第四节 噪声控制基本途径
对于环境噪声的控制，行政管理措施和合理的规划虽然都是非常重要的，但控制技术是切不可忽视的基本手段。
一、噪声控制技术
所有的噪声问题基本上都可以分为声源、传播路程、接收者三部分。因此，一般噪声控制问题都是分为三部分来考虑，首先是降低声源本身的噪声；如果技术上办不到，或者技术上可行而经济上不合算，则考虑从传播的路程中来降低噪声；如果这种考虑达不到要求或不合算，则可考虑接收者的个人防护。
降低声源本身的噪声是治本的方法，比如用液压代替冲压，用斜齿轮代替直齿轮，用焊接代替铆接，在国外还在研究低噪声的发动机等等。但是，从目前的科学技术水平来说，要想使得一切机器设备都是低噪声的，还是不可能的。这就需要在传播的途径和个人防护上来考虑。常用的办法就是吸声、隔声、消声、隔振、阻尼、耳塞、耳罩等。
1．吸声
吸声主要是利用吸声材料或吸声结构来吸收声能。这主要用在室内空间，如厂房、会议室、办公室、剧场等等。因为在室内，壁面会使声源发出的声音来回反射，结果使得噪声比同一声源在空旷的露天里（自由空间）要高。如果使用吸声材料，就会吸收反射声，使室内的噪声下降。吸收材料或结构可分为下列四种：
1）多孔吸声材料 这是应用最普遍的吸声材料，主要有棉、毛、麻等纤维和玻璃棉、矿碴棉、泡沫塑料等材料。这些材料的孔隙互相连通，具有通气性能。这是多孔材料的最基本特性。当声波入射到多孔材料中时，引起空隙中的空气振动，并与孔壁产生摩擦（由于粘滞性），如果使声能转变为热能，而使声能衰减。多孔材料吸声特性与材料中的空气流阻、孔隙率、结构因子、材料厚度、声波的频率和入射条件、材料背后的条件（是否有空气层等）都有关系。在实际使用中，通常都用材料的厚度、容重、纤维粗细等来控制吸声特性。
2）薄板（薄膜）吸声结构 不穿孔的薄板（或膜），后面留有一定的空腔，则构成薄板吸声结构。这些薄板（膜）材料与其背后封闭的空气层形成共振系统，因此，对共振频率附近的声能吸收最佳。当声波作用于板上时，能引起板的弯曲振动，因此，它能吸收一定的入射声能，使其转变为热能。一般这种吸声结构是很好的低频吸声结构。
3）空腔共振吸声结构 最简单的空腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器，它是一个空腔通过一个开口与外部空间相连而构成，它的吸声机理是：当孔颈的直径和空腔的大小比声波波长小得多的情况下，孔颈中的空气可看成一块不可压缩，具有质量的空气柱，空腔中的空气柱，在外来声压力作用下（无显著压缩）而成为运动着的整体，类似力学中受力作用的物体的惯性质量。这里称为声质量，它取决于空气柱的空气质量（与空气柱大小，空气密度ρ有关）。
空腔内的气体富有弹性，外声压力作用时具有反抗作用，类似力学中的弹簧，形成一个质量弹簧系统，当外界声波的频率与它的固有频率相同时，就会发生共振，孔颈的空气柱就会激烈振动，结果由于摩擦损失而使声能吸收变为热能。
一般的穿孔板吸声结构可以看成是许多单个的亥姆霍兹共振器并列布置组成的，但由于它的吸收频带很窄，也就是声阻太小，因此，通常总是在其后面的空气层内加多孔性吸收材料，使其变为宽频带的吸声结构。
4）微穿孔板吸声结构 这是一种新型吸声结构，也是一种共振吸声结构。因为它穿孔的孔径很小（在毫米级以下），因此，具有足够的声阻，而不必在后面的空腔内填充多孔吸声材料，就能够保证有足够的吸收频带。微穿孔板吸声结构的吸声系数和频率可以根据穿孔的孔径、穿孔率和后腔的尺寸来计算。由于微穿孔板可用金属板材制成，它能够用于有火焰、有水汽或有腐蚀气体的条件下，这是一般吸声材料所不能比拟的。
上述几种吸声材料（结构）的吸声特性见图9- 7（图中的纵座标是吸声系数）。
由于吸声材料只是降低反射的噪声，在噪声控制中，它的效果是有限的。对于具有很高反射表面的房间（如只有0.02吸收系数的光滑的混凝土墙面），当天花板用吸声系数为0.7的吸声材料处理时，噪声将能够降低8分贝；当天花板和一面墙被处理时，能够降低11分贝，当所有的表面都处理时，大约能降低15分贝（这是最大的可能）。然而由于一般房间的吸声系数都大于0.02，所以达不到这么显著的效果。
