听力学的基本功：噪声测试和应用

蒋涛

听力学是一门多学科专业，其基本技能缺一不可。所有的技能中，噪声测试是一门非常重要、必须掌握的基本功。如果说听力测试是帮助我们更好地了解声音对人的作用及其个体对声音的反应的话，噪声测试则是通过对不同声源发出声音的鉴定，帮助我们更好地理解声音在不同场景下的特殊表现，从而更准确地认识和掌握声音无处不在的物理世界。本期小词典将为读者就如何认识噪声、测试噪声以及所涉的基本概念和测试工具进行介绍，希望听力学专业人士从中受益。

1 噪声的定义及其分类

噪声（noise）的定义如其构成一样丰富多样，心理声学、物理学、工程学、材料学等不同领域具有各自定义。从心理声学角度，可以将其定义为任何不需要的声音统[1]。从物理学角度，其定义是一切不规则的或随机的声信号从本质上讲，噪声是声音的一种，具有声波的所有特点。了解声音三大要素：强度、频率和时间之间特点和相互关系是掌握噪声基础知识的第一步。大多数情况下，我们可以将波动小于3 dB（A）的噪声称为稳态噪声（steady noise），如常见的车床削工件、水泵机组运转等噪声，反之噪声被称为非稳态噪声（nonsteady noise）；从时间看，如果噪声持续时间短于0.5秒，间隔时间大于1秒，且声压有效值变化大于40 dB时，可以将其统称为脉冲噪声（impulse noise），冲床冲压工件时发出的噪声属于这种噪声。从频率看，基频为60 Hz及其相位随机的谐音组成的噪声波形呈锯齿状，音质如锯声，这种噪声被称为锯齿噪声（saw toothed noise），家庭常用的电灯、日用电器等使用60 Hz电动力都会发出类似噪声。而动力、风机、粉碎机械、空气压缩等能产生高达120 dB（A）的各种工业噪声是上述各种噪声的混合。

根据噪声不同的物理特点、心理声学性质及发声原理等，按照人类活动产生的不同噪声，将噪声分成工业噪声、非工业或社会生活噪声以及其他噪声，这种划分有利于对噪声暴露人群的保护和管理。

1.1 工业噪声

人类工业活动产生的噪声为工业噪声（industrial noise），和日常生活噪声（daily life noise）有别，前者由固定的工业设备产生，时间和噪声强度相对稳定，是对作业人员影响最广泛、最严重的噪声源，非工业噪声是人类自身发出的，持续不定，具有较大的随机性。

根据噪声时间长短和发声特点，工业噪声可分为持续噪声和脉冲噪声或瞬态噪声。持续噪声的声源固定，虽然较短时间内噪声强度有变化，但从长时间看，这些噪声的强度和频率保持相对稳定状态，如工厂常用的发电机或空调压缩机，这些设备一旦启动，便持续不停；噪声测量和评估相对容易。

工业噪声又可依据频率特征分为宽频噪声（broadband noise）和窄带噪声(narrow-band noise)。宽频噪声声音能量在主要频率分布较均匀，各个频率噪声强度接近，从频谱图看，这种噪声是一种起伏较小的平缓曲线，活塞式飞机发动机、空气阀噪声属于这种宽频噪声。相比之下，噪声能量集中在一段非常狭窄的频率范围内，被称为窄带噪声，纯音听力测听中常用窄带噪声作为掩蔽信号。窄带噪声具有非常明显的频率特征，根据噪声频率构成，常常称为低频噪声、中频噪声和高频噪声，常见的窄带噪声与空气压缩机、铣床和变压器等大型工业设备和装置有关。

现代化工业生产是以高度电动机械化为特征，实现最低的成本带来可观的生产效益，噪声泛滥则是这种高效生产的代价。工业噪声一般有以电动机为主的动力设备噪声，由电磁噪声、动子与轴承摩擦的机械性噪声和电扇运转的空气动力噪声组成；大部分电动机噪声为宽带频率，低频噪声高于高频。风机噪声是工业常见噪声，应用最广泛的设备，常见于钢铁厂、纺织厂、水泥厂、发电厂和酒厂等大型生产厂矿。空气压缩机噪声是工业常见噪声，这是在提高气压和输送气体时发出噪声的机械，噪声级为90～120 dB（A）之间。

