環境聲學

環境聲學是環境物理學的一個分支學科，主要研究聲環境及其同人類活動的相互作用。研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的物理學分支學科。

媒質包括各種狀態的物質，可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質；機械波是指質點運動變化的傳播現象。

這些問題的研究涉及物理學、生理學、心理學、生物學、醫學、建築學、音樂、通信、法學、管理科學等許多學科，經過長期的研究，成果逐漸匯聚，形成了一門綜合性的科學——環境聲學。在1974年召開的第八屆國際聲學會議上，環境聲學這一術語被正式使用。

基本介紹

• 中文名：環境聲學
• 外文名：environmental acoustics
• 所屬學科：環境物理學
• 研究內容：聲環境及其同人類活動的相互作用
• 實質：媒質中機械波的產生、傳播和接收
• 正式確立術語：1974年召開的第八屆國際聲學會議

學科起源

人類生活的環境裡有各種聲波，其中有的是用來傳遞信息和進行社會活動的，是人們需要的；有的會影響人的工作和休息，甚至危害人體的健康，是人們不需要的，稱為噪聲。

為了改善人類的聲環境，保證語言清晰可懂，音樂優美動聽。20世紀初，人們開始對建築物內的音質問題進行研究，促進了建築聲學的形成和發展。50年代以來，隨著工業生產、交通運輸的迅猛發展，城市人口急劇增長，噪聲源也越來越多，所產生的噪聲也越來越強，造成人類生活環境的噪聲污染日益嚴重。

因此，不僅要在建築物內改善音質，而且要在建築物內和在建築物外的一定的空間範圍內控制噪聲，防止噪聲的危害。這些問題的研究涉及物理學、生理學、心理學、生物學、醫學、建築學、音樂、通信、法學、管理科學等許多學科，經過長期的研究，成果逐漸匯聚，形成了一門綜合性的科學──環境聲學。在1974年召開的第八屆國際聲學會議上，環境聲學這一術語被正式使用。

發展歷史

聲學是物理學中很早就得到發展的學科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現象，它很早就被人們所認識，無論是中國還是古代希臘，對聲音、特別是在音律方面都有相當的研究。

我國在3400多年以前的商代對樂器的製造和樂律學就已有豐富的知識，以後在聲音的產生、傳播、樂器製造、樂律學以及建築和生產技術中聲學效應的套用等方面，都有許多豐富的經驗總結和卓越的發現和發明。國外對聲的研究亦開始得很早，早在公元前500年，畢達哥拉斯就研究了音階與和聲問題，而對聲學的系統研究則始於17世紀初伽利略對單擺周期和物體振動的研究。17世紀牛頓力學形成，把聲學現象和機械運動統一起來，促進了聲學的發展。聲學的基本理論早在19世紀中葉就已相當完善，當時許多優秀的數學家、物理學家都對它作出過卓越的貢獻。1877年英國物理學家瑞利（Lord　JohnWilliam　Rayleigh，1842～1919）發表巨著《聲學原理》集其大成，使聲學成為物理學中一門嚴謹的相對獨立的分支學科，並由此拉開了現代聲學的序幕。

聲學又是當前物理學中最活躍的學科之一。聲學日益密切地同聲多種領域的現代科學技術緊密聯繫，形成眾多的相對獨立的分支學科，從最早形成的建築聲學、電聲學直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學”、“電漿聲學”和“地聲學”等等，目前已超過20個，並且還有新的分支在不斷產生。其中不僅涉及包括生命科學在內的幾乎所有主要的基礎自然科學，還在相當程度上涉及若干人文科學。這種廣泛性在物理學的其它學科中，甚至在整個自然科學中也是不多見的。
在發展初期，聲學原是為聽覺服務的。理論上，聲學研究聲的產生、傳播和接收；套用上，聲學研究如何獲得悅耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂器和電聲儀器的音質等等。

