信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
?SLW?LP?10lg?K0?LP?20lgr?K0?11(dB)S0
?(1-1)
如仪器放在坚硬的地面上，此时声源以半球面辐射。于是式（1-1）化为 ?式中，K0为非标准气压和温度状态时的修正量；LP按下式求得：
Lp?20lg?LW?LP?10lg2?r?K0?LP?20lgr?K0?8??2?(1-2)
pp0(1-3)
式中，p?(准声压。
??pn2i)1/2，为n个测点平均声压；pi为第i个测点的声压；p0为基
为了满足自由场条件，此时，距离声源为r1和r2两点处的声压级应满足下列关系：
Lp1?Lp2?20lg当
r2r1
(1-4)
rr2?2时，Lp1?Lp2?20lg2?6(dB)，即在自由场中距离加倍，噪声级减少
r1r16dB，据此，可以判断声场是否为自由场。
本文所述的测量系统主要是考虑人耳对噪声的主观评价。因此采用声功率级测量，即外界噪声信号通过传声器转换成音频信号，经过放大和V/ F 变换输入到单片机进行处理，并转换成相应的DB 值通过LED 显示，从而实现噪声的实时监测。
1.2 有关噪声的基础知识
一、 振动与声
振动与声是紧密相连的，不同的声音就是不同的振动方式，声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。声音是以声波的形式进行传递和存在的。声波借助空气向四面八方传播。声波在传播中遇到障碍物时，它的能量一部分会被障碍物吸收，另一部分会被反射回来。若在一个封闭的室内，产生的反射声波会被周围的墙壁、天花板和其它障碍物所吸收和反射，形成一系列逐渐衰减的反射声波。
声波是一种机械波，具有纵波一般的波动特性，例如，反射、折射、绕射、干涉等。机械振动常常引起声波辐射，物体振动时激励着它周围的空气质点振动。由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体周围的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。
声音三要素是：响度、音高、音色。 （一）响度
第 2 页 共46页
信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压或声强来计量，声压的单位为帕(Pa)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。
响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。固然，超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音，即使响度再大，人耳也听不出来。但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。
（二）音高
也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。
人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率20kHz的范围。
音高与频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及波形有关。音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。
（三）音色
音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。
另外，表征声音的其它物理特性还有：音值，又称音长，是由振动持续时间的长短决定的。持续的时间长，音则长；反之则短。从以上主观描述声音的三个主要特征看，人耳的听觉特性并非完全线性。声音传到人的耳内经处理后，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音，并不是所有这些成分都能被感觉。人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能。
根据声音的物理特性还可以分为音质、音长、音强和音高四个要素。 二、 声波方程
声波方程是根据声波动过程的物理性质，应用物理学中三个基本定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、体积和温度等状态参数关系的物态方程，建立的声压随空间位置和时间变化的数学表达式。在理想媒质中，波动方程为：
2?2p2?p?22?0(1-5)
c?t
式中p——声压（N/m2）；
?——拉普拉斯算子。
第 3 页 共46页
信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
