噪声控制技术和设备的发展现状和展望

        随着噪声污染的日趋严重,噪声控制技术的研究及设备的开发也得到迅速发展,世界发达国家的噪声控制设备的产值平均以10-15%的速度增加,我国在93年噪声振动控制设备产值已达到6.2亿元,“八五”期间用于噪声治理的工程费用达到9.2亿元,上述产值尚不包括配套的噪声振动控制设备,预计我国配套的噪声振动控制设备产值20亿左右。高速运输系统和工具等一些新出现的噪声源和计算机、数字处理、新材料等技术发展使噪声控制技术、设备的研究与开发既面临挑战,又提供了机遇。噪声控制技术和设备已开始进入规范化、标准化、系列化和配套化阶段。噪声控制技术和设备的研究和开发已取得很大进展,但应看到仍有一些技术不够成熟,需进一步研究的问题仍然很多。
 
1、噪声控制工程和设备的评价技术
 
1)噪声控制工程
        评价方法总的可以分类为噪声发射(noiseemission)、噪声照射(noiseimmission)和噪声暴露(noiseexposure).噪声发射主要适用于评价各类噪声源,经常采用的评价量有A计权声功率级(LwA)和某一特定声学环境和距离的声压级(LpA)。声功率级LwA适合于评价固定机械设备,LpA适合评价汽车、火车等运输工具。噪声照射主要适用于环境噪声和工业噪声的控制工程效果和声质量,经常采用的量是A计权等效声级(LpAeq)。噪声暴露主要适合于评价人的噪声总暴露剂量和人的听力保护,经常采用的评价量A计权等效声级(LpAeq)。噪声照射和噪声暴露评价应考虑脉冲声和纯音修正(DLI和DLr),考虑脉冲的纯音修正后的评价量为评价声级(LpAr)。ISO已在近几年建立了这样的噪声评价体系,并贯穿在整个ISO有关噪声标准中(1)。
 
2)消声器
        消声器测量评价方法虽然多年以来就进行很多研究工作,但仅在近几年才形成为标准化和系列化的方法,包括试验室测量方法、现场测量方法和无气流静态测量方法(表1)。试验室测量方法可以准确地测量一定气流速度、温度和压力条件的倍频带或1/3倍频带的插入损失(DIL)、总压力损失(△P)和气流再生噪声(LW),通常具有较好的试验结果再现性。但其缺点是对于某些消声器,很难模拟现场的高温、高压、高速气流和声源阻抗,因而造成和实际应用效果之间的测量误差。无气流静态方法适合小型消声器和消声器模型消声特性的研究开发,测量评价量是倍频程或1/3倍频程插入损失(DIL)和A计权插入损失。现场测量方法由于声源阻抗、气流状态和实际一致,其测量和实际工程效果有较好一致性。各类消声器,包括放空排气消声器、内燃机消声器等,均可找到合适的现场测试条件。但对消声器的空气动力性能、气流再生噪声测量,现场测量方法却往往不能胜任。在上述系列标准的基础上,还有一些专业性消声器试验标准,例如汽车、内燃机、气动工具等消声器试验方法。考虑到这些消声器的特殊要求,例如动力损失,油耗、容积等因素,这些规范都规定了一些具体的实验技术条件。这些实验方法对消声器设计者有更大的指导意义。我国在这个领域的试验方法很不系统,今后应特别加强这方面工作。
        吸声处理是室内噪声控制的一种重要措施。但其声学上的降噪声效果评价方法一直没有统一的测量评价方法。从职工的听力保护和职业卫生角度出发,原则上应采用某一工作位置或区域的噪声照射和噪声暴露来评价。作为标准方法,国际标准ISO11696第一次提出了较为系统的方法。该标准提出,对混响场的房间,采用吸声处理前后的混响时间变化来评价(10lgT1/T2)。对于非扩散声场房间,采用空间声传播(参数DL2和DLf)来评价。DL2为房间声空间衰减率,表征离声源距离增加一倍时,声衰减曲线斜率。DLf为声级超逾量,表示房间空间的声衰减曲线和自由场衰减曲线的平均差值。图1是一个典型非扩散声场(大房间)要空间声传播曲线和相应的DLf和DL2值。
 