隨著科學技術的發展，人們發現聲波的很多特性和作用，有的對聽覺有影響，有的雖然對聽覺並無影響，但對科學研究和生產技術卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來研究媒質的微觀結構，利用聲的作用來促進化學反應等等。因此，在近代聲學中，一方面為聽覺服務的研究和套用得到了進一步的發展，另一方面也開展了許多有關物理、化學、工程技術方面的研究和套用。聲的概念不再局限在聽覺範圍以內，聲振動和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機械振動和機械波的同義詞了。

研究內容

主要是研究聲音的產生、傳播和接收，及其對人體產生的生理、心理效應；研究改善和控制聲環境質量的技術和管理措施。

噪聲控制

聲是一種波動現象，它在傳播過程中，遇到障礙物會產生反射和衍射現象，在不均勻的媒質中或由一種媒質進入另一種媒質時，也會發生折射和透射現象。聲波在媒質中傳播，由於媒質的吸收作用等，會隨傳播距離增加而衰減。對於聲的這些認識，是改善和控制聲環境的理論基礎。

在噪聲控制中，首先是降低噪聲源的輻射。工業、交通運輸業可選用低噪聲的生產設備和生產工藝，或是改變噪聲源的運動方式（如用阻尼、隔振等措施降低固體發聲體的振動，用減少渦流、降低流速等措施降低液體和氣體聲源輻射）。其次是控制噪聲的傳播,改變聲源已經發出的噪聲的傳播途徑,如採用吸聲降噪、隔聲等措施。再次是採取防護措施，如處在噪聲環境中的工人可戴耳塞、耳罩或頭盔等護耳器。
噪聲控制在技術上雖然已經相當成熟，但是由於現代工業、交通運輸業規模很大，要採取噪聲控制的企業和場所為數甚多，因此在處理噪聲問題時，須要綜合權衡技術、經濟、效果等問題。

音質設計

劇場、電影院、音樂廳、會議廳等建築物，是人群聚集進行文化娛樂和社會活動的場所。這些建築物中的音質問題，既同混響時間有關，也同所謂“聲場擴散”有關。音質控制一方面要加強聲音傳播途徑中有效的聲反射，使聲能量在建築物內均勻分布和擴散，以保證接收者所收聽的直達聲有適當的響度；另一方面要採用各種吸聲材料或吸聲結構，消除建築物內的不利的聲反射、聲能集中等現象，並控制混響時間。此外還要降低內部和外部的噪聲干擾。

噪聲的影響

頻率為 20～20000Hz的聲波，傳入人耳可引起聽覺，稱為可聽聲。人需要有一定響度的聲音。但是噪聲會干擾睡眠，造成神經緊張和心情煩惱；會影響語言清晰度，干擾人的社會活動；強噪聲還會影響人體健康，引起暫時性的聽閾遷移,甚至造成耳聾。此外，強噪聲還可能造成精密儀器、儀表失靈等。頻率高於20000Hz的聲波稱為超聲。較強的超聲目前套用於清洗、鑽孔、乳化等生產工藝過程中。如強度在160dB以下,對人體健康沒有影響。頻率低於20Hz的聲波稱為次聲，高強的次聲（100dB以上）可引起人體腔內發生共振現象,造成傷害。
噪聲對人的影響同噪聲的聲級、頻率、連續性、發出的時間有關，而且同收聽者的聽覺特性、心理、生理狀態等因素有關。所以，研究噪聲對人的影響，既要研究一般影響，也要研究各種特殊的情況，為制定噪聲標準提供依據。

噪聲標準

有國際的、國家的和地方的；還有專業的，如工業噪聲標準、機動車輛噪聲標準、產品噪聲發射標準等。城市、工廠、交通運輸系統等的噪聲控制都要以噪聲標準為準繩。噪聲標準要能保護多數人不受過度噪聲的干擾或傷害，因而是防止和消除噪聲污染的重要手段，噪聲控制的技術措施必須滿足它的要求。

