声音的标尺(评价量)之二:计权网络,NR和NC那点事

“NVH的烦恼”随着阿(A)童(TO)木(M)的到来消散在五月的花海里。让六月的童趣引领我们走进声学专家的知识殿堂。听声知悦,听的是什么声才能悦耳呢?有哪些评价量能够用来评价声音呢?让我们随着这一部声学演义的卷章慢慢道来。

前情回顾:我们之前聊过的技术分享-听觉等响曲线!小编将它称为“声学演义-Something About Sound”系列。今天让我们一起来看看这个系列的第二篇吧。



A、C、Z计权声级



标准等响曲线刻画了我们听觉系统随频率和强度变化的非线性特征,为了更好地反应噪声测量结果与人耳听觉反映的一致性,人们在40phon等响曲线的基础上提出了A计权修正曲线,并将由此确定的声级定义为A计权声级(用dB(A)表示),A计权声级被广泛应用于噪声的量度和评价中。虽然历史上还曾经出现过B计权和D计权,但在IEC61672:2013中只定义了现在常用的三种计权A、C、Z计权。C计权以100phon的等响曲线为基础,反应的是在较高声级时人耳对低频噪声敏感性的提升。Z计权是Zero计权的简写,实际上是平直的不经过任何计权的意思。

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(图1 等响曲线及A计权曲线)


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( 图2   A、C和Z计权的修正量曲线 )

表1 A计权的1/3倍频程修正值数值表


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A计权修正值可以通过以下的公式进行计算:

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或者:


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虽然A计权声级至今仍被广泛使用,但A计权声级的局限性也是显而易见的。其实,我们从等响曲线的变化中也可以看出,A计权曲线是根据1933年Fletcher和Munson获得的等响曲线制定的,与现行的等响曲线有较大的差异。另一方面,众多研究表明A计权声级在评价低频噪声成分时与人的主观感觉出现了较大偏差。


从A计权和C计权的计权曲线的对比中可以看出,当噪声低频成分比较丰富时,则C计权声级LC的值要大于A计权声级LA的值;而当噪声的频谱成分以中高频为主时,C计权声级LC的值与A计权声级LA的值就很接近。因此,C计权声级LC和A计权声级LA之差(即LC-LA)也往往被用来判断噪声的频谱特征。国际上有很大一部分学者将两者差值LC-LA>15dB作为将噪声定义为低频噪声的判断准则,并认为在LC-LA>15dB时用A计权声级评价噪声是不合适的。由此世界各国的学者提出了各种修正的评价参量,但没有一个参量能获得象A计权声级这样的广泛认可。因此,采用A计权声级有种“聊胜于无”的感觉。

既然没有一个更好的评价量出现,而低频噪声的评价又是那么重要,于是一些国家的噪声法规中提出了对低频噪声的频谱限值要求,作为对A计权声级的补充。我国的GB 22337-2008等标准中也对低频噪声提出了特别限定要求。


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( 图3   欧洲一些国家提出的低频噪声限值)


NR和NC曲线


对室内噪声更加细致的控制参量一般采用NR或NC曲线,在欧美对产品的噪声要求以及室内噪声设计要求中被广泛使用。NR曲线的英文全称叫Noise Rating Curve(噪声评价曲线),是ISO根据Kosten和van OS1)的研究结果提出的噪声评价曲线。


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(图4   NR评价曲线)

NR曲线评价的一种方法就是将所测得的噪声频谱与NR曲线的标准频谱对比,取与其相切的最大曲线值,并向上圆整到整数值,即为所测得噪声频谱的NR数。例如,测得如下表2的噪声倍频程频谱值,将这些频谱值画在NR曲线图中(如图5),由此可以确定该噪声与NR曲线最大相切点是2kHz处,对应圆整后的整数曲线值为58dB,所以我们说该噪声满足NR58的要求。


表2 某噪声的倍频程频谱

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(图5   图线法进行NR曲线评价)


由于NR曲线是由欧洲人提出的,因此NR曲线在欧洲国家被广泛使用。而在美国却主要采用Beranek提出的NC曲线2-4)。NC曲线的英文全称叫Noise Criterion Curve(噪声评价数曲线)。对比NR和NC曲线可以发现, NR曲线的低频到31.5Hz,而NC曲线低频端仅到63Hz。著名声学家Bies和Hansen5)是这样评述NC曲线的:“NC曲线是因应人居空间内的噪声可接受程度评价而提出的。由于缺乏在31.5Hz处的定义,他并未能考虑低频的轰轰声(rumble noise);而他在2000Hz以及高频处过于宽松,又使得在评价空调噪声时,他与主观反应的相关性不是太好。”


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(图6   NC评价曲线)

NC曲线的评价方法与NR曲线是类似的。将表2中的数值去除31.5Hz的值后画在NC曲线图中,采用同样的方法可以确定该噪声符合NC57的要求。


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(图7   图线法进行NC曲线评价)


为了弥补NC曲线在31.5Hz定义的缺失,Beranek在1989年又提出了平衡NC曲线,称为NCB曲线(Balanced NC Curve)6)。在NCB曲线中,Beranek不仅把31.5Hz加了进去,而且索性进一步扩展到16Hz。但这似乎有点用力过猛的感觉,虽然Bies和Hansen在他们的经典之作中用了“NCB曲线大大超越了NC曲线”这样的语句来赞美NCB曲线,但Beranek自己却在书中7)写下这样的语句:“NCB除了纳入了ANSI标准中外,并未得到广泛使用……, NCB曲线和NC曲线除了频率范围以外其实差异不大”。当然,作为进一步的弥补, Beranek也提出了与NR曲线频段一致的PNC曲线(Preferred NC Curve),这个名字来自于标准中定义的声学测量和评价的优选频率(Preferred Frequency)。

但至今,被广泛使用的噪声评价曲线仍然是NR和NC曲线,其它一些曲线也只能是匆匆过客。

参考文献

1. Kosten and van Os. Community reaction criteria for external noises.   National Physical Laboratory Symposium, 12, 1962

2. L. L. Beranek et al.   Ventilation System Noise. J. Acoust. Soc. Amer. 25, 313–321 (1953)

3. L. L. Beranek. Criteria for Office Quieting.   J. Acoust. Soc. Amer. 28, 833–852 (1956)

4. L. L. Beranek. Revised Criteria for Noise in Buildings. Noise Control 3, 19–27 (Jan. 1957)

5. Bies & Hansen. Engineering Noise Control –Theory and practice. pp171-172, 4th eds.

6. L. L. Beranek. Balanced noise-criterion (NCB) curves. J. Acoust. Soc. Amer. 86, 650–664 (1989)

7. L. L. Beranek. Noise and Vibration Control Engineering-Principles and Applications. pp895, 2005.



文章分类: 声学
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