交通噪声（traffic noise）是现代社会一种快速增长和影响广泛的环境噪声，对交通行业的工人而言，交通噪声属于职业噪声的一种，但对自然环境、野生动物和居民而言，交通噪声和其他环境污染物一样，是一种公害，影响更大，更复杂。在欧盟国家，40%居民几乎每天受到强度为55 dB的交通噪声干扰，其中20%生活在超过60 dB以上的交通噪声环境中。新疆伊宁“十一五”城市环境噪声评估报告显示[2]，2009年该市对33 km长的公路进行噪声监测，交通流量为每小时有1331辆车通过，超过噪声率8%，平均噪声为67.7 dB（A）。交通噪声不像工业噪声直接危害听力，但对人们生活质量有严重影响。

近年来，随着城市社区高度开发，迫使加快交通基础建设以满足我国城镇化进程的需求，机动车辆保有量急增，其中运输货车、大型公交车和近期普及的电动自行车等噪声占相当大比例，加上城市市区道路老化和新增跨线立交桥等，导致交通噪声污染日益严重。虽然控制交通噪声措施不断，包括从1985年起，许多城市开始限制机动车辆鸣笛限制、拓宽道路、淘汰旧车等，效果不明显，研究显示我国白天城市交通噪声完全超标至少5 dB以上，十分严重。黑龙江省“十一五”城市噪声污染监测报告显示[3]，该省城市交通噪声是仅次于生活噪声的第二大噪声源，高于工业噪声。该省受监测的13个市(地)中，齐齐哈尔和大庆市30%以上路段处在污染区域内。大庆市污染最重，超标环境中路段达34.20%；平均等效声级均值范围在49.2～56.0 dB(A)之间，有3个城市的均值超过55 dB(A)，哈尔滨市污染最重，其他城市均值超标范围在0.1～1.0 dB(A)。

工业噪声与使用的设备及特定生产工艺有关，监测、分析和改造噪声不仅需要准确地鉴定噪声特点，还需要掌握在这种噪声背景下，作业人员噪声暴露性质和时间长短等，才能更全面地评估作业人员噪声暴露的风险程度，制定有效的保护措施。

1.2 非工业噪声

相对于工业噪声，非工业噪声（non-industrial noise）指所有不属于工业范畴、与人们日常生活有关的噪声，又称为娱乐噪声（recreational noise）或社会生活噪声（social life noise）。从其逻辑关系看，该定义较为松散，由于噪声与日常生活关系紧密，且同样影响人类身心健康，多沿用非工业噪声这一定义。

非工业噪声可分成商业噪声、学校噪声、生活噪声和娱乐噪声4种。商业噪声指与不同商业活动有关的噪声，如采用的设备（厨具噪声）、商业环境噪声等（空调噪声），典型例子是餐厅和购物中心噪声。学校噪声指任何和教学活动有关的噪声，如教室内、外的噪声，教室内的噪声包括通风设备、教学仪器以及人的声音，室外噪声指体育活动等。生活噪声常指家用电器、居家设备和家庭活动噪声，如吸尘器、空调和食物搅拌机噪声等。娱乐噪声指人类从事令人愉悦的各种活动及所用工具、器具和设备等，两种常见娱乐活动是射击和音乐，产生的噪声甚至超过工业噪声，高强度、长时间的摇滚音乐会的平均噪声暴露级超过100 dB（A），远远超过工业噪声听力标准规定的85 dB（A）。

非工业噪声（non-industrial noise）从广义讲，指人们的日常生活、饮食出行、购物娱乐产生的噪声，又称为社会生活噪声。生活在85 dB（A）以上的噪声环境居民人数在过去20年间迅速增长，许多民众饱受噪声干扰。从噪声暴露时间看，职业噪声一般控制在8小时之内，而非工业噪声却不分昼夜，全天24小时间影响人们生活，城市是集中污染地区。2004年，我国一项十个城市噪声调研发现[3]，北京噪声污染最严重，本地居民抱怨噪声无法忍受的人数占24%。噪声源包括各种商业噪声、室内使用计算机和风扇等发出的噪声。近期研究表明，低强度的生活噪声虽然对听觉影响较小，但持续暴露会影响人的整体健康状况，包括生理和心理[4]。

从噪声接触年龄看，职业噪声是成年后接触的噪声，非工业噪声可以从儿童开始，持续不断。世卫组织指出[4]，全球约有11亿青少年和青年因不安全使用智能手机等个人音频设备以及在夜总会、酒吧和体育赛场等噪声很大的娱乐场所接触有损听力的声级，面临听力损失风险。iPod能发出高达120 dB SPL的音量，甚至超过割草机发出的机械噪声。世卫组织对中等收入和高收入国家研究数据进行的分析结果显示，在12～35岁青少年和青年中，近50%的人在使用个人音频设备时音量大到不安全程度，约40%的人在娱乐场所接触到很可能具有破坏性的声级[4]。不仅应防止成年人患职业噪声性听力损失，更关键的是保护听力应从儿童做起。