2．隔声
采取隔声的办法来降低空气中传播的噪声，是控制噪声最有效措施之一。所谓隔声，就是用屏蔽物将声音挡住，隔离开来，如墙壁、门窗，可以把室外的噪声挡住，不让它传到室内来。但由于声波是弹性波，作用在屏蔽物上，会激发起屏蔽物的振动，会向室内辐射声波，使声音从一边传到另一边。所以，总会有一定的声波通过屏蔽物透射到另一边。为了比较屏蔽物隔声的本领，引出了传声损失TL（transmission loss）的概念。所谓传声损失，是入射波的声能与透射波的声能之比的对数值，用公式表示：
τ越小，表示透射的声能愈少，传声损失就愈大，隔声本领就愈好。传声损失与声音的频率有关，通常是高频大，低频小。一般都用125、250、500、1000、2000、4000六个倍频程的TL来表示构件的隔声性能。
隔声本领同隔声构件的质量有关，质量愈大，传声损失就愈大，这就是质量定律。在实际工作中通常利用经验公式来计算：
TL=18 log10m+12 log10f-25（分贝）
式中：m为质量；
f为频率。
假如做成双层或多层结构，可以大大改善墙和门窗的隔声效果。
隔声罩在机器噪声控制中是常常采用的措施。一般隔声罩由隔声材料、阻尼材料和吸声材料构成。隔声材料多用钢板。钢板罩上要涂上阻尼材料，以防钢罩共振；罩内要加吸声材料，做成吸声层，以降低罩内的混响，提高隔声效果。
3．消声
所谓消声，是利用消声器来降低空气声的传播。通常用在气流噪声控制方面的有风机噪声、通风管道噪声、排气噪声等。广泛采用的传统的消声器有阻性消声器、抗性消声器、抗阻复合式消声器。近年来，小孔消声器和多孔扩散消声器在排气噪声的控制中逐渐得到广泛应用。
1）阻性消声器 在管壁内贴上吸声衬里，就是阻性消声器，它是利用吸声材料的吸声特性，使声波在管中传播时被逐渐吸收，它的效果犹如电路中的电阻要消耗一部分电能一样，它要消耗一部分声能，所以称为阻性消声器（图9-8）。阻性消声器的消声量可按下式计算：
式中：K（α）为消声系数；
D为有效通道截面周长（米）；
L为消声器长度（米）；
S为有效通道截面积（米2）。
消声系数K（α）与吸声系数α的关系见表9-10。
实际上，消声系数K（α）不仅与吸声系数有关，还与吸声材料的声阻抗率、频率，以及通道截
面尺寸有关，当通道截面尺寸大于波长时，声波以窄声束形式沿通道传播，以致使消声量急剧下降。一般要求需要消声的频率对应的波长要大于消声器的直径。为了这一目的，当排气口较大时，往往把消声器内部结构做成片式的、或蜂窝状的。消声器的消声量只决定于单个通道的特性。
2）抗性消声器 抗性消声器实际上是用声波的反射或干涉来达到消声的目的，原理有如电路中的电感电容电路，故称为抗性消声器。它可分为膨胀型、干涉型和共振型的消声器。其原理如图 9- 9所示。
对于膨胀型消声器的传声损失可用下式估计：
式中：M为膨胀腔直径（D2）与排气管口直径（D1）之比；
L为膨胀腔长度。
对同一频率的噪声，消声量由M决定。 而最大消声量与频率的关系为：
设此时λ对应的频率为f，则当声波频率为f、3f、5f…时也有最大的消声量。当声波频率为2f、4f、6f…时则消声量为0。 膨胀腔式消声
干涉型消声器是根据声波由于干涉而减弱的原理作成的。一般是在管道上装设一个旁通管，使一部分声能岔入该管。如岔管长度为L1，主管长度为L2，应有下列关系式：
当L1-L2=（2n+1）λ／2时衰减最大。
抗性消声器一般消声频带很窄，适于低频的消声，而阻性消声器对中、高频效果较好，为了弥补两者的缺点，通常都做成阻抗复合式消声器。
上面讲的消声器都是无源消声器，它们能使已经产生的噪声降低。
3）小孔和多孔扩散消声器 小孔和多孔扩散消声器是一种有源消声器，它的原理是气流通过这种消声器排出后，本身产生的噪声就很小（图9-10）。具体来说，小孔消声器是把原来的大排气口变为许多毫米级的小孔来排气，每个小孔的排气噪声的频率都很高，大部分声音能在超声频范围变成人不能听到的声音，这样，人能听到的声音便大大降低了，从而达到减噪作用。一般小孔消声器可以有20分贝的减噪效果。多孔扩散消声器的机理可以分成两部分：一是每个微孔产生的可听声能量很小的小气流；一是无数小孔喷出的气流所混合成的大气流。经过多孔扩散后，混合气流的速度比原喷口出来的气流速度减少了。根据气流噪声与气流速度的8次方成正比的关系可知，气流速度降低了，噪声要大大降低。所以，气流通过多孔扩散器得到充分的扩散，降低噪声50—60分贝是可能的。
