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1、返回返回 第4章空气质量与污染物检测 返回返回本章概要 在本章中，主要介绍了氧气、一氧化碳、氮氧化物和其他有害气体以及噪声的监测原理和方法。要求学生基本掌握氧气、一氧化碳、氮氧化物和其他有害气体以及噪声的监测原理和方法，熟练掌握它们的具体操作方法。从而使学生明确常见有害气体及噪声的监测原理和方法可燃性气体监测仪器的原理及使用方法，从而使学生在实际工作中对各种监测仪器熟练运用。返回返回4.1 氧气检测O2是无色、无臭、无味的气体，比空气密度稍重，在空气重含量20.93%(体积比)，与生物呼吸有密切关系。稍溶于水(在0时1L水能溶48.89mL)能与各种物质化合，有助燃性。氧气含量减少对人体危害较
2、大。检测氧气含量不仅有利于防止作业人员发生缺氧症，而且对于预防火灾，判定灭火效果等方面具有重要的意义。返回返回氧气的检测方法包括顺磁测量法、伽伐尼电池法等。锅炉或工业用炉燃烧状况可采用顺磁法，而缺氧场所则用伽伐尼电池法进行。煤矿井下测氧采用伽伐尼电池法进行。4.1.1 顺磁性测量法能够把氧气同其它所有气体区分开多的最显著的特性使氧气的顺磁性，该方法是利用它的这种特性进行测量的。除氧气外，只有一氧化氮和二氧化氮返回返回具有顺磁性。由于氧气具有很大的磁化率，它们被吸向强场的方向，利用这种特性可制出如下各种类型的测定仪器。(1)直接利用吸引力的机械方式；(2)检测磁风的方式；(3)检测界面压力差的方
3、式；(4)测量磁阻的方式等等。返回返回4.1.2 伽伐尼电池法1.伽伐尼电池氧传感器(1)结构 伽伐尼法电池结构如图4-1所示。电池阳极由白金(Pt)或金(Au)制成，阴极由铅(Pb)或锌(Zn)板制作，池内装有氢氧化钾(KOH)糊状电解液及高分子气体渗透薄膜。返回返回(2)检测原理氧气经隔膜进入电解池内，在阴极上产生电化学反应，反应方程式为：O2+2H2O+4e4(OH)-氢氧根离子(HO)进入阳极后，与阳极Pb或Zn产生电化学反应，其反应方程式为：4(OH)+2Pb2Pb(OH)2+4e通过上述化学反应，在电解池内产生一个离子电流，电流的大小与溶氧量成一定比例，所以可以测出氧气浓度变化。返
4、回返回图图4-1 4-1 隔膜伽伐尼电池原理图隔膜伽伐尼电池原理图1阳极；2绝缘材料；3电解液；4阴极；5隔膜返回返回2.便携式OM4C型氧浓度计 现以便携式OM4C型氧浓度计为例简述如下：OM4C型是便携式O2浓度计，是用附带的橡胶球强制吸气使之接触传感器，并用表头指示O2浓度的只读式、小型、轻量化的浓度计。本体由表头、固定在印刷电路板上的上盖、电源电池及收存传感器的壳体等组成，上盖和壳体用4个M5六角埋头螺栓固定，形成密闭容器。上盖表面安装有表头、电源开关、电压用开关及校正用电位器。返回返回在壳体外部有进气口和橡胶球连接口，与内部的传感器联接着。传感器的阴极、阳极、电解液及温度补偿热敏电阻
5、装在树脂容器内，吸进的空气与阴极接触。电路设置在固定于上盖的印刷线路板上。传感器发生的与O2浓度成比例的电流放大后，其输出可驱动表头。热敏电阻装于传感器内，作为集成电路的负反馈电阻进行温度补偿。电路全部是本质安全回路，电源电池是锰干电池(1号1.5V)3节串连，电池正负间的两个连接部分连接着一个1.5、共计3，用粘结剂固定的绕线型限流电阻。返回返回一氧化碳(CO)为无色、无臭气体，分子量是28.0，对空气比重是0.967，在标准状态下1L气体重1.25g，100mL水中可溶解0.0249mg的一氧化碳(20)，燃烧时为淡蓝色火焰。一氧化碳时炼焦、炼铁、炼钢、炼油、汽车尾气及家用煤的不完全燃烧产
6、物。更引起人们关注的时城市交通车辆增多，在交通路口车辆频繁的场所，空气中一氧化碳的含量有时竟高达50ppm。4.2 一氧化碳检测一氧化碳检测返回返回一氧化碳是大气污染监测最常见的指标之一。一氧化碳化学测定方法有五氧化二碘法、检气管法、碘量法和银胶比色法。仪器测定方法有非分散红外法、气相色谱法、汞置换法、检测管法和固体电解质原电池型检测器(定位电解法)等。其中，非分散红外法和气相色谱法应用最普遍，而前者规定作为我国环境监测中测定一氧化碳的标准方法。返回返回4.2.1 非分散红外法一氧化碳、二氧化碳等气体，对红外线有强烈的吸收作用，每种气体的吸收峰不同(如一氧化碳吸收4.67m的红外线)，且最大吸