4)隔声设备
        隔声设备包括隔声门、隔声窗等各类隔声构件以及隔声间、隔声罩、隔声屏等专用隔声设备。关于隔声构件的测量评价,ISO140.1-10系列标准已形成系列和标准化的方法。关于隔声间、隔声罩和隔声屏的测量方法和评价方法仅是在近几年才日趋完善的。
        对于隔声间和隔声罩这类封闭隔声结构,主要的评价量是插入损失(DIL)。试验评价方法分为实验室法和现场法。实验室法由于采用人工声源,受到声源阻抗、噪声源频谱特性的影响,只能测试倍频程或1/3倍频程插入损失。对于现场测量插入法,由于声源阻抗和
        声源频谱和现场使用条件一致,无论是频带插入损失、A计权插入均较好反映现场使用效果。对于隔声屏障,评价量是插入损失,测量方法可以采用以实际声源为对象的直接法和以模拟声源为对象的间接法。两种方法要注意设立专门规定的参考点,对由声源变化产生的影响进行修正。对声屏障设立前后的测量点周围声环境的变化所产生的影响也要注意进行修正。
        但也应看到,噪声控制设备和工程的评价技术尚有很多问题没有解决,应进一步研究的课题应包括:采用现代声学测量技术(包括声强技术、信号处理技术等)用于测量评价噪声控制工程和设备,并发展成标准的方法,特别是应发展一些噪声控制设备现场测量评价方法,如现场隔声测量方法、现场吸声测量方法;进一步研究噪声控制设备的单一评价指数,目前除隔声构件的单一评价指数比较成熟外、其它噪声控制设备的单一评价指数均不成熟;试验室方法和现场测量方法两种方法的相关性、影响它们的测量不确定度的主要因素(包括声源阻抗的影响、声学环境的影响等)尚研究的不够,影响了这些方法的测量结果的可比性和实际应用;噪声控制工程和噪声控制设备的低频噪声效果评价等。此外,我国在这个领域还应重点加强如下两方面工作:进一步完善和统一有关噪声控制设备测量评价标准,努力等效采用相关国际标准,促进噪声控制产品国际贸易和交流;在环境噪声和工业噪声领域,明确采用噪声暴露、噪声照射、噪声发射的概念,以避免在一些评价工作中的概念混肴。
 
2.噪声控制技术的规范化
        随着噪声控制技术的技术进步和噪声控制工程经验的积累,噪声源的分析和识别技术的发展,声学材料(包括吸声材料、隔声材料、阻尼材料及其复合材料)的标准化、系列化,使更多的用户有可能直接进行噪声控制工程设计。集中专家和工程师的经验,提出一个领域的
        规范化设计文件,指导噪声控制技术和工程的实施,使噪声控制工程更有实效是必要的。近些年来,世界各国和一些国际组织在这方面做了大量工作,取得很大进展。ISO已经把上述领域很多内容列入工作组项目。主要包括:
低噪声机器设计导则(5);
低噪声工作场所设计导则(1);
消声器设计及在噪声控制中的应用;
隔声罩设计及在噪声控制中的应用;
隔声屏障设计规范;
建筑施工噪声控制导则;
建筑内吸声体的评价、参数等。
        通常,这些文件包括:测量方法和评价、效果预测和计算、设计方法和应用实例等。非噪声专业工程技术人员可以利用这些规范进行一般性噪声控制工作。由于这些文件是在噪声控制理论的基础上很多有益经验的总结,噪声控制工作者应充分利用。我国在这方面所作的工作和一些发达国家差距较大(如美国、德国、英国等)。应该看到,近些年我国在环境噪声和工业噪声控制工程治理方面积累了大量符合我国国情的经验,这些噪声控制工程经验更适合我国的噪声源在特性、声源工况和受影响环境状况,因而也更有实用价值。在这个基础上制定我国相关噪声控制导则规范是可能和必要的。目前我国急需组织制定的规范是:交通噪声控制设计规范、建筑施工噪声控制规范。
3.噪声控制技术的计算机辅助工具
        计算机技术和数字处理技术的发展给噪声控制技术的发展带来重大的促进作用,声强技术和有源控制技术在近些年来所取得的新进展,应该说主要是依靠计算机技术和数字处理技术做支撑(2)、(3)。声强的现场和便携声强仪器已应用在现场,并在声功率测量和声源识别中得到广泛应用。近些年,声强技术在噪声控制设备的测量和评价中也取得较大进展,如隔声结构的传递损失、声学材料的吸声特性、消声器的传递损失等。很多复杂的噪声和振动问题通过数值计算方法得以解决,例如用于低频范围的EMA、FEM、BEM等方法,用于高频范围的SEA方法。另一重要的领域是噪声控制技术的计算机辅助工具。以计算机软件为核心的这些计算机辅助工具包括:噪声源的分析和识别、特定声学环境下噪声评价量的模拟测量、开阔空间和封闭空间的声场预测、有限元和边界元的计算、噪声控制设备的计算机辅助设计、空气声和固体声声发射预测、声场-结构系统的偶合响应计算等(4)。一些有影响的软件系统有SYSNOISE、SOUNDPLAN等。在实际噪声控制领域中,取得实际应用效果的有:
 