小孔和多孔扩散消声器的优点是结构简单，体积和重量都大大减小。
4．阻尼与隔振
当噪声是由于机械振动引起的，降低机械振动是降低噪声的一种重要手段。阻尼材料通常都是具有高粘滞性的高分子材料做成，它具有较高的损耗因子。将阻尼材料涂在金属板材上，当板材弯曲振动时，阻尼材料也随之弯曲振动。由于阻尼材料有很高的损耗因子，因此，在做剪切运动时，内摩擦损耗就大，使一部分振动能量变为热能而消耗掉，从而抑制了板材的振动，使辐射的噪声减小。隔振通常是防止机器与其他结构的刚性连接，通过弹簧等弹性连接，降低振动的传递。隔振要求机械系统的固有频率要远离隔振系统的固有频率（一般设计都是隔振系统的固有频率远远低于机械系统的固有频率），以免发生共振。对于大型的机械设备，现在都有专门设计制造的减振器，不仅安装方便，而且效果也好。
目前，在减振方面，一种新型的约束阻尼层结构已广泛应用，它的阻尼性能比一般的阻尼材料优越，可以使振动幅度降低20分贝。
5．隔声障板
障板隔声是当前环境噪声控制中广泛采用的一种措施。它的原理如图9-11所示。声与光一样，当声波遇到障板时会发生反射，并在障板后面形成声影区，可达到降低噪声的目的。障板隔声的效果同声源和接收点，障板的远近和障板高度有关，我们可以根据它们的距离和声音的频率先算出菲涅耳数N，然后从图9- 12上的曲线上查出衰减量（分贝）：
式中：A为声源与障板顶端的距离；
B为接收点与障板顶端的距离；
d为声源与接收点间的距离；
λ为波长。
障板声衰减有一个限度，最多不超过25分贝。
6．个人防护
在许多场合下，采取个人防护还是最有效、最经济的办法。个人防护用品有耳塞、耳罩、耳棉等。耳塞的平均隔声一般可达20分贝以上，性能良好的耳罩可达30分贝。不同的护耳器能够提供的听力保护见表9-11。
除了上述方法外，绿化也有一定的效果。
二、城市环境规划
合理的城市规划，对于未来的城市环境噪声控制具有战略意义，城市规划应从以下几方面来考虑：
1．合理的土地利用和区域划分
要根据不同使用目的的建筑物的噪声标准，来安排建筑的场所和位置，从而确定哪些地方适于建学校，哪些地方适于建医院，哪些地方适于住宅，哪些地方适于工厂……。为此，在进行建筑施工以前，首先应该进行噪声环境的预测，看是否能符合该建筑的环境噪声标准。在兴建噪声较大的工矿企业时，还应该进行相应的预断评价，估计它们对周围环境的影响。根据瑞士的研究结果，土地利用规划可根据表（9-12）的数据来考虑。这些数据给出了基本噪声级的范围。
在区域规划中，应该考虑不同功能区的划分，如工业区、居民区、商业区等，尽量使居民区不与吵闹的工业区和商业区混杂，如果必须混杂，则应考虑噪声控制措施。如日本东京，将工厂集中到机场附近，使高噪声的单位集中到一个地区，而将需要安静条件的单位相对集中到另一地区。
2．建筑布局
建筑布局也要考虑使噪声的影响最小，如利用地形或地物做隔声屏障，使噪声得到降低，图9-13是在建筑布局上如何考虑噪声影响最小的实例。
表9-13给出的室内噪声允许标准是根据英国的研究推荐的，它对土地利用和区域规划具有参考价值。
3．交通噪声的预测和干线的布局考虑
交通噪声是城市噪声的重要来源，因此，在城市规划中，对噪声进行预测，考虑交通干线的合理布局是很重要的。交通噪声与车流量、车辆种类、马路宽窄、两旁建筑形态、路面条件、车辆速
度等都有关系。要根据城市人口、车辆增长的情况，根据噪声的标准和交通噪声的诸因素，来考虑交通干线的布局、马路的宽窄、辅助车线的配置、立交的兴建等，以保证城市噪声能得到控制。
4．建立卫星城
当前世界上许多国家开始以建立卫星城的办法来解决城市噪声问题。因为城市噪声日趋严重的一个重要原因是城市人口过度集中，从而带来工商业的相对集中，噪声日趋严重。卫星城的建立可以相应解决这个矛盾。