7、收峰的波长范围较窄。因此，可根据这些气体对红外线的吸收作用，测定它们在空气中的浓度。国产FQW和HW100型红外线气体分析仪，是测定一氧化碳和二氧化碳的专用仪器。其量程一般都分为几档，最低量程为050ppm，最高可达0500ppm，下面仅以一氧化碳为例，说明非分散红外法的基本原理。返回返回非分散红外法分析仪的结构如图4-3所示。由光源1发出能量相等的两束红外线，被同步电机带动的扇形切光器2切割成一定周期的断续光，其中一束光通过比较室4投射到检测室5的左侧，另一束光通过试样室3投射到检测室5的右侧。检测室有金属膜片6分隔成容积相等的左右两室，金属膜片与另一片金属构成电容式传感器。检测室的左右两室
8、中，密封有等量的一氧化碳。比较室中密封有不吸收红外线的气体如氧气或氮气等。返回返回图图4-3 非分散红外法非分散红外法CO测定仪原理图测定仪原理图1光源；2切光室；3试样室；4比较室；5检测室；6金属膜片；7放大器；8指示器；9气样返回返回测定时，将待测气样导入试样室中。由于比较室中的气体不吸收红外线，因此通过比较室投射倒检测室左侧的红外线的强度不变。而经过试样室的红外线，部分地被气样中的一氧化碳吸收，因此强度减弱，气样中一氧化碳的浓度越高，红外线被吸收的就越多。而且，在一定的范围内，吸收量与一氧化碳浓度呈线性关系。于是，在检测过程中，密封在检测室左右两侧的一氧化碳接收到红外光的热能不同，产生
9、不同的热膨胀压力，从而使左右两室间的返回返回金属膜发生相对位移，改变了电容器的电容量。这个过程使光能的变化转变为电气量的变化，再经过放大器7放大后，即可推动指示器8，反映出一氧化碳的高低。实际测定前，先向仪器的试样室中送入已知浓度CS的一氧化碳标准气，读取指示仪表的分度值us(格数或毫伏数)。再向仪器的试样室中通人待测气体，并读取指示仪表的分度值ux，即可由下式求得气样中一氧化碳的浓度Cx：Cx=1.25Cs ux/us式中 1.25一氧化碳浓度值。返回返回4.2.2 气相色谱法在气相色谱分析中，氢火焰离子化检定器是测定烃类化合物的高效方法。用此法可直接测定气样中的甲烷，在此基础上间接测定一氧
10、化碳和二氧化碳。测定流程如图4-4所示，该图是在一般气相分析流程的基础上，在色谱柱与检定器之间安装了一个转化炉，其作用是将一氧化碳和二氧化碳转变成甲烷。返回返回分析气样时，通过接在六通阀6上的气体定量管7，取一定体积的气体，转动六通阀，借来自氢气瓶1的载气将气样带入装有TDX01碳分子筛的色柱谱8，在色柱谱中各被测组分得到分离，按氧(来自空气)、一氧化碳、甲烷和二氧化碳的顺序从色柱谱流出，并继续通至装镍催化剂的转化炉9。返回返回图4-4 测定一氧化碳的气相色谱流程1氢气瓶；氢气瓶；2减压阀；减压阀；3净化管；净化管；4调节阀；调节阀；5流量计；流量计；6六通阀；六通阀；7定量管；定量管；8色谱
11、柱；色谱柱；9转化炉；转化炉；10检定器；检定器；11放大器；放大器；12记记录仪录仪返回返回在转化炉中，一氧化碳和二氧化碳均按1:1的关系定量地转变为甲烷：CO+3H2 CH4+H2O转化后的气体，仍按原来的顺序通过氢火焰检定器10，在记录仪12上画出各待测组分的色谱峰。实际测定前，先向色谱仪中注入已知浓度的各待测组分的标准气样，测出它们各自色谱的保留时间和峰高；再在同样条件下，注入待测气样，测出待测气样中各组分各自色谱的保留时间和峰高。从保留时间定性确认待测气样中一氧化碳、返回返回甲烷和二氧化碳各自的色谱，从峰高由下式定量计算它们各自的浓度：CxiCxi气样中被测组分的浓度；C Cx xi
12、 i=CsiCsi kiki式中：i 表示被测组分CO、CH4或CO2；CsiCsi标样中被测组分的浓度；气样中被测组分的峰高；标样中被测组分的峰高；kiki 被测组分浓度值本方法测量一氧化碳灵敏、快速、重现性好，是目前广泛应用的方法之一。返回返回4.2.3 汞置换法(间接冷原子吸收法)冷原子吸收法是测定汞的特效方法，这个方法是通过汞蒸汽对253.7nm紫外线的强烈吸收作用，利用光电转换测定器测定汞蒸汽的含量进行的。此方法也可以用于一氧化碳的间接测定。汞置换法测定一氧化碳的装置如图4-5所示。返回返回在图4-5所示的装置中，利用抽气泵8，使气体通过净化器1，除去气样中的尘粒、水分、二氧化硫、硫
