噪声评价中的常见的11个基本概念

来源：摘编自杭州爱华仪器有限公司张绍栋、熊文波编辑的《噪声和振动测量技术》讲义。

一、响度级和响度

声压和声强都是客观物理量，声压越高，声音越强；声压越低，声音越弱，但是它们不能完全反映人耳对声音的感觉特性。

人耳对声音的感觉，不仅和声压有关，也和频率有关。一般对高频声音感觉灵敏，对低频声音感觉迟钝，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量效应，又考虑到声音对人耳听觉的生理效应，把声音的强度和频率用一个量统一起来，人们仿照声压级引出了一个响度级的概念。

使用等响实验方法，可以得到一族不同频率、不同声压级的等响度曲线。实验时用1000Hz的某一强度（例如40dB）的声音为基准，用人耳试听的办法与其它频率（例如100Hz）声音进行比较，调节此声音的声压级，使它与1000Hz声音听起来响度相同，记下此频率的声压级（例如50dB）。再用其它频率试验并记下它们与1000Hz声音响度相等的声压级，将这些数据画在坐标上，就得到一条与1000Hz、40dB声压级等响的曲线。

这条曲线用1000Hz时的声压级数值来表示它们的响度级值，单位为方，这里就是40方。同样以1000Hz其它声压级的声音为基准，进行不同频率的响度比较，可以得出其它的等响度曲线。经过大量试验得到的并由国际标准化组织（ISO）推荐为标准的等响度曲线示于图1。



图 1 等响度曲线

从等响度曲线可以看出：

当响度级比较低时，低频段等响度曲线弯曲较大，也就是不同频率的响度级（方值）与声压级（dB值）相关很大，例如同样40方响度级，对1000Hz声音来说声压级是40dB，对100Hz声音是50dB，对40Hz声音是70dB，对20Hz声音是90dB。

当响度级高于100方时，等响度曲线变得比较平坦，也就是声音的响度级主要决定于声压级，与频率关系不大。

人耳对高频声音，特别是3000~4000Hz的声音最敏感，而对低频声音则频率越低越不敏感。

响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。例如一个80方的声音比另一个50方的声音究竟响几倍？为此人们引出了响度的概念。1947年国际标准化组织采用了一个新的主观评价量——宋，并以40方为1宋。响度级每增加10方，响度增加一倍，如50方为2宋，60方为4宋等。其表示式为：

或  

式中：S是响度（宋），LN 是响度级（方）。

用响度表示声音的大小可以直接计算出声音响度增加或降低的百分数。如果声源经过隔声处理后响度级降低了10方，相当于响度降低了50%；响度级降低20方，相当于响度降低了75%等等。

上述两个等式只适用于纯音和窄带噪声，对于一般的宽带噪声则要采用响度指数的计算方法，或者利用史蒂文斯响度指数表来查找倍频带或1/3倍频带声压级对应的响度指数。

二、声级和A声级

声压级只反应声音强度对人响度感觉的影响，不能反映声音频率对响度感觉的影响。响度级和响度解决了这个问题，但是用它们来反映人们对声音的主观感觉过于复杂，于是又提出了计权声压级的概念。计权声压级就是用一定频率计权网络测量得到的声压级，计权声压级简称声级。

在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权电网络，使接收的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。当然我们不可能做无穷多个电网络来模拟无穷多根等响度曲线，一般设置A，B和C三种计权网络，其中A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其低、中频段（1000Hz以下）有较大的衰减。B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的低频段有一定衰减。而C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。

A、B、C计权的频率响应曲线（计权曲线）已由国际电工委员会（IEC）定为标准，并示于图2。



图2 频率计权相对响应曲线

IEC61672-1：2002规定了A、C及Z（不计权）频率计权相对响应及允许误差见表1（包括最大测量扩展不确定度）。

表1 频率计权和允差（包括最大测量扩展不确定度）



利用具有一定频率计权网络和时间计权的声学测量仪器对声音进行声压级测量，所得到的读数称计权声压，简称声级，单位为dB。使用什么计权网络应在测量值后面注明，如70dB(C)或C声级70dB。如果没有注明，通常就是指A声级。

