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噪聲控制技術和設備的發展現狀和展望

        隨著噪聲污染的日趨嚴重,噪聲控制技術的研究及設備的開發也得到迅速發展,世界發達國家的噪聲控制設備的產值平均以10-15%的速度增加,我國在93年噪聲振動控制設備產值已達到6.2億元,“八五”期間用于噪聲治理的工程費用達到9.2億元,上述產值尚不包括配套的噪聲振動控制設備,預計我國配套的噪聲振動控制設備產值20億左右。高速運輸系統和工具等一些新出現的噪聲源和計算機、數字處理、新材料等技術發展使噪聲控制技術、設備的研究與開發既面臨挑戰,又提供了機遇。噪聲控制技術和設備已開始進入規范化、標準化、系列化和配套化階段。噪聲控制技術和設備的研究和開發已取得很大進展,但應看到仍有一些技術不夠成熟,需進一步研究的問題仍然很多。
 
1、噪聲控制工程和設備的評價技術
 
1)噪聲控制工程
        評價方法總的可以分類為噪聲發射(noiseemission)、噪聲照射(noiseimmission)和噪聲暴露(noiseexposure).噪聲發射主要適用于評價各類噪聲源,經常采用的評價量有A計權聲功率級(LwA)和某一特定聲學環境和距離的聲壓級(LpA)。聲功率級LwA適合于評價固定機械設備,LpA適合評價汽車、火車等運輸工具。噪聲照射主要適用于環境噪聲和工業噪聲的控制工程效果和聲質量,經常采用的量是A計權等效聲級(LpAeq)。噪聲暴露主要適合于評價人的噪聲總暴露劑量和人的聽力保護,經常采用的評價量A計權等效聲級(LpAeq)。噪聲照射和噪聲暴露評價應考慮脈沖聲和純音修正(DLI和DLr),考慮脈沖的純音修正后的評價量為評價聲級(LpAr)。ISO已在近幾年建立了這樣的噪聲評價體系,并貫穿在整個ISO有關噪聲標準中(1)。
 
2)消聲器
        消聲器測量評價方法雖然多年以來就進行很多研究工作,但僅在近幾年才形成為標準化和系列化的方法,包括試驗室測量方法、現場測量方法和無氣流靜態測量方法(表1)。試驗室測量方法可以準確地測量一定氣流速度、溫度和壓力條件的倍頻帶或1/3倍頻帶的插入損失(DIL)、總壓力損失(△P)和氣流再生噪聲(LW),通常具有較好的試驗結果再現性。但其缺點是對于某些消聲器,很難模擬現場的高溫、高壓、高速氣流和聲源阻抗,因而造成和實際應用效果之間的測量誤差。無氣流靜態方法適合小型消聲器和消聲器模型消聲特性的研究開發,測量評價量是倍頻程或1/3倍頻程插入損失(DIL)和A計權插入損失。現場測量方法由于聲源阻抗、氣流狀態和實際一致,其測量和實際工程效果有較好一致性。各類消聲器,包括放空排氣消聲器、內燃機消聲器等,均可找到合適的現場測試條件。但對消聲器的空氣動力性能、氣流再生噪聲測量,現場測量方法卻往往不能勝任。在上述系列標準的基礎上,還有一些專業性消聲器試驗標準,例如汽車、內燃機、氣動工具等消聲器試驗方法。考慮到這些消聲器的特殊要求,例如動力損失,油耗、容積等因素,這些規范都規定了一些具體的實驗技術條件。這些實驗方法對消聲器設計者有更大的指導意義。我國在這個領域的試驗方法很不系統,今后應特別加強這方面工作。
        吸聲處理是室內噪聲控制的一種重要措施。但其聲學上的降噪聲效果評價方法一直沒有統一的測量評價方法。從職工的聽力保護和職業衛生角度出發,原則上應采用某一工作位置或區域的噪聲照射和噪聲暴露來評價。作為標準方法,國際標準ISO11696第一次提出了較為系統的方法。該標準提出,對混響場的房間,采用吸聲處理前后的混響時間變化來評價(10lgT1/T2)。對于非擴散聲場房間,采用空間聲傳播(參數DL2和DLf)來評價。DL2為房間聲空間衰減率,表征離聲源距離增加一倍時,聲衰減曲線斜率。DLf為聲級超逾量,表示房間空間的聲衰減曲線和自由場衰減曲線的平均差值。圖1是一個典型非擴散聲場(大房間)要空間聲傳播曲線和相應的DLf和DL2值。
 