13、化氢、醛、酮以及不饱和烃类化合物，然后进入装有固体氧化汞的置换炉2，在置换炉中，一氧化碳和氧化汞反应释放出汞蒸汽CO(气)+HgO(固)=Hg(气)+CO2(气)当汞蒸汽通过汞吸收管4时，就会吸收低压汞灯3所发出的253.7nm的紫外线，使光电管5的光电流减小，于是在显示仪表7上指示出对应于被测物浓度大小的吸光度。返回返回图图4-5 4-5 汞置换法测定一氧化碳的装置汞置换法测定一氧化碳的装置1净化器；2置换器；3低压汞灯；4汞吸收管；5光电管；6放大器；7指示仪表；8抽气泵返回返回在实际测定前，先将已知浓度的一氧化碳标准气注入上述装置中，测定出标样的吸光度；再注入同样体积的待测气体，测定其吸
14、光度，然后按下式计算气样中的一氧化碳的浓度:Cx=CS 1.25式中 Cx气样中一氧化碳的浓度，单位为mg/m3；CS标样中一氧化碳的浓度，单位为104%；AS被测气样的吸光度；Ax标准气样的吸光度；1.25一氧化碳浓度值。返回返回4.2.4 检测管法上面介绍得几种常见空气中气态污染物检测仪表，虽然灵敏度高、精确度高，但是结构复杂庞大、价格昂贵、操作复杂，并只能局限于实验室操作。然而对于现场使用，检测仪表必须价格低廉、操作简单、快速适时、轻便易于搬动，便携式仪表就能满足这些要求。返回返回检气管，用适当得试剂(叫做指示剂)浸泡过的载体做填充剂，填装于细长的玻璃管中密封即做成检气管。检气管直径46
15、mm，长150mm左右。使用时，用锉刀将检气管两端封口锉断，用一定容积的吸气球或注射器，使一定量的被测气体以一定的速度通过检气管，被测气体与指示剂发生反应，使填充剂呈现一定的颜色。检气管有比色式和比长式两种，它们分别根据颜色深浅或色柱的长短，与事先制成的标准色板或浓度标尺进行比较，就可以测出气样中被测气体的含量。每支检气管只能使用一次。检气管具有现场使用简便、速度快、便于携带和灵敏度高等优点。返回返回4.2.5 固体电解质原电池型检测器测量法固体电解质原电池型检测器是一种可能做成像钢笔一样小巧的便携式检测器，有多孔电极(又叫工作电极W)和对电极C组成原电池的两极。对电极用滤纸或其他纤维浸渍适当
16、的电解质溶液制成，多孔电极也浸渍有电解质，两电极之间用半透膜隔开。不接触待测物时，两电极处于相同情况，不产生电流。当其处在被污染的空气中时，由于被测气体的渗入而产生电极反应，产生的电流经过放大器放大后，由指示器读出被测物的浓度。有的后面不用放大器，直接用一只灵敏的微安表即可进行显示。本检测器利用控制电位电化学原理工作，所以本检测方法又被称为定电位电解法。现以AT2型一氧化碳测量仪为例说明这类一起的工作过程，其工作原理方框图如图4-6所示。返回返回图图4-6 AT2型一氧化碳原理方框图型一氧化碳原理方框图1电源；2恒电位环节；3传感器；4放大器；5温度补偿；6指示电表返回返回被测量的一氧化碳，通
17、过传感器聚四氟乙烯薄膜扩散到工作电极W，电极W受到恒电位环节的控制作用，具有一个恒定的电位，一氧化碳在W电极上发生氧化反应，同时在电极C上发生氧的还原反应。W电极：CO+H2OCO2+2H+2e 电动势 e1=0.12VC电极：O2+2H+2eH2O 电动势 e2=1.23V总反应：CO+O2CO2 总电动势 e3=1.35V返回返回图4-6中R时参考电极，给定一个恒定电位。于是在传感器工作电极W和对电极C之间，产生一个固定电动势，就有微弱的电流通过，在一定范围内，该电流大小与一氧化碳浓度成比例，即下式：在工作条件下，电子转移数n，法拉第常数F，反应面积A，扩散常数D和扩散厚度均为常数，因此，
18、测得极间电流i，即可获得一氧化碳浓度C。实际仪表中，电流i经放大后由电表直接指示一氧化碳的浓度值。返回返回氮的氧化物包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等多种形式，总称为氮氧化物(NOx)。空气中的氮氧化物主要是一氧化氮和二氧化氮，是大气环境中主要污染物之一。人为产生的NO、NO2是工业生产和化石燃料燃烧过程中及城市汽车排放出来的，估计人为产生的NO、NO2是天然来源的七分之一。NO又是形成光化学烟雾的触发分子，是二次污染物的前身。二氧化氮比一氧化氮的毒性高四倍。4.3 氮氧化物检测氮氧化物检测返回返回二氧化氮为红褐色的有特殊刺激臭味的气体，分子量为46.01，对空气比重为1
19、.58，沸点为21.2，熔点为10.8，在标准状况下1L气体重2.0562g，具有腐蚀性和较强的氧化性，易溶于水。一氧化氮是无色、无臭的气体，分子量为30.011，对空气的比重为1.0367，熔点为163.6，沸点为1581.8，在标准状态下1L气体重1.3403g，稍溶于水。在检测工作中，NO和NO2可以分别测定它们的总量，通常是测定总重，测定结果均以NO2表示。检测方法包括化学发光法，库仑原电池法等。返回返回4.3.1 化学发光法当气样中的一氧化氮与臭氧(O3)接触时，发生反应身成激发态和基态的二氧化氮:NO+O3NO2(或NO2*)+O2激发态的二氧化氮跃迁到较低的状态或基态时，发出波长
