《物理性污染控制》作业

  • 2020-03-14 18:34
  • 2020-08-02 20:13

第1次作业

1. 什么是环境物理性污染? 物理性污染与化学性污染、生物性污染有何区别?

定义

物理性污染指物理运动的强度超过了人的耐受线度,物理因素的原因产生的物理方面的环境污染。包括噪声污染、振动、电磁辐射、放射性污染、热污染、光污染等。

区别

  • 物理性污染没有形状、没有实体,是“无形污染”;而化学性、生物性污染可以找到特定的污染物。
  • 物理性污染具有局部性,一般不会迁移扩散;而化学性、生物性污染可以迁移扩散到污染源的周边地区。
  • 物理性污染在环境中不会残留,污染源停止运转后,污染立即消失;而化学性、生物性污染可能持续很长时间。
2. 怎样理解环境物理性污染是无形污染?

物理性污染主要是由物理因素产生的环境污染,如噪声污染、振动、电磁辐射、放射性污染、热污染、光污染等,而这些污染源并没有一定的实体存在,并非像化学性、生物性污染一样可以找到特定的污染物质并消除。

此外,物理性污染不会残留,污染源停止后即可消除污染。

3. 什么是噪声?噪声对人的健康有什么危害?

定义

环境噪声,是指在工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的干扰周围生活环境的声音。环境噪声污染,是指所产生的环境噪声超过国家规定的环境噪声排放标准,并干扰他人正常生活、工作和学习的现象。(《中华人民共和国环境噪声污染防治法》2018年修订版)

从心理学的角度来看,凡是人们不需要的声音统称为噪声。

危害

  • 对听力造成损伤。这是噪声对人体最直接的危害。长期在强烈噪声中工作,内耳器官会发生病变,造成噪声性耳聋。
  • 对睡眠产生干扰。噪声影响睡眠质量,强烈的噪声甚至会使人心烦意乱,无法入睡。突发性噪声会使睡眠中的人惊醒。
  • 对交谈和通讯联络产生干扰。噪声会干扰人们的谈话、开会、打电话、学习和工作。如果噪声高达90 dB,即使大喊大叫对方也很难听清楚。
  • 对生理健康产生影响。噪声作用于大脑中枢神经系统,会影响到全身各个器官,给硝化、神经、免疫以及其他系统带来危害。
  • 对仪器设备和建筑结构产生危害。当噪声超过135 dB时会使电子仪器产生错动而发生故障,超过150 dB时仪器的元件可能失效或损坏。噪声超过140 dB时,建筑物会遭受损伤。
  • 对工作效率产生影响。噪声会使人注意力分散,容易出现差错,工作效率下降。
4. 真空中能否传播声波? 为什么?

不能。

声音来源于振动,声波是一种纵波,其传播需要一定的传播介质。声源的振动引起弹性媒介(包括气体、液体、固体)的振动,从而产生声波。而在真空中没有声音传播的介质,因此真空无法传播声波。

5. 可听声的频率范围为20 Hz ~ 20 kHz, 试求出500、5000与10 000 Hz声波波长?

由波速、波长和频率的关系可知:

\[c = \lambda f\]

空气中的声速取340 m/s,则当\(f = \pu{500 Hz}\)时,\(\lambda = \cfrac {c} {f} = \pu{0.68 m}\)。同理求出\(f = \pu{5000 Hz}\)时\(\lambda = \pu{6.8 cm}\),\(f = \pu{10000 Hz}\)时\(\lambda = \pu{3.4 cm}\)。

6. 声压增大为原来的两倍时,对应的声压级与声强级提高多少分贝?

声压级的表达式为:

\[L_p = 20 \lg \cfrac {p} {p_0}\]

则当\(p\)增大为原来的2倍时,声压级增加\(20 \lg 2 = \pu{6 dB}\)。

根据声压与声强的关系:

\[I = \cfrac {p^2} {\rho c}\]

当\(p\)增大为原来的2倍时,声强变为原来的4倍,声强级的表达式为:

\[L_i = 10 \lg \cfrac{I}{I_0}\]

