在保證正常操作的前提下,用最經濟有效的辦法,把受其影響的環境中的雜訊降低到符合允許評價標準的技術(見雜訊對人的影響)。雜訊是工業化的副產物。隨著工農業和國防建設的現代化以及人民生活中機械化程度的提高,雜訊也增加瞭。據美蘇等工業發達國傢70年代的統計,雜訊級約每年以1dB的趨勢在增加著。因此,雜訊已是環境三大公害之一(污水、汙氣和雜訊)。對中國來講,雜訊控制目前已成為能否順利實現四化的重要課題之一。如果在工業化的過程中不註意雜訊控制,其結果必將導致雜訊的污染染增加,對人們的危害加重,最後將直接成為工業發展的障礙。相反,如果在工業發展的過程中重視和合理地控制噪聲,則不僅不會造成危害,而且還能推進工業化的發展。例如,機械系統的噪聲控制,就要求改進精度、提高運轉的穩定性,這就會提高產品的質量和性能,對工業化起到促進作用。

  噪聲控制可以從以下三個環節著手:①噪聲源;②噪聲的傳輸路徑;③噪聲的污染區。其中噪聲源的控制是最直接也是最理想的。

  噪聲源 可分成兩類:①機械聲源;②氣流聲源。機械聲源又可分成穩態振動源和撞擊性聲源。

  穩態振動源 是由機器部件穩態振動的輻射構成的。機器運轉時機件轉動或往復運動的力就激發起這種穩態振動。這種聲源的發聲機制可以用振動活塞的模型來近似。關於穩態振動源輻射的噪聲場,現在已能相當精確(在2~3dB以內)地估算,並發展瞭若幹比較有效的控制技術。

  當振動體的振動速度為v,輻射面積為S,等效活塞的輻射聲阻為Ra時,輻射出的聲功率W

WRaS2v2。 (1)

從此式可以看出,要降低振動體輻射的噪聲,應從降低振動速度v,輻射面積S和輻射聲阻Ra著手。振動速度v正比於機件運動的激勵力,這種激勵力往往由下列原因產生:①運轉時平衡調節不好;②軸承或相互摩擦部分潤滑不足;③齒輪嚙合或傳動系統不良等等。因此要降低穩態振動的機械噪聲,必須提高機器零部件的加工精度,改善潤滑狀態,調節好靜平衡和動平衡。其次,振動表面積S必須盡量減少,必須把振動區域局限在振源附近的小范圍內。最後是聲阻Ra要小。我們從活塞輻射知道,要輻射阻小,也要求輻射體的面積必須足夠小。

  減少振動速度還可以從增加機件的阻尼來達到(見減振)。不過這裡應指出一點:60年代以前研制的阻尼材料,大多是阻尼塗料或貼層,這對運動部件或動力的傳動機件是不合適的。塗料不僅使機件的剛度下降,而且塗層很容易脫落,影響機器正常運轉。60年代開始研制的高阻尼合金(常稱為減振合金)有足夠剛度,可直接作為機器的運動件,這就為研制低振動和低噪聲機器提供瞭重要材料。

  要把振動局限於振源附近,就需要采取隔振措施,低頻隔振可參見隔振。但對高頻隔振,則因振動在機件上以波的形式傳播,隔振要求是機件同隔振的彈性連接件之間的機械特性阻抗必須有明顯的差值,這個差值大約至少要5倍。

  撞擊性機械源 關於撞擊性聲源的發聲機理和發聲規律,目前掌握得不多。有人提出瞭一個很有價值的設想。認為撞擊性聲源發出的聲功率,可以分成兩部分:一部分是撞擊過程本身產生的,這部分的能量隻取決於撞擊頭的體積和撞擊時的速度,即能量相當於與撞擊頭體積相等的空氣柱所具有的動能;另一部分是被撞的機件受擊後振動輻射的噪聲。

  對前一部分噪聲的控制,應從降低撞擊速度和錘頭體積著手。後一部分噪聲,則要從降低機件的振動和輻射著手。

  從理論上可以證明,在相同沖量的沖擊下,板振動的振幅是與沖擊過程接觸時間成反比的。這點在沖床噪聲控制中已經應用,把沖模設計成傾斜形狀,使沖擊的接觸時間拉長,可以降低6~10dB的噪聲。下列措施也有助於降低振幅和撞擊聲:①增大受擊板塊的質量;②增加受擊板件的阻尼;③減少板件的輻射面積。

  噴氣聲源 自從50年代初英國科學傢M.J.萊特希爾發表噴氣噪聲的發聲機制及其近似計算理論後,已引起各國的重視。現在對噴氣噪聲的成因已基本清楚,也找到瞭一些有效的控制措施。簡單地說,噴氣噪聲是由噴口外噴流和大氣的混合區中大量湍流產生的。聲功率W與噴流流速v的8次方成比例,可表述為

, (2)

式中ρρ0分別是噴註和環境大氣的密度(kg/m3);с是環境大氣中的聲速(m/s);D是噴口直徑(m)。K是實驗常數,在亞聲速下約為10-4。噴氣噪聲的頻譜呈拱形,有明顯的峰且具有相當寬的頻率成分。峰值頻率fr(Hz)約為

(3)