20、范围为6003000nm的连续光谱，峰值波长1200nm NO2*NO2+h返回返回式中 h普朗克常数；光子振动频率。在臭氧过量的情况下，其发光强度与气样中一氧化氮的浓度成正比。因此，通过发光强度的测定，即可定量得到气样中一氧化氮的浓度。化学发光法测定氮氧化物原理示意图如图4-7所示。在该装置中，通过三通阀2的切换作用，可使气样直接进入反应室6，测定一氧化氮的浓度；也可以使气样经过转化器3把其中的二氧化氮定量地转变成一氧化氮由转化器3出来的气体再进入反应室6，这时测定的使一氧化氮和二氧化氮的总浓度。两次测定的差值，即为气样中二氧化氮的浓度。返回返回图图4-7 化学发光法测定氮氧化物的装置化学发
21、光法测定氮氧化物的装置1流量计；2三通阀；3转化器；4抽气泵；5O3发生器；6反应室；7光电倍增管；8放大器；9指示仪表；10高压电源；11放大器电源返回返回在测定氮氧化物的总浓度时，因二氧化氮转变成一氧化在测定氮氧化物的总浓度时，因二氧化氮转变成一氧化氮是按氮是按1:11:1的关系定量进行的，所以发光强度也与气样的关系定量进行的，所以发光强度也与气样中氮氧化物的总浓度成正比。显然，经过光电倍增管中氮氧化物的总浓度成正比。显然，经过光电倍增管7 7和线性放大器和线性放大器8 8后，所得推动指示仪表后，所得推动指示仪表9 9的电信号，也与的电信号，也与气样中氮氧化物的浓度成正比，即气样中氮氧化物
22、的浓气样中氮氧化物的浓度成正比，即气样中氮氧化物的浓度由下式决定：度由下式决定：C NOx=ku式中式中 C C NOx氮氧化物的浓度氮氧化物的浓度uu指示仪表的读数；指示仪表的读数；kk比例常数。比例常数。用上式计算测定结果，用上式计算测定结果，k k值应当是已知的。测定值应当是已知的。测定k k值的方值的方法是：将已知浓度为法是：将已知浓度为C C的二氧化氮标准气通入测定装置的二氧化氮标准气通入测定装置中，读出指示仪表的刻度值中，读出指示仪表的刻度值u u，即可由上式求得，即可由上式求得k k值。值。返回返回4.3.2 库仑原电池法库仑原电池法也是电解分析法的一种，其理论基础仍然是法拉第电
23、解定律。氮氧化物分析仪是采用库仑原电池法原理制作的。其测定工作原理见图4-8，库仑原电池1就是一个电解池同时也是采样的吸收管。电解池有铂网阴极2和活性炭阳极3，其内电解液为PH7的0.1M磷酸盐缓冲液中含有0.3M碘化钾溶液。在两返回返回个电极间有一个很小的电位差。当被测空气经过选择性过滤器，除去干扰物后，抽入电解池中使电解液经过阴极连续循环流动。如果空气中含有二氧化氮(空气中的一氧化氮在经过三氧化铬石英砂氧化管时，氧化成二氧化氮)，则与电解池中碘离子反应，生成碘分子：2NO2+2I2NO2+I2析出的碘分子随电解液带到铂网阴极时，立即在铂网阴极上被电化还原，吸收两个电子变成碘离子 I2+2e
24、2I返回返回图图4-8 库仑原电池法测定库仑原电池法测定NO2工作原理工作原理1库仑池；2阴极铂网；3阴极活性炭；4放大器；5电表；6记录器返回返回同时活性炭阳极也有电化氧化作用，使具化学吸附性的活性炭“C”氧化为“CO”，并在反应中释放出两个电子 C+H2OCO+2H+2e于是原电池的回路中就产生微弱的电流。若原电池中电流效率为100%，则电流大小与NO2的浓度成正比，并按法拉第电解定律可导出下式：i6069102qvC式中 i原电池的电流，单位为A；返回返回qv气样中的流量(20，101325Pa)，单位为L/min；C气样中二氧化氮的浓度，单位为104%。；由于NO2在水中化学反应较复杂
25、，NO2实际转换成电流效率只有70%，所以上述理论电流计算式中应乘以这个转换效率。由上式知道，气样中NO2的浓度C与原电池电流i成正比，并且可以由上式计算出NO2浓度C的数值。返回返回4.4.1 二氧化硫检测1.溶液电导率法 此法是在具有一定酸性的硫酸过氧化氢吸收的容器中，通以一定流量的环境中的空气，进行定时的接触反应。空气中所含二氧化硫被吸收后形成硫酸，使吸收液的电导率的变化，可得到一定时间内二氧化硫的浓度的平均值；根据记录曲线的斜率可得到二氧化硫浓度的瞬时变化。吸收液由送液泵泵入检测容器中，并通过物位检测器和电磁阀控制，使其保持一定的液位。4.4 其他有害气体检测其他有害气体检测返回返回被
