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声音的标尺:计权网络,NR和NC那点事

作者:   日期:2019-03-05  来源:  关注:4

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。


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


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          表1 A计权的1/3倍频程修正值数值表


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 OS[1]的研究结果提出的噪声评价曲线。

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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。

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           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Hansen[5]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。




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