學科特點

聲音由物體（比如樂器）的振動而產生，通過空氣傳播到耳鼓，耳鼓也產生同率振動。聲音的高低（pitch）取決於物體振動的速度。物體振動快就產生“高音”，振動慢就產生“低音”。物體每秒鐘的振動速率，叫做聲音的“頻率”。
聲音的響度（loudness）取決於振動的“振幅”。比如，用力地用琴弓拉一根小提琴弦時，這根弦就大距離地向左右兩邊擺動，由此產生強振動，發出一個響亮的聲音；而輕輕地用琴弓拉一根弦時，這根弦僅僅小距離左右擺動，產生的振動弱而發出一個輕柔的聲音。
較小的樂器產生的振動較快，較大的樂器產生的振動較慢。如雙簧管的發音比它同類的大管要高。同樣的道理，小提琴的發音比大提琴高；按指的發音比空弦音高；小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制約音高的還有其他一些因素，如振動體的質量和張力。總的說，較細的小提琴弦比較粗的振動快，發音也高；一根弦的發音會隨著弦軸擰緊而音升高。
不同的樂器和人聲會發出各種音質（quality）不同的聲音，這是因為幾乎所有的振動都是複合的。如一根正在發音的小提琴弦不僅全長振動，各分段同時也在振動，根據分段各自不同的長度發音。這些分段振動發出的音不易用聽覺辨別出來，然而這些音都納入了整體音響效果。泛音列中的任何一個音（如G，D或B）的泛音的數目都是隨八度連續升高而倍增。泛音的級數還可說明各泛音的頻率與基音頻率的比率。如大字組“G”的頻率是每秒鐘振動96次，高音譜表上的“B”（第五泛音）的振動次數是5*96=480，即每秒鐘振動480次。

學科發展

噪聲控制研究受到普遍重視，對聲源的發聲機理、發聲部位和特性，以及振動體和聲場的分析和計算，無論在理論方法或實驗技術方面都有重大發展，因而有力地促進了噪聲控制技術的發展。
在機械振動、聲場分布以及二者間耦合的理論方面，處理方法已大大豐富。經典的格林函式已普遍用於振動系統的理論分析，使許多複雜系統的計算有了可能。由於電子計算機的迅速發展，複雜的計算已不成問題。電子計算機的使用大大促進了振動系統（包括聲學系統）的研究。30年代，聲學工作者把量子力學的處理方法用到聲場分析，形成了簡正振動方式（或稱簡正波）理論，和傅立葉分析相似，把複雜系統的振動在空間分布和頻率分布上分解為簡正波，以後可分別計算其特性。這個理論現在已成為處理振動和聲場問題的有力工具，在一些形狀比較規則的物體或空間的分析上取得了一系列重要成果。

此外，發展了簡正波分析技術，編寫了簡正波分析的計算程式，對一些非常複雜的物體，有時只要敲擊一下,接收所產生的噪聲或振動,就可以計算出其簡正波。在頻率較高時（物體的尺度大於其中的波長），簡正波的固有頻率（簡正頻率）比較密，為求得平均（不是恰在某個簡正頻率）振動情況，可用統計方法分析振動中的能量關係,因而發展了統計能量分析(SEA)。

這種方法在計算飛彈和飛機中由外面傳入的噪聲以及一般隔聲問題中顯示出威力。具體計算複雜物體或系統的簡正頻率是比較困難的。早在 100年前瑞利就提出近似方法(使最大動能等於最大位能，因而算出振動基頻的方法)，進一步發展這個概念就創造出有限元方法。這種方法是在物體上選取若干“節點”，根據節點間的質量、彈性關係寫出相應的方程式，因此可以把複雜物體的問題簡化為質點系統的問題，用計算機可求出其振動頻率。用這個方法所得結果是近似的，但所取單元數越多，近似的程度越好。

在某些情況下，還可以採用邊界元方法,只在表面上取節點，能大大減少元數和計算量。此外，能量流技術在計算和降低機器噪聲方面是新發展的有力手段。
學者們對噪聲的時間函式作了大量研究，創造了新的手段。多數噪聲是無規噪聲，不少噪聲是由簡正波組成的，但在高頻率，簡正波很多，或聲源不只一個，聲場也是接近無規噪聲。對噪聲的研究推動了數學家對機率論、統計學、隨機過程等的研究，而這些研究又促進了對無規噪聲的研究。最早是對周期性時間函式的傅立葉分析，後來發展到對非周期性函式的傅立葉積分，以處理連續譜。