26、测空气通过滤尘器和流量计后经喷嘴进入反应容器中，且保持长时间不变的稳定流量。最后通过标准电极与测量电极检出电导率的变化，由记录仪进行连续记录。通过换算便可得到一定时间内二氧化硫浓度的平均值。被吸收后的气体经过烟雾收集器后排出。这里的撞击式测尘计主要用来使气液混合发泡，以提高反应效率。测量后需要将吸收液排入排液瓶，重新泵入新液，一般更换周期为一个小时，具体时间要根据空气中二氧化硫的含量多少来定。经过一定检测时间后需要补充吸收液，清洗过滤器，必要时需要等效溶液进行校准。返回返回4.4.2 硫化氢的检测硫化氢是无色有臭鸡蛋味的气体，对中枢神经系统，上呼吸道系统有较强的刺激，易引起中毒。低浓度硫比氢中
27、毒症状为头痛、头晕、恶心、呕吐；高浓度硫化氢中毒症状为昏迷、意识突然丧失、窒息死亡。对硫化氢的测定常用亚甲基蓝比色法(使用检定管)。另一种测量硫化氢的方法是三端电化学原理的库仑池滴定式H2S检测方法，这类检测仪器的工作原理如图4-9所示。该仪器采用返回返回气泵抽气取样。库仑池有三个电极：铂丝阳极、铂丝阴极和活性炭参考电极。库仑池中电解液为碱性碘化钾。当被测气体连续地抽入仪器，过滤后进入库仑池；而恒流源供电电流从阳极流入，经阴极和参考极流出，这时阳极氧化碘离子产生碘分子(2II2+2e)，抽入的气体带动电解液循环流动，碘分子被带到阴极后，又被还原成碘离子(I2+2e2I)。如果吸入气体中不含有H
28、2S，当碘浓度达到平衡后，阳极电流等于阴极电流，此时参考极没有电流流出。如果气体中含有H2S，则与溶液中碘分子反应，形成碘离子，从而降低了流入阴极的碘分子浓度，即降低了阴极电流，降低部分由参考极流出，此时阳极电流等于阴极电流与参考极电流之和。而参考极电流与H2S浓度成正比例，经放大后由电表指示或报警。返回返回图图4-9 库仑池滴定式库仑池滴定式H2S检测报警仪工作原理检测报警仪工作原理返回返回4.4.3 二氧化碳检测为了对生产作业环境的二氧化碳浓度进行适时检测，特别是要获得与二氧化碳浓度成正比例的电信号，以便进一步实现遥测或监控，常采用气体热导原理的检测仪表。气体的热导率取决于它的成分。如果各
29、个气体成分之间不发生化学反应，则混合气体的热导率接近于各成分的热导率的算术平均值。对于两种气体的温合物有：返回返回1，2(1a+2b)/1001a+2(100a)/100式中 1，2 A种气体和B种气体的热导率；a，b A种气体和B种气体的浓度；1，2 混合气体的热导率。显然，若1，2相差很大，则根据混合气体的热导率可判断各成分的浓度。空气在0时相对热导率定为1，二氧化碳的相对热导率力0.614，在0100范围内其热导率的温度系数为0.00495。可见，CO2的相对热导率与空气相差较远，在一定条件下，适于用热导式仪器检测二氧化碳浓度。返回返回4.5 噪声监测 从声理学上讲，凡是使人烦恼、讨厌、
30、刺激的声音，即人们不需要的声音就称其为噪声。从物理学上看，无规律、不协调的声音，即频率和声强都不相同的声波无规律的杂乱组合就称其为噪声。按照这一定义，噪声的范围更为广泛，除机器和街道上的吵闹声属于当然的噪声外，凡是我们所不想听的声音或对我们的生活和工作有干扰的声音，不论是语言声，还是音乐声都称为噪声。噪声不单纯根据声音的客观物理性质来定义，还应根据人们的主观感觉、当时的心理状态和生活环境等因素来决定.例如音乐之声对正在欣赏音乐的人来说，是种美的享受，是需要的声音，而对正在思考或睡眠的人来说，则是不需要的声音，即噪声。返回返回4.5.1 噪声物理量度及主要检测仪表4.5.1.1噪声物理量度 虽然
31、噪声是一种声波，可以用声波的物理特性就来描述它。但是，为便于评价和控制噪声，人们还特地引入一些专用量来表示它。1.声压、声强和声功率(1)声压 由于噪声能引起空气质点的振动，使周围空气质点发生疏密交替变化而产生的压强变化称为声压，亦即噪声场中单位面积上由声波引起的压力增量为声压，用p表示，单位为Pa。返回返回我们通常生活的环境压强是一个大气压p0，当噪声这个疏密波传来时，环境压强就会发生改变，疏部的压强稍稍低于p0，密部的压强稍稍高于p0，这种在大气压上起伏的部分就是声压。如图4-10所示压强的波动情况，亦即声压的变化。以敲锣为例，锣面敲的越重，锣面上下振动越剧烈声压就越大，听起来噪声就越响。