室内吸声处理降噪效果预测和声场分布预测;
道路、铁路、航空噪声的预测;
汽车、火车、飞机客舱内部声级的预测和优化设计;
内燃机、燃油泵、传动装置的声发射预测和优化设计;
汽车排气消声器及排气系统声衰减计算和计算机辅助设计;
气流噪声发射声功率预测;
板振动的声辐射预测;
家用电器噪声发射预测等。
应该看到,这些计算机软件预测结果的准确性决定于计算模型的正确性,一些实际参数的选择也有很大随机性,但它毕竟可以节省大量计算工作和试验工作。
 
4.声学材料
      随着材料工业发展,越来越多的各类声学材料出现在市场。在建材行业,已有一批较先进和已形成规模化生产能力的企业,特别是纤维性吸声材料及护面材料、轻质隔声材料和隔声结构等。噪声控制工程师可以更有余地选用标准化、系列化的声学材料,包括吸声材料、隔声材料、阻尼材料及其复合材料。下列声学材料的发展趋势应予以注意。
      (1)“环保”型和“安全”型声学材料:大量的环境和人居场所的污染和化学、物理危害因素调查工作表明,人们应注意使用“环保”型和“安全”型声学材料,包括无毒无害、阻燃防火等,一些用户甚至要件使用“天然”和功能性的声学材料。特别是居住场所、人员集中工作场所、有特殊要求的场所对“环保”型和“安全”型声学材料要求呼声更高。世界各国在“环保”型和“安全”型声学材料领域的研究工作非常活跃。微穿孔板吸声结构和消声器在国内外地成功应用是一个典型的实例。
      (2)复合型声学材料:汽车、火车、飞机等交通运输工具、各类工程机械、家用电器设备的噪声发射已列入重要产品质量评价指标,由于考虑重量和空间的限制,大量不同类型复合声学材料被采用。已成功应用在这些噪声源控制中的复合声学材料有阻尼-吸声复合材料、阻尼-吸声-隔声复合材料等。
      (3)多功能声学材料:在一些情况下,希望声学材料毕多种功能于一体,除吸声、隔声、阻尼等声学能外,还具有其他功能,如电磁屏蔽、射线屏蔽、防火阻燃以及其它防护功能。这类多功能声学材料在特种车辆、建筑施工等设备和场所得到应用,并受到欢迎。
 
5.噪声控制设备
      在噪声控制设备领域,取得最大进展的应属有源噪声和振动控制。虽然,第一个有源控制的专利出现在本世纪30年代,但一直到70年代随着控制系统理论和数字信号处理技术(DSP)的发展,这项技术才具有实际应用可能性。和大量的实验室研究工作相比,目前实际噪声控制工程应用工作偏少。随着传感器的改进,DSP元件成本的下降,人们对有源噪声和振动控制的优点和限制的更多了解,它的实际应用范围会逐步扩大。有源控制技术应用研究工作集中的领域是管道噪声有源控制技术、隔声罩中的有源控制技术、汽车内部噪声和排气噪声有源控制、变压器噪声有源控制、结构振动声辐射的有源控制等。
      近些年,我国通用噪声控制设备和产业已经有了较大的发展,已形成一批系列化和标准化的通用噪声控制设备,噪声控制设备的品种、型号和性能有了一定的改进和提高,设备的工装工艺水平也有了一定的进步。特别是在如下领域比较突出:
      汽车消声器等部分配套噪声控制产品已经形成自动化和集成化生产能力,产品的性能已基本达到国际同类产品水平,一些产品已取得国际认证。一些产品已经实现规模化生产,全国的产值以经达到十多亿元。
      近些年来,我国公路、铁路声屏障已建成10多条,包括不同形式、不同材料和不同结构的声屏障。在声屏障的设计、制造、安装等方面积累了一定的经验。我国即将颁发有关声屏障的设计规范,指导声屏障的设计和和安装。
      我国已经颁发了一些有关噪声控制设备的测量方法和评价的标准十多项,虽然还不尽完善。国家环保部门已初步建立了有关噪声控制设备的质量检测机构。少量噪声控制设备已有了技术条件和质量保证体系。一些噪声控制设备生产企业已取得ISO9000,ISO14000的认证。有些噪声控制设备还得到国际市场的认可。
但也应看到,我国噪声控制设备及其产业和国际先进水平仍有较大差距。主要的差距表现在如下几个方面:
同一水平或低水平重复产品太多,材料、结构和工艺的技术进步不大,技术含量高的产品少;
工艺装备落后,缺少专用生产设备,不具备规模化生产能力;
缺少噪声控制设备的质量检测仪器和设备。


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