某时间t的A计权和时间计权声级LAτ(t)用下式表示：



式中：τ为时间计权F或S的指数时间常数；ξ为从过去的某时刻，例如积分下限-∞，到观测时刻t的时间积分的变量；pA(ξ)为A计权瞬时声压；p0为基准声压。

在上式中，取对数运算的函数式的分子是在观察时间t上对频率计权声压取指数时间计权的方均根值。上式的表达过程可用图3的示意图说明。



图3 形成指数时间计权声级的主要步骤

在实际测量时到底用哪一种计权网络呢？以前曾有规定，声级小于70dB时用A网络测量，声级大于70dB但小于90dB时用B网络测量，声级大于90dB时用C网络测量。近年来研究表明，不论噪声强度多少，利用A声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响。因此，现在基本上都用A声级来作为噪声评价的基本量，而且如果不另作说明，都是指的A声级。C声级只作为可听声范围的总声压级的读数来使用，B声级基本上不用了。有时只是为了判断噪声的频率特性，才附带测量C声级。因为如果A、C两种声级基本相同，该噪声特性是高频特性；如果C声级小于A声级，该噪声为中频特性；如果C声级大于A声级，则该噪声为低频特性。表2列了几种常见声源的A声级。

表2 几种常见声源的A声级 （测点距离声源1-1.5m）



在有些声学测量仪器中还具有D计权网络。它主要用于航空噪声的测量。用D计权网络测得的D声级再加上7dB，就直接得到飞机噪声的感觉噪声级。D网络频率响应特性亦示于图2中，它的响应特性对应于倒置的40呐等噪度曲线（见图5）。目前，D计权也已不使用，有关的标准也已不再规定它们的特性。

三、时间平均声级或等效连续声级Leq

A声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉，对于一个连续的稳定噪声，它是一种较好的评价方法。但是对于起伏的或不连续的噪声，很难确定A声级的大小。例如我们测量交通噪声，当有汽车通过时噪声可能是75dB，但当没有汽车通过时可能只有50dB，这时就很难说交通噪声是75dB还是50dB。又如一个人在噪声环境下工作，间歇接触噪声与一直接触噪声对人的影响也不一样，因为人所接触的噪声能量不一样。为此提出了用噪声能量平均的方法来评价噪声对人的影响，这就是时间平均声级或等效连续声级，用Leq表示。这里仍用A计权，故亦称等效连续A声级LAeq。

等效连续A声级定义为：在声场中某一定位置上，用某一段时间能量平均的方法，将间歇出现的变化的A声级以一个A声级来表示该段时间内的噪声大小，并称这个A声级为此时间段的等效连续A声级，即：



式中：pA(t)是瞬时A计权声压；p0是参考声压（2×10Pa⁻⁵）；LA是变化A声级的瞬时值，单位dB；T是某段时间的总量。

实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量，假如采样时间间隔相等，则：



式中：N是测量的声级总个数，LAi是采样到的第i个A声级。对于连续的稳定噪声，等效连续声级就等于测得的A声级。

四、昼夜等效声级

通常噪声在晚上比白天更显得吵，尤其对睡眠的干扰是如此。评价结果表明，晚上噪声的干扰通常比白天高10dB。为了把不同时间噪声对人的干扰不同的因素考虑进去，在计算一天24h的等效声级时，要对夜间的噪声加上10dB的计权，这样得到的等效声级为昼夜等效声级，以符号Ldn表示：



式中：Ld为白天的等效声级；Ln为夜间的等效声级。

白天与夜间的时间定义可依地区的不同而异。16为白天小时数（6:00~22:00），8为夜间小时数（22:00~第二天6:00）。

五、声暴露级LAE

对于单次或离散噪声事件，如锅炉超压放气，飞机的一次起飞或降落过程，一辆汽车驶过等等，可用“声暴露级”LAE来表示这一噪声事件的大小：



式中PA(t)为声压、P0为参考声压级，（t2-t1）为该噪声事件对声能有显著贡献的足够长的时间间隔。t0为参考时间，一般不注明时取t0为1秒。



图4 单次噪声事件

如一单次噪声事件的时间过程如图4所示，则在确定（t2-t1）的时间间隔时，可取最高声级以下降低10dB以内的总能量计算，就不会引起不可忽略的误差了。如果用积分式声级计进行声暴露级的自动测量，就可按此原则进行设计。声暴露级本身是单次噪声事件的评价量，此外，知道了单次噪声事件的声暴露级，也可从它计算T时段内的等效声级。如果在T时段内有n个单次噪声事件，其声暴露级分别为LAEi，则T时段内的等效声级为：



六、噪声暴露量（噪声剂量）

一个人在一定的噪声环境下工作，也就是暴露在噪声环境下时，噪声对人的影响不仅与噪声的强度有关，而且与噪声暴露的时间有关。为此，提出了噪声暴露量，并用E表示，单位是Pa² •h（帕²•小时）。

噪声暴露量E定义为噪声的A计权声压值平方的时间积分，即：



式中：T是测量时间（h），pA(t)是瞬时A计权声压。假如pA(t)在试验期保持恒定不变，则：



1Pa² •h相当于84.95≈85dB声级暴露了8h，我国《工业企业噪声卫生标准》（试行草案）中，规定工人每天工作8h，噪声声级不得超过85dB，相应的噪声暴露量为1Pa²h。如果工人每天工作4h，允许噪声声级增加3dB，噪声暴露量仍保持不变。