32、反之振动小，声压小，听起来噪声就弱。这就是说声压的大小反应了噪声的强弱，所以通常都用声压来衡量噪声的强弱。声压分为瞬时声压和有效声压。返回返回声波在空气中传播时形成压缩和疏密交替变化，所以压力的增减但是正负交替的。噪声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压。瞬时声压在随时间变化，而入耳感觉到的是瞬时声压在某时间的平均结果，叫有效声压。有效声压是瞬时声压对时间取的均方根值，故实际上总是正值。声压是常用噪声测量仪器测量的一个基础物理量度，一般仪器测得的往往就是有效声压量，在没有注明的情况下，声压均指的是有效声压。正常人耳刚能听到的最微弱的声音的声压是2105Pa，称为人耳听阈声压，如人耳刚刚听到的蚊子飞
33、过的声音的声压；使人耳产生疼痛感觉的声压是20Pa，称为人耳痛阈声压，如电机发动机噪声的声压。通常吸声测量仪器所指示的数值就是声压值。返回返回(2)声强 声波作为一种波动形式，将噪声源的能量向空间辐射，人们可用能量来表示它的强弱。在单位时间内(每秒)，通过垂直声波传播方向的单位面积上的声能，叫做声强。用I表示。声强的大小与离噪声源的距离远近有关。这是因为单位时间内噪声源发出的噪声能量是一定的，离噪声源的距离越远，噪声能量分布的面积就愈宽，通过单位面积的噪声能量就越小，声强就愈小。在自由声场中(离声源很远且没有任何反射的声场)，声压与声强有密切的关系：Ip2(c)式中 p 声压，单位为Pa；空气
34、的密度，单位为kgm3；c 声速，单位为m/s。返回返回(3)声功率 噪声源在单位时间内向外辐射的总声能叫声功率，通常用W表示，单位是W，1W1Nm/s。在自由声场中，若有一个向四周均匀辐射噪声的点噪声源，则在r处的声功率与声强有如下关系：IW(4r2)式中 I离噪声源r处的声强，单位为W/m2；W声源辐射的声功率，单位为W；r离声源的距离，单位为m。声压、声强和声功率三个物理量中，声强和声功率是不容易直接测定的，所以在噪声监测中一般都是测定声压，只要测出声压，就可算出声强，并进而算得声功率。返回返回2.声压级、声强级、声功率级及其分贝 (1)声压级 能够引起人们听觉的噪声不仅要有一定的频率范
35、围(2020000Hz)，而且还要有一定的声压范围(2l0520Pa)。声压太小，不能引起听觉，声压太大，只能引起痛觉，而不能引起听觉。从听阈声压2l05Pa到痛阈声压20Pa，声压的绝对值数量级相差100万，声强之比则达1万亿倍，因此，在实践中使用声压的绝对值描述噪声的强弱是很不方便的。另外，人的听觉对噪声信号强弱的刺激反应不是线性的，而是与噪声的强度成对数比例关系的。为了准确而又方便地反映人对噪声听觉的感受，人们引用了声压比或声能量比的对数成倍关系“级”来表示噪声强度的大小，当用“级”来衡量声压大小时，就称为是声压级。这与人们常用级来表示风力大小、地层强度的意义是一样的。返回返回声压级的单
36、位是分贝(记为dB)，分贝是一个相对单位。声压与基准声压之比，取以10为底的对数，再乘以20就是声压级的分贝数。声压级实际上是声压分贝标度的一种形式，其数学表示式为Lp20lg(p/p0)式中 Lp声压级，单位为dB；p声压，单位为Pa；p0基准声压，p02105Pa。分贝标度法不仅用于声压，同样也能用于声强和声功率的标度，当用分贝标度声强或声功率的大小时，就是声强级或声功率级。返回返回(2)声强级L110lg(I/I0)式中 Ll声强级，dB：I声强，W/m2；I0基准声强，I01012 W/m2。(3)声功率级Lw10 lg 式中 Lw声功率级，单位为dB；W声功率，单位为W；W0基准声功
37、率，W01012W。返回返回利用以上公式，我们就可以把人耳能听到的各种噪声的声压、声强和声功率转化为声压级、声强级和声功率级，从而很方便地判断其危害程度。显然，采用分贝标度的声压级后，把动态范围(2l0520)Pa声压转变为动态范围为(0120)dB的声压级，因而使用方便，也符合人的听觉的实际情况。返回返回3.噪声的叠加 前述的声压级、声强级、声功率级都是单一噪声源的表示式。在实际工作中，常遇到某些场所有几个噪声源同时存在，人们可以单独测量每一个噪声源的声压级，那么，当多个噪声源同时向外辐射噪声时，则区域内总噪声对应的物理量度又是多少呢?在说明总噪声物理量度前，必须明确这样两点：一是声能量是可