则声强级增加\(10 \lg 4 = \pu{6 dB}\)。

7. 某噪声的上下限频率分别为88与44 Hz, 试求带宽、频程倍数n与中心频率。

带宽:\(\Delta f = (88 - 44)\pu{Hz} = \pu{44 Hz}\)。

频程倍数:\(n = \log_2 \cfrac {f_2} {f_1} = \log_2 (88 / 44) = 1\)。

中心频率:\(f_0 = \sqrt{f_1 f_2} = \sqrt {88 \times 44}\pu{Hz} = \pu{62 Hz}\)。

第2次作业

1. 已知某声源均匀辐射球面波,在距声源4米处测得有效声压为2 Pa, 空气密度为1.2 kg/m3。请计算测点处的声强、质点振动速度有效值和声功率。

解答

由题意已知,\(r = \pu{4 m}\)时\(p = \pu{2 Pa}\)。

则声强为:

\[I = \cfrac {p^2} {\rho c} = \cfrac{2^2}{1.2 \times 340}~\pu{W/m2} = \pu{9.8E-3 W/m2}\]

声功率为:

\[W = 4\pi r^2 I = 4 \pi \times 4^2 \times \pu{9.8E-3 W} = \pu{2.0 W}\]

质点振动速度有效值为:

\[v_0 = \cfrac {p_0} {\rho c} = \cfrac {2} {1.2 \times 340}~\pu{m/s} = \pu{4.9E-3 m/s}\]
2. 在半自由声场空间中离点声源2米处测得声压级的平均值为88 dB,1. 求其声功率级与声功率;2. 求距离声源5米处的声压级。

解答

(1) 由题意已知,\(r = \pu{2 m}\)时\(L_p = \pu{88 dB}\)。

由\(L_p = 20\lg \cfrac {p} {p_0}\)得:

\[p = p_0 \cdot 10^{L_p / 20} = 2\times10^{-5} \times 10^{4.4}~\pu{Pa} = \pu{0.50 Pa}\]

则声功率为:

\[W = 2\pi r^2 I = \cfrac {2 \pi r^2 p^2} {\rho c} = \cfrac {2 \pi \times 2^2 \times (0.50)^2} {1.2 \times 340}~\pu{W} = \pu{0.016 W}\]

声功率级为:

\[L_w = 10 \lg \cfrac {W} {W_0} = 10 \lg \cfrac {0.016} {10^{-12}} = \pu{102 dB}\]

(2) 由(1)中数据得:

\[p_5 = \sqrt{ \cfrac {W \rho c} {2 \pi r^2} } = \sqrt{ \cfrac {0.016 \times 1.2 \times 340} {2 \pi \times 5^2} }~\pu{Pa} = \pu{0.20 Pa}\]

则声压级为:

\[L_{p5} = 20 \lg \cfrac {p_5} {p_0} = 20 \lg \cfrac {0.20} {2\times10^{-5}} = \pu{80 dB}\]
3. 某测点的背景噪声为65 dB,周围有三台机器,单独工作时,在测点处测得的噪声级分别为70, 76和78 dB,请问这三台机器同时工作时,在测点的中声压级。

解答

由题意已知,背景噪声声压级\(L_{p0} = \pu{65 dB}\),三台机器工作声压级分别为\(L_{p1} = \pu{70 dB}\),\(L_{p2} = \pu{76 dB}\),\(L_{p3} = \pu{78 dB}\)。

则3台机器产生的声压级为:

\[L_{p1a} = 10\lg \left(10^{L_{p1}/10} - 10^{L_{p0}/10}\right) = 10\lg \left(10^7 - 10^{6.5}\right)~\pu{dB} = \pu{68.3 dB}\] \[L_{p2a} = 10\lg \left(10^{L_{p2}/10} - 10^{L_{p0}/10}\right) = 10\lg \left(10^{7.6} - 10^{6.5}\right)~\pu{dB} = \pu{75.6 dB}\] \[L_{p3a} = 10\lg \left(10^{L_{p3}/10} - 10^{L_{p0}/10}\right) = 10\lg \left(10^{7.8} - 10^{6.5}\right)~\pu{dB} = \pu{77.8 dB}\]

故三台机器同时工作声压级为:

\[L_p = 10\lg \left(10^{L_{p1}/10} + 10^{L_{p2}/10} + 10^{L_{p3}/10} + 10^{L_{p0}/10}\right) = 10\lg \left(10^{6.83} + 10^{7.56} + 10^{7.78} + 10^{6.5}\right)~\pu{dB} = \pu{80 dB}\]
4. 某点附近有2台机器,当机器都未工作时,该点的声压级为50 dB,若同时工作时,该点的声压级为60 dB;当其中1台工作时,则该点的声压级为55 dB,请问另1台机器单独工作时,该点的声压级为多少?

