淺談環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀計量的重要性

全樂強，鄧彬彬

[斯萬泰科聲學與振動技術(shù)（廣州）有限公司，廣州 511450]

2021 年，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》中提出要加強環(huán)境噪聲污染治理。2021 年11 月印發(fā)的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》中對噪聲污染防治工作提出了明確的要求。一系列法律條文和政策的出臺體現(xiàn)出國家對環(huán)境噪聲防治工作的重視程度[1]。

1 計量目的

環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀（以下簡稱監(jiān)測儀）在環(huán)境噪聲監(jiān)測中扮演著重要的角色。環(huán)境噪聲監(jiān)測點一般都安裝在戶外，因此對該類型儀器的準確性、可靠性、穩(wěn)定性有較高的要求。儀器采集數(shù)據(jù)的準確與否，直接影響到測量結(jié)果。在《環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求》（HJ 907—2017）和《環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀檢定規(guī)程》（JJG 1095—2014）中對該類型儀器提出了計量性能的要求。根據(jù)《計量法》的要求，計量工作的目的是為測量的準確性提供可靠保證，確保國家計量單位制度的統(tǒng)一和全國量值的準確可靠。

2 監(jiān)測儀概述

監(jiān)測儀又稱為環(huán)境噪聲自動監(jiān)測終端，通常由戶外傳聲器單元（包括傳聲器、前置放大器、風罩、雨罩、防鳥停裝置等）、信號處理單元、數(shù)據(jù)記錄單元、發(fā)送單元及顯示單元等組成，可實現(xiàn)無人員值守、24h 連續(xù)噪聲自動監(jiān)測[2]。外觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。根據(jù)《環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測》（HJ 640—2012）的要求，對功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量、晝間區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量和晝間道路交通環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測和評價，監(jiān)測部門根據(jù)要求將監(jiān)測儀安裝在監(jiān)測點。在監(jiān)測現(xiàn)場，監(jiān)測儀通過傳聲器和前置放大器采集到噪聲信號，經(jīng)過其數(shù)據(jù)處理單元計算處理成符合國家標準要求的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲并上傳到生態(tài)環(huán)境部門系統(tǒng)。

圖1 環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀示意圖

圖2 環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀示意圖

3 計量的重要性

監(jiān)測儀的測點布置在戶外，無人值守并長期工作。復雜的戶外環(huán)境要求監(jiān)測儀具備穩(wěn)定、可靠和準確的功能。鑒于監(jiān)測儀工作的特殊性，本文對其計量技術(shù)指標易受影響的條件和原因進行簡述。

3.1 戶外傳聲器部分

目前，監(jiān)測儀使用的戶外傳聲器單元的核心部件為傳聲器和前置放大器。生產(chǎn)廠家選擇的傳聲器一般有兩種類型：電容式傳聲器和微機電系統(tǒng)（MEMS）傳聲器。監(jiān)測儀配置的戶外傳聲器雖然具備防風、防雨、防塵和防干擾等功能，但是外界環(huán)境復雜多變。例如，在南方，溫度高、濕度大，夏天會出現(xiàn)雷雨等天氣；在北方，冬天溫度低、濕度低，有時候會出現(xiàn)雨雪或者沙塵暴等惡劣天氣。監(jiān)測儀置于戶外，必須要能經(jīng)受上述環(huán)境的考驗。對于防風罩部分，其主要材料成分是海綿，在日常太陽暴曬或雨雪洗刷時會出現(xiàn)老化現(xiàn)象。海綿的老化會導致其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在灰塵大的環(huán)境中，灰塵也會吸附在防風球的細微蜂窩里?；谏鲜鲆蛩氐挠绊?，傳聲器單元最容易發(fā)生改變的是其聲壓靈敏度級、頻率計權(quán)響應(yīng)和自生噪聲。這三個參數(shù)是傳聲器重要的技術(shù)參數(shù),一旦這三個參數(shù)發(fā)生改變且超出計量標準的要求,監(jiān)測儀采集到的聲信號就會失真，從而導致測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)值產(chǎn)生偏差。進行定期檢定可以保證傳感器計量性能可靠，從而保證測量數(shù)據(jù)準確可靠。

3.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集儀外觀目前主要有三種結(jié)構(gòu)。第一種是以“炮筒”機身的形式與戶外傳聲器直連（見圖1），再通過電纜與電源連接。采集儀集成在“炮筒”機身里。第二種是采集儀安裝在機箱中（見圖2），傳聲器以長桿的形式安裝在方形機箱上。第三種是長桿型的傳聲器與機箱分開，通過線纜連接。市場上還有一些不正規(guī)的監(jiān)測儀，廠家將傳聲器鑲嵌在機箱上，這種結(jié)構(gòu)的監(jiān)測儀在計量檢定時多數(shù)是不合格的。

戶外傳聲器采集到的聲信號通過前置放大器以一定的轉(zhuǎn)換比例轉(zhuǎn)變成電信號進入數(shù)據(jù)采集部分。采集儀經(jīng)過計算后得到瞬時聲級（Lp）、等效聲級（Leq）、累計百分聲級（LN）、最大聲級（Lmax）、最小聲級（Lmin）、標準差（SD）等。鑒于監(jiān)測儀測量數(shù)據(jù)的多樣性和復雜性，以及儀器使用場合的特殊性，對該類型儀器進行周期性的計量檢定是很有必要的。