38、以进行代数相加的物理量度，设两个声明的声功率分别是W1和W2，那么总声功率W总W1+W2，返回返回同样两个声源在同一点的声强为I1和I2，则它的总声强I总I1+I2；二是声压是不能直接进行代数相加的物理量度，根据前面公式可以推导总声压与各声压的关系式如下：I1p12(c)I2p22(c)由I总p总2(c)知，得总声压p总2 p12+p22返回返回(1)相同噪声级的叠加 噪声级是噪声物理量度的统称，它可代表的是噪声的声压级、声强级或声功率级。如果某场所有N个噪声级相同的噪声源叠加到一起，那么它们所产生的总得噪声级可用下式表示：LcL+10lgN表表4-4 4-4 分贝和的增加值表分贝和的增加值表
39、声压级声压级差差0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515增值增值3 32.2.5 52.2.1 11.1.8 81.1.5 51.1.2 21 10.0.8 80.0.6 60.0.5 50.0.4 40.0.3 30.0.3 30.0.2 20.0.2 20.0.1 1返回返回式中 Lc总噪声级，单位为dB；L一个噪声源的噪声级，单位为dB;N噪声源的数目。(2)不同噪声级的叠加 如果有两个噪声级不同的噪声源(如Ll和L2，且L1L2)叠加在一起，这时它们产生的总噪声级可按下式计算：LcLl十L式中 Lc总噪声级，单位为dB
40、；Ll两个相叠加的噪声级中数值较大的一个，单位为dB；L增加值，单位为dB，其数值可由表4-4查出。返回返回(3)噪声的相减 在某些实际工作中，常遇到从总的被测噪声级中减去背景或环境噪声级，来确定由单独噪声源产生的噪声级。如某加工车间内的一台机床，在它开动时，辐射的噪声级是不能单独测量的，但是，机床末开动前的背景或环境噪声是可以测量的，机床开动后，机床燥声与背景或环境噪声的总噪声级也是可以测量的，那么，计算机床本身的噪声级就必须采用限声级的减法。其推导与上面叠加计算一样，可用下式表示：LlLcL式中 Ll机器本身的噪声级，单位为dB；Lc总噪声级，单位为dB；L增加值，单位为dB，其数值可由图
41、4-12查出。返回返回图图4-12 声压级分贝差值图声压级分贝差值图返回返回(4)倍频程 因声音有不同的频率，所以有低沉的声音和高亢的声音，频率低的声音音调低，频率高的声音音调高。研究噪声时，必须研究它的频率。入耳可以听到的声音频率为2020000Hz，1000倍的变化范围，如果一一进行分析是不现实的也是不需要的。为方便起见将这么大的频率范围划分为若干个小段，每一小段就叫频程或频带。频程上限频率用f上表示，下限频率用f下表示，当频程上限频率与表表4-5 4-5 倍频程中心及频率范围倍频程中心及频率范围下限频率下限频率/(Hz)/(Hz)4 44 4888817177 735355 571071
42、0121240402842840 05685680 01131136060中心频率中心频率/(Hz)/(Hz)6 63 312125 525250 050500 01001000 0202000004004000 08008000 01601600000上限频率上限频率/(Hz)/(Hz)8 88 817177 735355 571710 01241240 0282840405645640 011311360602272272020返回返回下限频率之比为2时的频程就叫倍频程；上限频率与下限频率之比为2的1/3次方的频程叫1/3倍频程。在实际应用时每个频程部是用它的中心频率(f中)来表示的，中心
43、频率与上下限频率的关系是：f中f上f下在测量和研究噪声时，常常采用的是倍频程，其频率范围如表4-5所示。返回返回4.5.1.2 噪声测量仪器常用的测量仪器有声级计、声级频谱议、自动记录仪、录音机和实时分析仪。1.声级计 声级计也称噪声计，它是用来测量噪声的声乐级和计权声级的最基本的测量仪器，适用于环境噪声和各种机器(如风机、空压机、内燃机、电动机)噪声的测量，也可用于建筑声学、电声学的测量。(1)声级计的种类声级计按其用途可分为一般声级计、车辆声级计、脉冲声级计、积分声级计和噪声剂量计等。按其精度可分为四种类型，即0型声级计，是实验用的标准声级计；型声级计，相当于精密声级计；型声级计和型声级计
44、作为一般用途的普通声级计。按其体积大小可分便携式声级计和袖珍式声级计。国产声级计有ND2型精密声级计和PSJ2普通声级计。国际标准化组织(ISO)及国际电工委员会(IEC)规定普通声级计的频率范围是208000Hz，精密声级计的频率范围为2012500Hz。返回返回(2)PSJ2型声级计使用方法1)按下电源按键(ON)，接通电源，预热半分钟，使整机进入稳定的工作状态。2)电池校准：分贝拨盘可在任意位置，按下电池(BAT)按键，当表针指示超过表面所标的“BAT”刻度时，表示机内电池电能充足，整机可正常工作，否则需要更换电池。3)整机灵敏度校准：先将分贝拨盘于90dB位置，然后按下校准“CAL”和