1.3 其他噪声

其他噪声包括环境噪声、农业噪声、通讯噪声等，全面了解现代社会噪声及其危害，有助于加强听力保护和对前面提到的噪声的深入认识。

2 噪声评价方法

根据噪声评价不同的目的，有不同的方法，有的是对噪声进行物理绝对值的评估，有的则是根据人对噪声反应特点形成的方法来评估。

2.1 响度和响度级

听力学研究噪声对人个体影响。个体对声音的感知尤为重要，众所周知，人耳对声音非线性处理特点，使得人们对同等物理量（声压级）的不同频率声音感知截然不同，比如对250 Hz声压级为40 dB SPL的纯音感觉和1000 Hz同样声压级的纯音是不一样的，因为人耳对低频声音敏感度比中频低，听起来后者声音更响亮，其实这是两个物理能量等值的纯音。这种基于个体对声音强弱感觉程度来评价噪声是心理声学一种评价方法，称为响度，不仅取决于声音强度，还与声音的频谱和瞬时特性有关。响度级的常用单位为方（phon)。1000 Hz纯音的声压级值（dB）定义为响度级的方值，所以40 dB SPL、1000 Hz纯音的响度级就是40方；在等响条件下，声压级与频率的关系曲线称为等响曲线（equal loudness contour），如51 dB的100 Hz的纯音和40 dB的1000 Hz纯音听起来一样响，即两者位于同一条40方的等响曲线上，其响度级都是40方。

相对于其他频率纯音，如果调节1000 Hz纯音，使它听起来响度一样，这时1000 Hz纯音的声压级分贝值，就是该声音的响度级方值。等响曲线中最下端的一条曲线为人耳在各频率能听到的最小强度，称为双耳最小可听阈曲线（minimal auditory field，MAF）。在纯音听力检测中，将最小可听阈曲线作为基准零级，叫做听力零级，用dB HL表示。

由等响曲线组可知，人耳听觉对不同频率有不同的敏感度，不过随着响度的逐渐增加，这种频率感知差异逐渐缩小，到了100方等响曲线时，各个频率的响度感知基本变成一条平坦直线（图1）。掌握等响曲线的来由和特点能帮助读者了解噪声评价，能够很好地解释为什么在一间低频噪声为40 dB SPL房间，人们反倒觉得安静，而当空调机因为故障发出低于10 dB SPL的4000 Hz高频噪声时，便感觉得十分刺耳烦人。

2.2 A计权声级dB（A）

鉴于人耳对不同频率噪声感觉不同的特点，如何测量噪声才能准确地反映出对人耳的影响？于是在等响曲线基础上，提出了声级（sound level）这个概念，即计权声压级评价体系，准确讲，声级就是用一定频率计权网络测量（weighting network）得到和相应的等响曲线有一定关联的声压级。A计权网络模拟40方纯音响度（见图1），是40方等响曲线的倒置，以dB（A）表示；B计权网络模拟70方纯音响度，是70方等响曲线的倒置，以dB（B）表示；C计权网络模拟100方纯音响度，是100方等响曲线的倒置，以dB（C）表示。C计权声级在整个频率范围几乎呈一直线，各频率响度方值近似（见图2）。

图1 标准纯音等响曲线

图2 A、B、C和D计权网络曲线

A、B、C三种计权频率曲线均得到IEC国际标准认可，我国GB/T 3785.1-2010标准也引用这一规定。最新发布标准已经去掉B计权网络，A计权声级依然作为噪声评价基本量，C计权网络声级可作为听声范围内的总声压级。

虽然A计权网络无法真实完整地反映出噪声本身的物理量，因为噪声级在70 dB以下时，低频部分被滤波处理（表1），而高频部分比较接近实际噪声强度；噪声级为100 dB时，A计权网络和C计权网络相似，各频率计权值几乎一致。大量研究表明，在所有噪声评价方法中，A计权网络比较能真实地反映出人耳对噪声的感觉，能较准确地模拟噪声和听力之间的关系，有助于判断噪声对听觉的潜在影响。即便A计权声级并非完美的评价体系，半个多世纪以来，A计权网络一直是国际标准委员会和世界各国政府监管机构共同采用的噪声评价指标，临床研究也表明是保护听力、研究噪声性听力损失最适宜的风险评估标准。