由声源辐射的声波在同一时刻相位相同各点的轨迹叫波阵面，也称波前。波阵面为平面的声波称为平面波，即同一时刻振动相位相同的质点在同一无限延伸的平面上。当一个点声源在无反射物的空间中辐射声波时，在距离声源足够远处的声波，可以认为是平面波。平面波是声波中最简单的一种。在实际工作中，为了简化运算，经常将声波作近似处理，距离声源较远的声波都可以近似地按平面波处理。
设X轴是声波传播的方向，在原点X=0处的平面上各点的振动状态为：
???m0cos?t，声速为C，则时间t后，声波向前传播了距离x=ct。在距离x处的振动可写为：
x(1-6)
c
分别对位移x，时间t求二次偏导数得式（1-7），此方程即为平面波沿x轴方
???m0cosw(t?)向传播的波动方程：
2?2?2???c2?t?x2
(1-7)
三、 声压级测量机理
人耳的听阈一般是20uPa(微帕)，痛阈一般是200Pa（帕），其间相差107倍，这样宽广的声压范围很不易测量，而且人耳对声压的相对变化的分辨具有非线性特征。因此，声学中常用声压级LP来反映声压的变化，将声压P的声压级表示成
LP?20lg(P/P0)dB
(1-8)
其中，基准量P0为20uPa。当P= P0时，LP=0dB，而当P=200 Pa时，LP=140dB。 用声级计可以测量声压级，声级计一般由传声器、前置放大器、衰减器、放大器、计权网络、检波器、指示表头和电源等组成，其原理方框图如图1-1所示。
第 4 页 共46页
信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
图1-1 声级计原理方框图
1-传声器，2-前置放大器，3-输入衰减器，4-输入放大器，5-计权网络
6-输出衰减器，7-输出放大器，8-检波器 9-表头
为适应测量现场的需要，声级计一般都备有三脚支架，以便视需要将声级计固定在三脚支架上。
声级计面板上一般还备有一些插孔。这些插孔如果与便携式倍频滤波器相联，可组成小型现场使用的简易频谱分析系统，如果与录音机组合，则可把现场噪声录制在磁带上贮存下来，以便待以后再进行更祥细的研究，如果与示波器组合，则可观察到声压变化的波形，并可用照相机将波形摄制下来，还可以把分析仪、记录仪等仪器与声级计组合、配套使用，这要根据测试条件和测试要求而定。
采用1kHz纯音输入0.2秒到0.25秒或0.5秒以上，即可得到真实声压级或平均声压级。考虑到人耳对不同频率的响度感觉，在噪声测量中，常取40方（phon）等响曲线的反曲线对声压级进行计权校正，即用A计权网络测得A声级，写成dB（A）。表1-1给出倍频带中心频率与A声级的校正量之间的关系。
表1-1 倍频带中心频率与A声级校正量的关系
倍频带中心频率（Hz） A声级校正量（dB） 倍频带中心频率（Hz） A声级校正量（dB） 31.5 －39.4 1k 0 63 -26.2 2k 1.2 125 -16.1 4k 1.0 250 -8.6 8k -1.1 500 -3.2 16k -6.6
四、 噪声简介
（一）噪声概念
物理学定义：噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。
生理学定义：凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音。
从这个意义上来说，噪声的来源很多。街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器声、以及邻居电视机过大的声音，都是噪声。
第 5 页 共46页
信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
总体讲，噪音是物体振动产生。 （二）噪声对人的危害
随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，家庭设施（音响、空调、电视机等）的增多，环境噪声日益严重，它已成为污染人类社会环境的一大公害。噪声具有局部性、暂时性和多发性的特点。噪声不仅会影响听力，而且还对人的心血管系统、神经系统、内分泌系统产生不利影响，所以有人称噪声为“致人死命的慢性毒药”。噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面：
① 干扰休息和睡眠、影响工作效率。 ② 损伤听觉、视觉器官；
③ 对人体的生理影响：损害心血管，对女性生理机能的损害，噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。
（三）防治噪声污染的一些办法 ① 营造隔音林；
② 将噪声污染严重的企业搬离市区； ③ 源头处预防，传播过程消减 。 （四）噪声的利用
噪声一向为人们所厌恶，但是，随着现代科学技术的发展，人们也能利用噪声造福人类。虽然噪音是世界四大公害之一，但它还是有用处的。
①利用噪声除草； ②利用噪声发电； ③利用噪声来制冷； ④利用噪声除尘； ⑤利用噪声克敌； ⑥利用噪声诊病； ⑦利用噪声有源消声。 （五）人对不同声强的感觉 无法忍受：150dB～130dB； 感到疼痛：130dB～110dB； 较静：70dB～50dB； 安静：50dB～30dB； 极静：30dB～10dB； 无声：0dB。
第 6 页 共46页