某一时间内的等效连续声级（Leq ）与噪声暴露量（E）之间的关系为：



有的国家将噪声暴露量用噪声剂量来表示，并以规定的允许噪声暴露量作为100%，例如以1Pa² •h作为100%，则0.5Pa² •h噪声剂量为50%，2Pa²•h为200%等等。

七、累计百分声级（统计声级）LN

由于环境噪声，如街道、住宅区的噪声，往往呈现不规则且大幅度变动的情况，因此需要用统计的方法，用不同的噪声级出现的概率或累积概率来表示。定义为：累计百分声级LN表示某一A声级，且大于此声级的出现概率为N%。如L5=70dB表示整个测量期间噪声超过70dB的概率占5%。L10，L95 的意义依此类推。

L5相当于峰值平均噪声级，L50相当于平均噪声级，又称中央值，L95相当于背景噪声级（或叫本底噪声级）。如果测量是按一定时间间隔（例如每5s一次）读取指示值，那么L10表示有10%的数据比它高，L50表示有50%的数据比它高，L90表示有90%的数据比它高。

如果噪声级的统计特性符合正态分布，那么：



式中：d=L10-L90 。如果噪声级的统计特性符合对称正态分布，则L10-L50与L50-L90应该相同。如不对称则差值不同，差值越大说明分布越不集中。

八、交通噪声指数

通常，起伏的噪声比稳态的噪声对人的干扰更大，交通噪声指数就是考虑到了噪声起伏的影响，加以计权而得到的，通常记为TNI。因为噪声级的测量是用A计权网络，所以它的单位为dB(A)，其数学表达式为：



d反映了交通噪声起伏的程度，d越大，表示噪声起伏越大，则TNI也越大，也就是说，对人的干扰越大。噪声干扰亦同噪声的本底有关，L90越高，即本底越大，对人的干扰也越大。

九、标准偏差和噪声污染级

标准偏差SD（或σ）也可表示噪声起伏大小：



式中：LA为整个采样时间内所有A声级的算术平均值，LAi为第i个瞬时A声级，N为总的采样次数。

噪声污染级NPL也是用以评价噪声对人影响的一种方法，它是用噪声能量平均值和标准偏差来表示的：



在正态分布条件下，噪声污染级可用累积百分声级来表示：



十、噪声评价数NR

噪声评价数NR是国际标准化组织1961年推荐的方法，它由图5的一簇噪声评价数曲线（即NR曲线）所组成，并推荐了作为听力损伤、会话干扰、烦恼的噪声评价数N。近年来各国规定的噪声标准，都是以A声级（或等效连续A声级）作为评价标准，参考NR曲线。对于大多数噪声（航空噪声例外），NR=LA -5。如保护听力标准为85dB，即相当于N-80，由N-80曲线即可知各倍频带声压级的允许标准。求噪声评价数的方法是把各倍频带声压级画在图上，超过这些值的最低曲线的NR值即所求的值。对听力保护和语言可懂度，只用500，1000，2000Hz三个倍频带。



图5 噪声评价曲线

十一、感觉噪声级（PNdB）和噪度（呐）

随着航空事业的发展，飞机噪声对人的危害日趋严重，为了评价航空噪声的影响，人们提出用感觉噪声级LPN和噪度来进行评价。感觉噪声级的单位是PNdB，噪度的单位是呐，它们与响度级及响度相对应，但它们是以复合声音作为基础的，而响度级和响度则是以纯音或窄带声为基础的。图6画出了等噪度曲线及噪度和感觉噪声级的换算图表，噪度为1呐的声音同一个40dB、中心频率为1000Hz的倍频带（或1/3倍频带）的无规噪声听起来有相等的吵闹感觉。



图6 等噪度曲线和感觉噪声级的换算

感觉噪声级可通过以下方法进行测量和计算：首先测出某航空噪声的倍频带或1/3倍频带声压级，在图6等噪度曲线上查得各频带的噪度（呐），再根据下式算出总噪度NT：



式中：Nm是各噪度中最大的一个；∑项是所有频带噪度之和；F是系数，对于倍频程为0.30，对于1/3倍频程为0.15。然后由图6或按下式，将总噪度化为感觉噪声级：



对于具有用于航空噪声测量用的D计权网络的声级计，可以直接在测得的D计权声级上加7dB，就得到感觉噪声级PNdB。例如某飞机的D计权噪声级LP=140dB，则其感觉噪声级LPN为147（PNdB），这就大大简化了测量和计算。