解答

由题意已知,背景噪声声压级\(L_{p0} = \pu{50 dB}\),第1台机器工作声压级\(L_{p1} = \pu{55 dB}\),两台机器总工作声压级\(L_p = \pu{60 dB}\)。

则第2台机器产生的声压级为:

\[L_{p2a} = 10\lg \left(10^{L_p/10} - 10^{L_{p2}/10}\right) = 10\lg \left(10^6 - 10^{5.5}\right)~\pu{dB} = \pu{58.3 dB}\]

第2台机器单独工作时该点的声压级为:

\[L_{p2} = 10\lg \left(10^{L_{p20}/10} + 10^{L_{p0}/10}\right) = 10\lg \left(10^{5.83} + 10^{5}\right)~\pu{dB} = \pu{59 dB}\]
5. 在某测点处测得一台噪声源的总声压级为100 dB,不同倍频带声压级如下,请问中心频率为1000Hz时,声压级为多少?
中心频率/Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
声压级/dB 87 90 91 80 ? 85 84 95

解答

由题意得:

\[L_{p,1000} = 10 \lg \left( 10^{L_p / 10} - (\sum 10^{L_{p,i} / 10}) \right) = \pu{95 dB}\]

第3次作业

1. 甲在82 dB (A)的噪声下工作8小时,乙在78 dB(A)的噪声下工作2小时,在84 dB(A)的噪声下工作4个小时,在86 dB(A)下工作2小时。问谁受到的危害大。

解答:分别计算甲乙的等效连续A声级\(L_{\rm eq}\)。易知\(L_{\rm eq\text{甲}} = \pu{82 dB(A)}\)。由公式得:

\[\begin{align} L_{\rm eq\text{乙}} & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {\sum_i t_i} \sum_{i = 1} 10 ^ {0.1 L_{A_i}} t_i \right] \\ & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {8} \left( 10^{7.8} \times 2 + 10^{8.4} \times 4 + 10^{8.6}\times 2 \right) \right] \\ & = \pu{83.8 dB(A)} > \pu{82 dB(A)} \end{align}\]

故乙受到的危害大。

2. 某工人一天工作8小时,在91 dB(A)下工作1小时,90 dB(A)下工作3小时,86 dB(A)下工作2小时,其余时间在78 dB(A)下工作。计算工作时间等效连续A声级。

解答:由公式得:

\[\begin{align} L_{\rm eq} & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {\sum_i t_i} \sum_{i = 1} 10 ^ {0.1 L_{A_i}} t_i \right] \\ & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {8} \left( 10^{9.1} \times 1 + 10^{9} \times 3 + 10^{8.6} \times 2 + 10^{7.8}\times 2 \right) \right] \\ & = \pu{88.1 dB(A)} \end{align}\]

即工作时间等效连续A声级为88.1 dB(A)。

3. 对某区域进行24小时监测,测得A声级如下表所示,计算该渠道昼夜等效声级。
昼夜白天夜间
时间/h3625224
A声级/dB(A)50545170504540

解答:先对夜间噪声进行增加10 dB加权处理,再代入公式:

\[\begin{align} L_{\rm eq} & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {\sum_i t_i} \sum_{i = 1} 10 ^ {0.1 L_{A_i}} t_i \right] \\ & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {24} \left( 10^{5} \times 3 + 10^{5.4} \times 6 + 10^{5.1} \times 2 + 10^{7}\times 5 + 10^{5 + 1} \times 2 + 10^{4.5 + 1} \times 2 + 10^{4 + 1} \times 4 \right) \right] \\ & = \pu{63.6 dB(A)} \end{align}\]

即昼夜等效声级为63.6 dB(A)。

4. 在铁路旁某处测得:当货车经过时,在2.5分钟内的平均声压级为72 dB(A),客车通过1.5分钟内的平均声压级为68 dB(A),无车通过时环境噪声约为60 dB(A);该处白天12个小时内有65列火车通过,其中货车45列,客车20列,计算该地点白天12个小时的等效连续声级。

解答:计算得货车通过总时间为112.5 min = 1.875 h,客车通过总时间为30 min = 0.5 h,无车通过总时间为9.625 h。

代入公式:

\[\begin{align} L_{\rm eq} & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {\sum_i t_i} \sum_{i = 1} 10 ^ {0.1 L_{A_i}} t_i \right] \\ & = 10 \lg \left[ \cfrac {1} {12} \left( 10^{7.2} \times 1.875 + 10^{6.8} \times 0.5 + 10^{6} \times 9.625 \right) \right] \\ & = \pu{65.5 dB(A)} \end{align}\]

即该点白天12小时等效连续声级为65.5 dB(A)。

第4次作业

1. 有一房间大小为4 m × 5 m × 3 m,500 Hz时地面吸声系数为0.02,墙面吸声系数为0.05,平顶吸声系数为0.25,求总吸声量与平均吸声系数。