全球大部分国家将稳定噪声暴露标准设定为85 dB（A）和8小时，即一旦噪声级超过85 dB（A）或超过8小时暴露时间，将会有噪声听力损失的风险。这些标准普遍采用3 dB暴露时间和强度的换算关系，噪声每增加3 dB（A），噪声暴露时间必须减半。最高噪声级不得超过115 dB（A）。我国发布的《工业企业噪声卫生标准(试行草案)》也采用相同标准[5]。

表1 A计权声级和C计权声级在不同频率的比较

2.3 等效连续A声级

A计权网络声级适用于稳定的宽频带噪声，声级起伏不宜超过3 dB（A），但在实际应用中，许多噪声起伏或不连续的，比如交通噪声，于是提出了连续等效声级（equivalent sound level）的评价方法，用Leq表示，测量时仍然使用A计权，所以也称为连续等效A声级（LAeq），其定义是在声场中的某一位置上，用某一段时间能量评价的方法，将间歇出现变化的A声级用一个持续同样时间、能量等效的稳态A声级来表示该时间内的噪声大小，并称这个A声级为此段时间的等效连续声级，等效噪声级可以理解为在这段时间内，噪声的总能量与A声级等于Leq的稳态噪声的总能量相等。

连续等效A声级是用于计算现实中出现的波动性噪声，由于大部分噪声测量都是使用声级计来测试连续等效A声级，所以了解这个概念更关键。可以将连续等效声级理解为反映按能量平均的A声级，尤其在A声级不稳定情况下，作业人员实际接受噪声的能量大小（见图3）。

图3 连续等效A声级（LAeq）和瞬时A计权声压之间的关系

听力学常用上面三种噪声评价方法测量和分析噪声。除此外，还采用其他方法，如用最大声级测量一段时间内发生的最大的A声级噪声，用Lmax、LA，max表示；在评估室内噪声影响时，也采用噪声评价曲线（noisecriterion curves，NCC）分析室内噪声对言语干扰；昼夜等效声级（day/night equivalent level，DNEL）是另一个用于社区和环境噪声评价方法，还是以等效声级为基础，用于计算白天和夜晚各自的等效A声级；噪声污染级（noise pollution level，NPL）用于评价噪声影响人们的烦恼，是用连续等效声级和标准偏差表示，偏差大小反映了噪声起伏大小，标准偏差越大表示噪声级的离散程度越大，即起伏越大；感觉噪声级（perceived noise level，PNL）是对噪声感觉的主观分级，以响声的烦恼或不可接受度的分贝值表示，主要用于评价每次飞机飞过时的噪声感觉。

3 噪声测量仪器

声级计（sound level meter,SLM）是噪声测量最常用的、按照国家标准设计、用于获得噪声数据的便携式声压测试仪器（图4和图5），通常由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器、指示器及电源等组成，有时还会和各种频谱滤波器配合使用，用于分析噪声的频率特性。大部分的声级计都是数字仪器，并带有各种智能化的分析功能模块，能做到实时分析和即时数据显示。声级计可显示多种参数，声压级(SPL)、连续等效声级(Leq)、声暴露级（SEL）、最大声压级（Lmax）和最小声压级（Lmin）等。声级计在将声信号转换成电信号时，利用计权网络模拟人耳对响度感受的频率特性以及等响曲线表现出的强度特性。过去声级计须设有A、B、C三种计权曲线测试，新标准取消了B计权，改为A、C和Z三种频率计权特性曲线，A计权是所有声级计标准设置，C计权呈平坦曲线，Z计权（Zero）又称不计权，1级声级计还有全通模式（Flat），又被称为线性（Linear）。

图4 SoundExpert LxT声级计（Larson Davis）

图5 2250和2270声级计（B&K）

声级计是一种精密测试仪器，依据噪声测量目的和对测量精确度的要求，做出严格的分类，并标明实际使用范围（见图4）。声级计通过传声器（或称麦克风）把声能转化成电能后，送至前置放大器，经可变放大率以控制信号在适当的量程范围；随后信号通过计权网络线路或其他滤波器达到所需要的频率响应，最后通过检波线路处理后，显示声级读数。声级计采用的电容传声器具有很高的可靠性，频率响应宽，对大范围声压变化有良好的线性输出，能精准地测量声压和声压波形（见图5）。