45、“A”(或“C”按键)这时指针应有指示，用螺丝刀放入灵敏度校准孔进行调节，使表针指在“CAL”刻度上，此时整机灵敏度正常，可进行测量使用。返回返回4)分贝(dB)拨盘的使用与读数法：转动分贝拨盘选择测量量程，读数时应将量程数加上表针指示数，如当分贝拨盘选择在90档，而表针指示为4dB时，则实际读数为90+494dB；苦指针指示为5dB时，则读数应为90585dB。5)+10dB按钮的使用：在测试中当有瞬时大信号出现时，为了能快速正确地进行读数，可按下+10dB按钮，此时应按分贝拨盘和表针指示的读数再加上10dB作读数。如再按下列+10dB按钮后，表针指示仍超过满刻度，则应将分贝拔盘转动至更高一
46、档再进行读数。6)表面刻度：有0.5dB与1dB两种分度刻度。0刻度以上指示值为正值，长刻度为1dB的分度，短刻度为0.5dB的分度；0刻度以下为负值，长刻度为5dB的分度，短刻度为1dB的分度。7)计权网络：本机的计权网络有A和C两档，当按下A或C时，则表示测量的计权网络为A或C，当不按按键时，整机不反应测试结果。8)表头阻尼开关：当开关处于“F”位置时，表示表头为“快”的阻尼状态；当开关在“S”位置时，表示表头为“慢”的阻尼状态。9)输出插口：可将测出的电信号送至示波器，记录仅等仪器。返回返回图图4-14 PSJ2型声级计型声级计1测试传声器；2前置级；3分贝波盘；4快漫（F、S）开关5按
47、键；6输出插孔；7+10dB按钮；8灵敏度调节孔返回返回2.声级频谱仪 频谱仪是测量噪声频谱的仪器，它的基本组成大致与声级计相似。但是频谱分析仪中，设置了完整的计权网络(滤波器)。借助于滤波器的作用，可以将声频范围内的频率分成不同的频带进行测量。例如作倍频程划分时，合格滤波器置于中心频率500Hz，通过频谱分析仪的则是335710Hz的噪声，其他频率就不能通过，因此在频谱分析仪上所显示的就是频率为355710Hz噪声的声压级，其他类推。由于频谱分析仪能分别测量返回返回噪声中所包含的各种频带的声压级。所以它是进行噪声频谱分析不可缺少的仪器。一般情况下，进行频谱分析时，都采用倍频程划分频带。如果对
48、噪声要进行更详细的频谱分析，就要用窄频带分析仪，例如用1/3频程划分频带。在没有专用的频谱分析仪时，也可以把适当的滤波器接在声级计上进行频谱测定。3.自动记录仪 在现场噪声测量中，为了迅速、准确、详细的分析噪声源的特性，常把声级频谱仪与自动记录仪连用。自动记录仪是将噪声频率信号作对数转换，用人造宝石或墨水将噪声的峰值、有效值、平均值表示出来。可根据噪声特性选用适当的笔速、纸速和电位计。返回返回4.磁带录音机 在现场噪声测量中如果没有频谱仪和自动记录仪，可用录音机(磁带记录仪)将噪声信号记录下来，以便在实验室用适当的仪器对噪声信号进行分析。选用的录音机必须具有较好的性能，它要求频率范围宽(一般为
49、2015000Hz)，失真小(小于3%)，信噪比大(35dB以上)。此外，还必须具有较好的频率响应和较宽的动态范围。返回返回5.实时分析仪 频谱仪是对噪声信号在一定频率范围内进行频谱分析，需花费很长的时间，且它只能分析稳态噪声信号，而不能分析瞬态噪声信号。实时分析仪是一种数字式频线显示仪，它能把测量范围内的输入信号在极短时间内同时反应在显示屏上，通常用于较高要求的研究测量，特别适用于脉冲信号分析。返回返回4.5.2 噪声测量方法噪声检测主要包括对功能区噪声、道路交通噪声、区域环境噪声、扰民噪声厂界噪声和施工场界噪声的检测。4.5.2.1 测量方法1.功能区噪声检测 由于城市布局、城市结构、城市
50、功能、地形地貌等因素的影响，城市各功能区的噪声级往往有很大的差别，不能用一个点或一个区域的测量结果去推测其它点或其它区域的噪声水 平。另外，由于噪声是一个随时间变化的物理量。返回返回用某一时段的测量结果不能推测另一时段的噪声级水平。因此，要及时地，全面地；宏观地掌握各功能区的噪声水平，就必须在各环境噪声功能区内的有代表性的测点上作定期的24小时连续监测。(1)测点位置的选择：首先应对多年的城市噪声普查结果作深入细致的分析并结合城市环境噪声功能区规划结果，分析各功能区域的平均声级水平和变化情况，利用理论的或经验的方法，初步确定噪声监测的点位和点数，通过与地面监测结果的反复对比和统计分析，不断调整