合使用，才能使測量結果在一定程度上反映出人耳的主觀(guān)感受特性。

 

 

理解了上面的聲級和計權網(wǎng)絡(luò )，聲級計就比較好理解了，就是應用計權網(wǎng)絡(luò )測量噪聲的儀器，測出來(lái)的數值就是聲級的數值，單位為分貝。

 

聲級計是最基本的噪聲測量?jì)x器，它是一種電子儀器，但又不同于電壓表等客觀(guān)電子儀表。在把聲信號轉換成電信號時(shí)，可以模擬人耳對聲波反應速度的時(shí)間特性；有不同靈敏度的特性以及不同響度時(shí)改變特性的強度特性。聲級計是一種主觀(guān)性的電子儀器。

 

按照國家標準GB/T 3785.1-2010、IEC 61672-1:2013，聲級計按照精度，分為1級聲級計和2級聲級計，1級和2級聲級計的技術(shù)指標有相同的設計目標，主要是最大允許誤差、工作溫度范圍和頻率范圍不同，2級要求的最大允差大于1級。2級聲級計的工作溫度范圍0℃~40 ℃，1級為-10℃~50℃。2級的頻率范圍一般為20Hz~8kHz，1級的頻率范圍為10Hz~20kHz。

 

聲級計的工作原理如下：

聲級計由傳聲器、前置放大器、信號處理器和顯示屏組成。傳聲器將聲音信號轉換為等效的電信號。適合于聲級計的傳聲器類(lèi)型是電容式傳聲器，其精度、穩定性和可靠性都很高。傳聲器產(chǎn)生的電信號很弱，所以先用前置放大器對其進(jìn)行增強，然后再由主處理器進(jìn)行處理。信號處理包括按照國際標準（例如IEC 61672-1，聲級計符合該標準）對信號進(jìn)行頻率計權和時(shí)間計權。
 

 

傳聲器是把聲壓信號轉變?yōu)殡妷盒盘柕难b置，就是我們所說(shuō)的話(huà)筒，它是聲級計的傳感器。常見(jiàn)的傳聲器有晶體式、駐極體式、動(dòng)圈式和電容式數種。

 

1）動(dòng)圈式傳聲器由振動(dòng)膜片、可動(dòng)線(xiàn)圈和變壓器等組成。振動(dòng)膜片受到聲波壓力以后開(kāi)始振動(dòng)，并帶動(dòng)著(zhù)和它裝在一起的可動(dòng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)內振動(dòng)以產(chǎn)生感應電流。該電流根據振動(dòng)膜片受到聲波壓力的大小而變化。聲壓越大，產(chǎn)生的電流就越大，聲壓越小，產(chǎn)生的電流也越小。

 

2）電容式傳聲器主要由金屬膜片和靠得很近的金屬電極組成，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)平板電容。金屬膜片與金屬電極構成了平板電容的兩個(gè)極板，當膜片受到聲壓作用時(shí)，膜片便發(fā)生變形，使兩個(gè)極板之間的距離發(fā)生了變化，于是改變了電容量，位測量電路中的電壓也發(fā)生了變化，實(shí)現了將聲壓信號轉變?yōu)殡妷盒盘柕淖饔?。電容式傳聲器是聲學(xué)測量中比較理想的傳聲器，具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應平直、靈敏度高和在一般測量環(huán)境下穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而應用廣泛。由于電容式傳聲器輸出阻抗很高，因而需要通過(guò)前置放大器進(jìn)行阻抗變換，前置放大器裝在聲級計內部靠近安裝電容式傳聲器的部位。

 

雖然知識點(diǎn)眾多，但總結以上學(xué)習點(diǎn)，其實(shí)幾點(diǎn)是我們需要關(guān)注的：環(huán)境監測的頻率計權基本為A計權，頻率計權與時(shí)間計權是配合使用的，聲級計的傳聲器為電容式麥克風(fēng)。下面附圖各類(lèi)聲環(huán)境功能區環(huán)境噪聲等效聲級限值供大家參考，方便設定使用環(huán)境的報警限值。