3.3 監(jiān)測儀的廣泛使用

《2021 年中國環(huán)境噪聲污染防治報告》顯示，2020 年全國共有311 個地級及以上城市報送了功能聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，各類功能區(qū)共監(jiān)測23 546 點次，晝間、夜間各11 733 點次。31 個直轄市、省會城市和5 個計劃單列市各類功能區(qū)共監(jiān)測4406 點次，晝間、夜間各2203 點次。2020 年全國城市各類功能監(jiān)測點次見表1[3]。

從數(shù)據(jù)可知，環(huán)境噪聲類測試儀器被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中，其中就包括了監(jiān)測儀。根據(jù)《計量法》第九條規(guī)定，縣級以上人民政府計量行政部門對社會公用計量標準器具，部門和企業(yè)、事業(yè)單位使用的最高計量標準器具，以及用于貿(mào)易結(jié)算、安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測方面的列入強制檢定目錄的工作計量器具，實行強制檢定。因此，為了保證測量數(shù)據(jù)的準確可靠，監(jiān)測部門應(yīng)將其使用的監(jiān)測儀定期送至國家授權(quán)的計量機構(gòu)進行量值溯源。

4 實際案例分析

4.1 防風罩對測量的影響

防風罩暴露在監(jiān)測儀的最外部，是最易受到環(huán)境侵蝕老化的部件，經(jīng)過長年累月的使用，還會吸附一些灰塵等雜質(zhì)，破壞防風罩的結(jié)構(gòu)，影響測量。下面通過對一組樣品進行測試，比對不同狀態(tài)下防風罩的頻響特性。3 個樣品皆為同一生產(chǎn)商生產(chǎn)的相同規(guī)格的防風罩，A 防風罩全新未使用，B 防風罩使用了3 個月，C 防風罩使用了1 年以上且表面已老化并吸附許多雜質(zhì)，分別測試每個樣品與出廠設(shè)計頻響的偏差。測試結(jié)果如表2 和圖3 所示。

表1 2020 年全國城市各類功能區(qū)監(jiān)測點次

圖3 防風罩頻率響應(yīng)曲線

通過以上測試數(shù)據(jù)可以看出，A、B 防風罩的頻響偏差與出廠設(shè)計的值相差較小，而使用時間較長的C 防風罩則在低頻和中高頻中都產(chǎn)生了較大的偏差，對環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀的測量結(jié)果影響相對較大，應(yīng)停止使用該防風罩。進行定期檢定在一定程度上也有助于排查出有故障的部件。

4.2 傳聲器對測量的影響

某用戶將一臺戶外噪聲監(jiān)測儀送計量院進行計量，經(jīng)過計量院反饋的信息，該儀器外觀檢查完好，但是計量出來的結(jié)果超出允許范圍。用戶得到反饋信息后送廠家進行檢查維修發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測儀傳聲器出現(xiàn)故障，更換傳聲器后再送計量院進行計量，結(jié)果表明監(jiān)測儀計量數(shù)據(jù)合格。具體如表3 所示。

從表3 可以看出，維修前監(jiān)測儀在高頻段的數(shù)值超差或接近允許臨界值，《計量法》規(guī)定，對實行強制管理的計量器具目錄中直接用于交易結(jié)算、安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的計量器具，實行計量檢定。計量檢定應(yīng)當執(zhí)行國家計量技術(shù)規(guī)范。未經(jīng)計量檢定或者計量檢定不合格的，不得使用。儀器計量特性不滿足規(guī)程要求的，代表儀器測量的數(shù)據(jù)偏離實際值，如果相關(guān)部門使用該類不符合要求的儀器進行數(shù)據(jù)采集，上報到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就會影響大數(shù)據(jù)的可靠性，會對相關(guān)部門的評價造成不可忽視的影響。

表2 測試結(jié)果

表3 計量結(jié)果

5 結(jié)語

計量器具在長期使用中難免會出現(xiàn)一些問題，某些計量特性是使用人員無法確定的。由于使用人員并非專業(yè)的計量技術(shù)人員，沒有專用的且經(jīng)過相關(guān)部門授權(quán)檢定的裝置，難以確認儀器的工作狀態(tài)是否滿足技術(shù)規(guī)范和技術(shù)法規(guī)的要求，測量數(shù)據(jù)存在不準確的風險，因此對這些儀器定期的計量檢定是非常必要的，一旦出現(xiàn)問題可以及時糾正。

環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀是開展區(qū)域聲環(huán)境監(jiān)測、道路交通聲環(huán)境監(jiān)測和功能區(qū)聲環(huán)境監(jiān)測等工作的核心設(shè)備，其使用環(huán)境較為苛刻，采集準確可靠的測量數(shù)據(jù)才能精準掌握城市聲環(huán)境質(zhì)量狀況。定期對環(huán)境噪聲自動監(jiān)測儀進行計量，確保其各項指標符合規(guī)范，對于獲得真實、準確、穩(wěn)定、可靠的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)至關(guān)重要。