解答:由题意计算地面/平顶面积为4 × 5 m2 = 20 m2,墙面面积为(4 + 5) × 3 × 2 m2 = 54 m2

故总吸声量为:

\[20 \times 0.02 + 20 \times 0.25 + 54 \times 0.05~\pu{m2} = \pu{8.1 m2}\]

平均吸声系数为:

\[\cfrac {8.1}{20 + 20 + 54} = 0.086\]
2. 穿孔板厚4 mm,孔径8 mm,穿孔按正方形排列,孔距20 mm,穿孔板厚留10 cm厚的空气层,试求穿孔率和共振频率。

解答:由题意计算穿孔率:

\[P = \cfrac S A = \cfrac {\pi \times (8 / 2)^2}{20^2} \times 100\% = 12.6\%\]

共振频率为:

\[f_0 = \cfrac {c} {2\pi} \sqrt {\cfrac {P} {D(t + \delta)}} = \cfrac {340} {2\pi} \sqrt {\cfrac {12.6\%} {0.1(0.004 + 0.008\pi / 4)}}~\pu{Hz} = \pu{599 Hz}\]
3. 某房间大小为6 m × 7 m × 3 m,墙壁、天花板和地板在1 kHz的吸声系数分别为0.06、0.08及0.08,若在天花板上安装一种1 kHz的吸声系数为0.8的吸声贴面天花板,求该频带在吸声处理前、后的混响时间与处理后的吸声降噪量。

解答:由题意计算计算地板/天花板面积为6 × 7 m2 = 42 m2,墙壁面积为(6 + 7) × 3 × 2 m2 = 78 m2

则处理前的平均吸声系数为:

\[\cfrac {42 \times 0.08 + 42 \times 0.08 + 78 \times 0.06}{42 \times 2 + 78} = 0.070\]

混响时间为:

\[T_{60} = \cfrac {0.161V} {-S \ln (1 - \bar \alpha)} = \cfrac {0.161 \times 6 \times 7 \times 3} {-(42 \times 2 + 78) \ln (1 - 0.070)}~\pu{s} = \pu{1.72 s}\]

处理后的平均吸声系数为:

\[\cfrac {42 \times 0.08 + 42 \times 0.8 + 78 \times 0.06}{42 \times 2 + 78} = 0.26\]

混响时间为:

\[T_{60} = \cfrac {0.161V} {-S \ln (1 - \bar \alpha)} = \cfrac {0.161 \times 6 \times 7 \times 3} {-(42 \times 2 + 78) \ln (1 - 0.26)}~\pu{s} = \pu{0.42 s}\]

处理后的吸声降噪量为:

\[\Delta L_p = 10 \lg \cfrac {\bar{\alpha_2}(1 - \bar{\alpha_1})} {\bar{\alpha_1}(1 - \bar{\alpha_2})} = \pu{6.6 dB}\]
4. 某一隔声墙面积为16 m2,其中门、窗所占的面积为2和4 m2,若墙体、门、窗的隔声量分别为50、20、15 dB,求该隔声墙的平均隔声量。

解答:先计算墙体、门、窗的透射系数分别为:10-5、10-2、10-1.5,则平均透射系数为:

\[\cfrac {10 \times 10^{-5} + 2 \times 10^{-2} + 4 \times 10^{-1.5}} {10 + 2 + 4} = 9.16 \times 10^{-3}\]

平均隔声量为:

\[-10 \lg (9.16 \times 10^{-3})~\pu{dB} = \pu{20.4 dB}\]
5. 为隔离强噪声源,某车间用一道隔声墙将车间分成两部分,墙上装一3 mm厚的普通玻璃窗,面积占墙体的1/4,设墙体的隔声量为45 dB,玻璃窗的隔声量为20 dB,求该组合墙的隔声量。

解答:先计算墙体、窗的透射系数分别为:10-4.5、10-2,则平均透射系数为:

\[\cfrac {0.75 \times 10^{-4.5} + 0.25 \times 10^{-2}} {1} = 2.5 \times 10^{-3}\]

平均隔声量为:

\[-10 \lg (2.5 \times 10^{-3})~\pu{dB} = \pu{26.0 dB}\]
6. 要求某隔声罩在2000 Hz处具有38 dB的插入损失,罩壳材料在该频带的透射系数为2 × 10-4,求隔声罩内壁所需要的平均吸声系数。

解答:由题意得:

\[IL = R + 10 \lg \bar a\]

其中:

\[R = 10 \lg \cfrac {1} {\tau} = 37.0\]

故:

\[\bar a = 10^{(IL - R) / 10} = 10 ^ {(38 - 37) /10} = 1.26\]