用傅立葉積分由時間函式求頻譜函式或由頻譜函式求時間函式的傅立葉變換，即使使用電子計算機，計算量還是非常大，因而進展緩慢。利用三角函式的特性可以設計出計算方法，使計算量和計算時間減小到幾十分之一、幾百分之一，從而發展了快速傅立葉變換(FFT)。現在已有了FFT電腦程式（軟體）和聯接好的專用設備（硬體），稱為實時分析儀。這種設備雖然不一定是隨著信號輸入，當時就得到頻譜，但是速度很快。衡量噪聲的前後聯繫用自相關係數，求得兩個噪聲間的聯繫用互相關係數，用這個概念可分辨噪聲源。在相關係數的基礎上還可以求得相干係數。這些不僅使人更快地認識噪聲源的性質，還可以完成很多過去不可能進行的測量工作。FFT和相關係數有單獨的或統一的設備。在測量手段方面最新發展是強度測量。

在使用現場，任何噪聲源的周圍都不是空無一物，所發噪聲在牆壁、物體間作多次反射，僅作聲壓測量是不能反映聲能的傳播的。用聲強測量可以直接求得聲源發出的總聲功率及其各部分的發聲情況,還可以測得某一部分或牆壁反射聲音，透過聲音等的具體情況和性質，這都是過去作不到的。以上這些發展方興未艾，雖然還沒有充分發揮作用，但已取得很顯著的實際效果。
在氣流噪聲的研究中弄清了噪聲與壓力、噴口等的關係，從而使降低氣流噪聲成為可能。在撞擊噪聲的研究中，求得加速噪聲、自振噪聲等的特性及其在總噪聲中的地位，從而使降低沖床、壓力機、印刷機、打字機等的噪聲成為可能。在發動機噪聲的研究中，發現噪聲與發動機重量的關係，從而使降低發動機的噪聲成為可能。用傳統方法控制噪聲也有很大發展，取得一定的效果。在建築音質上，也有很大發展，不僅對擴散問題有更深入的理解，而且音質與建築藝術也已逐漸結合起來。
在降低現有噪聲的手段方面，空心加氣混凝土砌塊在國外已廣泛使用，在中國發展的微穿孔板在消聲管道中也已逐漸推廣，在廳堂建築中也開始使用。最近受到注意的是有源降噪的技術。這種技術雖然是50年代的產物，但過去一直未能充分發展。現在由於電子計算技術的日趨成熟，解決一些技術問題已無困難，所以又受到比較廣泛的注意。在英國，一個大型加壓站的噪聲，由於加了一個反聲（大小相近,相位相反的聲音）系統,而降低11dB，改善了周圍環境。不過現在注意較多的還是小系統，在頭盔內使用有源降聲可把噪聲降低15～20dB，而所需費用不高，這方面還正在發展。
控制噪聲污染已受到國際和一些國家的注意。國際標準化組織已接受A分貝為評價噪聲的標準，並規定90dB為保護人體健康和聽力的最高限，這個標準已為世界各國普遍接受。中國已在《工業企業噪聲衛生標準》中正式加以肯定。為了控制城市噪聲，城市噪聲分區辦法已逐漸推行。中國把城市分為六種區，以保證城市居民的安寧。在各種產品的噪聲控制方面，各國除了對一般最高噪聲採取限制措施外並要求生產者在銘牌上標明噪聲指標，以鼓勵生產者在降低產品噪聲工作中的主動性。此外，國家和地方環境保護管理部門的督促檢查，以及環境聲學知識的普及等，也都是對普遍改善聲環境工作的重大措施。
改善聲環境要求加強基礎研究、技術措施和組織管理。在採取措施時，重點應放在聲源上，但在很多情況下聲源改變較為困難甚至不可能，要更多注意到傳輸通道和接受者，此外，還要注意經濟、技術和要求（或標準）問題，有時還要注意建築藝術和設計藝術問題。