式中Sr稱為斯特勞哈爾(Strouhal)數,對各種噴註講其值約為0.2。

  降低噴氣噪聲,目前采用的有如下幾方面:①降低噴註流速;②改變噴口形狀。例如把噴氣機噴口作成梅花瓣形狀,證明噪聲級可降低6~8dB;③從式(3)可以看出,如果保持噴口總面積不變,代之以大量小孔噴註,則可以把頻譜的峰值頻率上推到聲頻以上,這時可聽聲相應就降低瞭。這個原理首先由中國聲學傢提出,並根據這個原理設計瞭小孔噴註消聲器。實驗證明這種消聲器對工業系統中的噴氣噪聲可以降低約30dB。從小孔消聲器獲得的啟示,結合上面①和③兩條控制原理,還研制瞭多種多孔陶瓷消聲器,不僅加工簡便、造價低廉,且能把消聲量大幅度提高到約70dB。

  聲傳輸路徑的控制 從原理方面看,路徑控制可以歸結為三個字:“隔、吸、消”。從采取的具體措施看,有人形象地歸結為:“罩、貼、掛”。

  隔聲原理 噪聲在傳輸路徑上可利用隔聲技術予以隔離。最常用的措施是采用足夠大尺寸的隔墻或封閉的隔聲間。關於建築隔聲可見建築聲學。本條隻介紹隔聲原理。按板振動的特性,從原理上看板的隔聲可分成四個不同的區域,如圖1所示。

  ①Ⅰ區是質量控制區, 這就是建築隔聲的質量定律區。②Ⅱ 區叫共振區,處在質量控制區的頻率以下。在這個區域中,隔板作共振運動,隔聲量在共振頻率變得很低。這效應在建築隔聲中是不重要的,但對輕結構間壁特別是用於隔聲罩的薄板結構有重要影響。共振效應可用增加阻尼予以抑制。③Ⅲ區叫波的吻合效應區(見建築聲學)。④Ⅳ區是低頻的勁度控制區。這個區域以前沒有引起足夠重視,原因是一般建築物中並不關心100Hz以下很低頻率的隔聲,隔聲測量按標準也不測這個頻段。但近來噪聲控制常采用金屬薄板的隔聲間或隔聲罩,勁度控制區的頻率就可能提高,而且低頻隔聲問題也日益提上日程,所以近幾年來隔聲中對勁度的研究開始引起重視。有人對薄板結構在不增加重量的前提下采取提高勁度的辦法(如采用蜂窩或夾心板),可以比質量定律大 5~10dB的隔聲量。對隔聲罩采取加筋的辦法以提高勁度,也能增加隔聲的效果。

  吸聲原理 吸聲是把入射到材料表面上的聲能轉變成熱耗散,以達減噪目的。吸聲及吸聲材料可見建築聲學。這裡隻介紹用於噪聲控制的幾種新型吸聲材料,即:微孔板吸聲結構;多孔水泥復合吸聲磚;無規分佈共振吸聲板。

  ①微孔板吸聲結構是中國首先研制成的,圖2是在混響室內利用雙層微孔板測得的數據(板厚0.5mm,孔徑0.75mm,孔距5.8mm,兩板距離80mm,距離墻壁160mm)。可看到,低、中、高各頻段都有相當高的吸聲系數,特別在100Hz左右有這樣高的系數是常規吸聲材料無法比擬的。②多孔水泥復合吸聲磚是多孔材料同共振器結合的一種復合材料,這種材料是70年代初由美國首先研制出的,這材料不僅高低頻吸聲性能很好,還能作為承重塊使用,可降低建築造價,特別適用於地下工程中的噪聲控制。③無規共振吸聲板是利用單個共振吸聲器在共振頻率有高吸收但頻帶很狹的特點,在一塊板上設計很多這種共振器並讓它們各自的共振頻率無規地分開以得到在較寬頻率范圍內有良好的吸聲性能。

  消聲原理 可以消除通過管道或狹窄空間傳播的噪聲。消聲器分為:阻性消聲器、抗性消聲器、電子消聲器(或稱有源消聲器)。

  ①阻性消聲器是在噪聲通過的管壁或腔壁上加吸聲材料,使聲能在傳播過程中逐漸衰減。②抗性消聲器是利用聲阻抗失配的原理,讓入射聲能向聲源端返回,使消聲器下遊達到安靜的目的。③電子有源消聲器是利用聲波抵消的原理,用電子設備產生一個與噪聲振幅相等、相位相反的聲音來抵消原有的噪聲。

  接收者的控制 如果噪聲已傳到人耳的附近,就要采取護耳器加以保護。護耳器分耳塞和耳罩兩大類。

  耳塞有好多種,但減噪性質大同小異。低頻段主要是由耳塞與耳道的密閉性決定性的。密閉得好,降噪量可達20~25dB;高頻是由耳塞質量控制的,但考慮到佩戴舒適,質量不宜太大,降噪量一般約為30~35dB。

  耳罩的降噪量低頻不及耳塞,因耳罩與耳廓外圍很難完全密閉,一般隻有10~15dB。高頻的降噪量可比耳塞高,約可達40~45dB。

  

參考書目

 馬大猷、沈㠙同編著:《聲學手冊》,科學出版社,北京,1983。

 C.M.Harris, ed., Handbook of Noise Control,2nd ed.,McGraw-Hill, New York,1977.