4)隔聲設備
        隔聲設備包括隔聲門、隔聲窗等各類隔聲構件以及隔聲間、隔聲罩、隔聲屏等專用隔聲設備。關于隔聲構件的測量評價,ISO140.1-10系列標準已形成系列和標準化的方法。關于隔聲間、隔聲罩和隔聲屏的測量方法和評價方法僅是在近幾年才日趨完善的。
        對于隔聲間和隔聲罩這類封閉隔聲結構,主要的評價量是插入損失(DIL)。試驗評價方法分為實驗室法和現場法。實驗室法由于采用人工聲源,受到聲源阻抗、噪聲源頻譜特性的影響,只能測試倍頻程或1/3倍頻程插入損失。對于現場測量插入法,由于聲源阻抗和
        聲源頻譜和現場使用條件一致,無論是頻帶插入損失、A計權插入均較好反映現場使用效果。對于隔聲屏障,評價量是插入損失,測量方法可以采用以實際聲源為對象的直接法和以模擬聲源為對象的間接法。兩種方法要注意設立專門規定的參考點,對由聲源變化產生的影響進行修正。對聲屏障設立前后的測量點周圍聲環境的變化所產生的影響也要注意進行修正。
        但也應看到,噪聲控制設備和工程的評價技術尚有很多問題沒有解決,應進一步研究的課題應包括:采用現代聲學測量技術(包括聲強技術、信號處理技術等)用于測量評價噪聲控制工程和設備,并發展成標準的方法,特別是應發展一些噪聲控制設備現場測量評價方法,如現場隔聲測量方法、現場吸聲測量方法;進一步研究噪聲控制設備的單一評價指數,目前除隔聲構件的單一評價指數比較成熟外、其它噪聲控制設備的單一評價指數均不成熟;試驗室方法和現場測量方法兩種方法的相關性、影響它們的測量不確定度的主要因素(包括聲源阻抗的影響、聲學環境的影響等)尚研究的不夠,影響了這些方法的測量結果的可比性和實際應用;噪聲控制工程和噪聲控制設備的低頻噪聲效果評價等。此外,我國在這個領域還應重點加強如下兩方面工作:進一步完善和統一有關噪聲控制設備測量評價標準,努力等效采用相關國際標準,促進噪聲控制產品國際貿易和交流;在環境噪聲和工業噪聲領域,明確采用噪聲暴露、噪聲照射、噪聲發射的概念,以避免在一些評價工作中的概念混肴。
 
2.噪聲控制技術的規范化
        隨著噪聲控制技術的技術進步和噪聲控制工程經驗的積累,噪聲源的分析和識別技術的發展,聲學材料(包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料及其復合材料)的標準化、系列化,使更多的用戶有可能直接進行噪聲控制工程設計。集中專家和工程師的經驗,提出一個領域的
        規范化設計文件,指導噪聲控制技術和工程的實施,使噪聲控制工程更有實效是必要的。近些年來,世界各國和一些國際組織在這方面做了大量工作,取得很大進展。ISO已經把上述領域很多內容列入工作組項目。主要包括:
低噪聲機器設計導則(5);
低噪聲工作場所設計導則(1);
消聲器設計及在噪聲控制中的應用;
隔聲罩設計及在噪聲控制中的應用;
隔聲屏障設計規范;
建筑施工噪聲控制導則;
建筑內吸聲體的評價、參數等。
        通常,這些文件包括:測量方法和評價、效果預測和計算、設計方法和應用實例等。非噪聲專業工程技術人員可以利用這些規范進行一般性噪聲控制工作。由于這些文件是在噪聲控制理論的基礎上很多有益經驗的總結,噪聲控制工作者應充分利用。我國在這方面所作的工作和一些發達國家差距較大(如美國、德國、英國等)。應該看到,近些年我國在環境噪聲和工業噪聲控制工程治理方面積累了大量符合我國國情的經驗,這些噪聲控制工程經驗更適合我國的噪聲源在特性、聲源工況和受影響環境狀況,因而也更有實用價值。在這個基礎上制定我國相關噪聲控制導則規范是可能和必要的。目前我國急需組織制定的規范是:交通噪聲控制設計規范、建筑施工噪聲控制規范。
3.噪聲控制技術的計算機輔助工具
        計算機技術和數字處理技術的發展給噪聲控制技術的發展帶來重大的促進作用,聲強技術和有源控制技術在近些年來所取得的新進展,應該說主要是依靠計算機技術和數字處理技術做支撐(2)、(3)。聲強的現場和便攜聲強儀器已應用在現場,并在聲功率測量和聲源識別中得到廣泛應用。近些年,聲強技術在噪聲控制設備的測量和評價中也取得較大進展,如隔聲結構的傳遞損失、聲學材料的吸聲特性、消聲器的傳遞損失等。很多復雜的噪聲和振動問題通過數值計算方法得以解決,例如用于低頻范圍的EMA、FEM、BEM等方法,用于高頻范圍的SEA方法。另一重要的領域是噪聲控制技術的計算機輔助工具。以計算機軟件為核心的這些計算機輔助工具包括:噪聲源的分析和識別、特定聲學環境下噪聲評價量的模擬測量、開闊空間和封閉空間的聲場預測、有限元和邊界元的計算、噪聲控制設備的計算機輔助設計、空氣聲和固體聲聲發射預測、聲場-結構系統的偶合響應計算等(4)。一些有影響的軟件系統有SYSNOISE、SOUNDPLAN等。在實際噪聲控制領域中,取得實際應用效果的有:
 