噪声时间特点变化很大，如前所述，有的噪声持续不变，有的噪声瞬间变化不定，所以要求声级计具有对不同时间特点噪声的检测能力，这种能力往往通过检波模式来实现。一般声级计至少必须有两种：均方根值模式测量特定时间内平均声能的强度，是常用的适合绝大多数声学信号的检波模式；峰值检波模式可以提供峰值声压，用于测量脉冲声信号。国际标准制定了两种常用的模式：“慢”挡，时间常数分别为1000毫秒和125毫秒。有些声级计还有35毫秒时间常数，被称作脉冲档，用于测量时程很短的脉冲信号。在测量脉冲声时须了解声信号的瞬时特性和声级计的时间常数。

除了声级计外，测量噪声常用的仪器还包括噪声剂量计（noise dosimeter），又称积分声级计，是用于测量噪声暴露量的个体仪器，一般由作业人员佩戴在身上使用。近年来还有噪声监测听力计投入使用，这是一种新型内置噪声检测仪的听力计，犹如嵌入一台微型声级计，用于环境的噪声监测，能将声信号转换成电信号，利用计权网络模拟人耳对响度感受的频率特性以及等响曲线组表现出的强度特性，这是一台合二为一的噪声监测-听力测量仪器。

4 噪声测量方法

现场测量需作好充分的准备，包括选择合适的测试设备、校准、备齐所需的配件（延长线、插头、三脚架等）等；须熟悉测试目标，了解测试场地、环境和作业人员工种等；设计好测量各个步骤和程序，争取一次性完成关键数据采集。

我国有严格的国家测试标准，GBJ122—88《工业企业噪声测量规范》[6]统一工业企业所有生产环境和非生产环境的噪声测量方法，便于对职业噪声的评价和控制，该标准适用于工业企业生产环境、非生产环境与厂界的稳态噪声和除脉冲噪声以外的非稳态噪声测量。

标准规定噪声测量应使用2型或性能优于2型的声级计，或性能相当的其他声学仪器。测量等效A声级应使用噪声剂量计，或积分声级计；无积分声级计时亦可使用上述声级计。噪声测量所用仪器的性能，应符合现行国家标准《声级计的电声性能与测试方法》规定[7]。噪声测量前后必须对声级计进行声校准，若前、后两次校准值相差等于或大于2 dB，测量值无效。

噪声测量最好在无雨雪、无雷电天气、风力小于5m/s的气候条件下进行。室外测量时，传声器应加防风罩。测量过程中，应避免或减少振动、电磁场、温度和湿度等环境因素的干扰。测量时可以手持声级计，也可固定在三角架上，使传声器指向被测声源，为了尽可能减少反射影响，传声器须离地面高1.2 m，与操作者距离0.5 m左右，距墙面和其他主要反射面不小于1 m。在测点上传声器，应置于人耳位置高度。测量时，传声器应指向影响较大的声源；若难于判别声源方位，则应将传声器竖直向上。

根据噪声性质，稳态与似稳态噪声用快档读取指示值或平均值；周期性变化噪声用慢档读取最大值并同时记录其时间变化特性；脉冲噪声读取峰值和脉冲保持值；无规则变化噪声用慢档。每隔5秒读一个瞬时A声级，每个测量点要连续读取100个数据代表该测点的噪声分布，以便形成噪声图。

测量较大的公共场所（大于100 m2）时，应该距声源（或一侧墙壁）中心划一直线至对侧墙壁中心，在此直线上取均匀分布的三点为监测点；对象是较小的公共场所（小于100 m2）时，可在室中央取一点为监测点。测量时间为：文化娱乐场所、商场（店），测定营业前30分钟、营业后30分钟、营业结束前30分钟的噪声A声级。旅店业、图书馆、博物馆、美术馆、展览馆、医院候诊室、公共交通等候室、公共交通工具均在营业后60分钟测定。

5 结论

噪声评估和测试对听力保护、听力康复以及临床听力学都有重要意义。听力学家在噪声控制中的作用表现为：①作为专家，参加环境噪声评估和分析，尤其在评估噪声对言语交流的干扰、对听力和身体健康的影响和对听力损失人群工作和生活的影响等，起到不可替代的作用；②工业听力学家承担在社区、学校和其他公众机构开展噪声防治和教育作用，帮助民众认识交通噪声的危害，学会保护听力，改善噪声环境交流能力等；③听力学家需要协助政府主管部门制订出行之有效的控制交通噪声措施，为制定相关法律法规建言献策；④听力学家还应该积极参与各种涉及噪声的法律诉讼和民事仲裁案例，运用专业知识和法律武器，帮助社区限制交通噪声的蔓延。总之，学会噪声测试和评估是听力学家不可缺少的基本技能。