室內吸聲處理降噪效果預測和聲場分布預測;
道路、鐵路、航空噪聲的預測;
汽車、火車、飛機客艙內部聲級的預測和優化設計;
內燃機、燃油泵、傳動裝置的聲發射預測和優化設計;
汽車排氣消聲器及排氣系統聲衰減計算和計算機輔助設計;
氣流噪聲發射聲功率預測;
板振動的聲輻射預測;
家用電器噪聲發射預測等。
應該看到,這些計算機軟件預測結果的準確性決定于計算模型的正確性,一些實際參數的選擇也有很大隨機性,但它畢竟可以節省大量計算工作和試驗工作。
 
4.聲學材料
      隨著材料工業發展,越來越多的各類聲學材料出現在市場。在建材行業,已有一批較先進和已形成規模化生產能力的企業,特別是纖維性吸聲材料及護面材料、輕質隔聲材料和隔聲結構等。噪聲控制工程師可以更有余地選用標準化、系列化的聲學材料,包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料及其復合材料。下列聲學材料的發展趨勢應予以注意。
      (1)“環保”型和“安全”型聲學材料:大量的環境和人居場所的污染和化學、物理危害因素調查工作表明,人們應注意使用“環保”型和“安全”型聲學材料,包括無毒無害、阻燃防火等,一些用戶甚至要件使用“天然”和功能性的聲學材料。特別是居住場所、人員集中工作場所、有特殊要求的場所對“環保”型和“安全”型聲學材料要求呼聲更高。世界各國在“環保”型和“安全”型聲學材料領域的研究工作非常活躍。微穿孔板吸聲結構和消聲器在國內外地成功應用是一個典型的實例。
      (2)復合型聲學材料:汽車、火車、飛機等交通運輸工具、各類工程機械、家用電器設備的噪聲發射已列入重要產品質量評價指標,由于考慮重量和空間的限制,大量不同類型復合聲學材料被采用。已成功應用在這些噪聲源控制中的復合聲學材料有阻尼-吸聲復合材料、阻尼-吸聲-隔聲復合材料等。
      (3)多功能聲學材料:在一些情況下,希望聲學材料畢多種功能于一體,除吸聲、隔聲、阻尼等聲學能外,還具有其他功能,如電磁屏蔽、射線屏蔽、防火阻燃以及其它防護功能。這類多功能聲學材料在特種車輛、建筑施工等設備和場所得到應用,并受到歡迎。
 
5.噪聲控制設備
      在噪聲控制設備領域,取得最大進展的應屬有源噪聲和振動控制。雖然,第一個有源控制的專利出現在本世紀30年代,但一直到70年代隨著控制系統理論和數字信號處理技術(DSP)的發展,這項技術才具有實際應用可能性。和大量的實驗室研究工作相比,目前實際噪聲控制工程應用工作偏少。隨著傳感器的改進,DSP元件成本的下降,人們對有源噪聲和振動控制的優點和限制的更多了解,它的實際應用范圍會逐步擴大。有源控制技術應用研究工作集中的領域是管道噪聲有源控制技術、隔聲罩中的有源控制技術、汽車內部噪聲和排氣噪聲有源控制、變壓器噪聲有源控制、結構振動聲輻射的有源控制等。
      近些年,我國通用噪聲控制設備和產業已經有了較大的發展,已形成一批系列化和標準化的通用噪聲控制設備,噪聲控制設備的品種、型號和性能有了一定的改進和提高,設備的工裝工藝水平也有了一定的進步。特別是在如下領域比較突出:
      汽車消聲器等部分配套噪聲控制產品已經形成自動化和集成化生產能力,產品的性能已基本達到國際同類產品水平,一些產品已取得國際認證。一些產品已經實現規模化生產,全國的產值以經達到十多億元。
      近些年來,我國公路、鐵路聲屏障已建成10多條,包括不同形式、不同材料和不同結構的聲屏障。在聲屏障的設計、制造、安裝等方面積累了一定的經驗。我國即將頒發有關聲屏障的設計規范,指導聲屏障的設計和和安裝。
      我國已經頒發了一些有關噪聲控制設備的測量方法和評價的標準十多項,雖然還不盡完善。國家環保部門已初步建立了有關噪聲控制設備的質量檢測機構。少量噪聲控制設備已有了技術條件和質量保證體系。一些噪聲控制設備生產企業已取得ISO9000,ISO14000的認證。有些噪聲控制設備還得到國際市場的認可。
但也應看到,我國噪聲控制設備及其產業和國際先進水平仍有較大差距。主要的差距表現在如下幾個方面:
同一水平或低水平重復產品太多,材料、結構和工藝的技術進步不大,技術含量高的產品少;
工藝裝備落后,缺少專用生產設備,不具備規模化生產能力;
缺少噪聲控制設備的質量檢測儀器和設備。


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