噪声污染控制声波的基本性质及其传播规律.doc

17第二章.声波的基本性质及其传播规律A、 教学目的1.声波的基本性质及其传播规律(C：理解)2.声波传播现象(B：识记)B、教学重点(1)声波的基本特性 声源；波动；声波的传播特性 (2)噪声的客观物理量度 声强、声压、声功率；声强级、声压级、声功率级；分贝相加、分贝相减、分贝平均；频程和滤波器；频谱和频谱分析；噪声的掩蔽效应。C、教学难点1、声波的传播特性、级、频谱、掩蔽效应的概念2、声波传播的现象知识。D、教学用具多媒体幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排4(6)课时G、教学过程基本概念：声源：凡能产生声音的振动物体。P7纵波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致的声波。P7横波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相互垂直的声波。P7声压：声源振动、传递，会造成邻近空气压强的起伏变化，其压强的起伏变化量p，即与静态压强的差p=(P-Po)。P8频率：单位时间的振动次数，单位赫兹（Hz）,1Hz=1s-1。P8振幅：振动波离开平衡处的最大位移。P10波阵面：音波传播空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。P10平面声波：当波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时的声波。一般远离声源的声波近似的看作为平面声波。P10波前：声波传播时处于最前沿的波阵面。P10波数：,其中角频率，声速。P10声阻抗率：，声压；质点振动速度；p11点声源：当声波的几何尺寸比声波波长小得多时，或者测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成为一个点，称为点声源。P12线声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一条线时的声源。P32面声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一个面域时的声源。P34球面声波：在各向同性的均匀媒质中，从一个表面同步涨缩的点声源发出的声波，也就是在以声源点为球心，以任何r值为半径的球面上声波的相位相同。P12柱面声波：波阵面是同轴圆柱面的声波，其声源一般可视为“线声源”。P12声线：自声源发出的代表能量传播方向的直线。在各向同性的媒质中，声线就是波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。各向异性的媒质中，则有所区别。P13声能量：声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能，另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。两部分能量之和就是声扰动使媒质得到的声能量。P13瞬时声强：声场中某点处，与质点速度方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的声能，是一矢量。P14声强：对于稳态声场，瞬时声强在一定时间T内的平均值。P14声功率：声源在单位时间内发射的总能量。或是单位时间内通过某一面积的声能。P14干涉现象：在空间某些位置振动始终加强，在另一些位置振动始终减弱，此种现象即为干涉现象。P15相干波：具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的声波称为相干波。P15驻波：声压值PT随空间不同位置有极大值和极小值分布的周期波。P15驻波声场：驻波传播的空间声场。P15频谱图：以频率f为横轴，以声压p为纵轴绘出的声音的频率谱线图。P16基频：与振动周期相同正弦形式的频率。P16谐波：频率等于基频的整数倍的正弦形式称为谐波。P16谱密度：，其中声压，某频率附近的带宽。P16反射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面反射回原来的媒质中，即为反射声波。P17透射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面进入另一种媒质中成为透射声波。P17级：对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级”。P22声压级：，其中：p被量度的声压有效值，p0基准声压。P22声强级：，其中：I被量度的声强，I0基准声强。P22声功率级：，其中：W被量度的声功率平均值，W0基准声功率。P23空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而耗损，称为空气吸收。P26声屏障：当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。P282.1.声波的产生及描述方法l 声波的产生 噪声也是声音，其具备声音的一切属性，声学理论可直接引用。声音形成的三要素：a. 声源一切声音均由振动所引起，凡发出声音的振动体称为声源。声源可以是固体、液体或气体，可能还有等离子体。但非所有振动源均为声源，例：慢慢招手无声。作为声源的物体振动，对其振动频率及振动能量是有一定要求的，正常人耳可听频范围为2020KHz，低于20Hz为次声，高于20 KHz为超声。b. 传播方法所谓振动即指质点在其平衡位置附近的往复运动，要使声源振动能传播，形成声音，则要求传播介质是连续的且具有质量和弹性，可解释如下：把介质划为一个个相连的体积元A、B、C、D，声源的振动就是通过这连续的体积元传递出去的，由于体积元具有一定质量，故具有惯性力的使各体积元在回到平衡位置时能继续向另一侧运动，振动继续。由于体积元的弹性产生反抗拉伸或压缩的弹性力使其在平衡位置附近来回地振动。在真空中，由于介质连续，弹性、质量等要求均不具备，故声音在真空中不传播。介质连续、惯性和弹性是传播声音的必要条件。应该注意，声音传播只是振动形式（振动能量）的传播，介质各质点本身在声波作用下并不传播，仅在其平衡位置附近来回地振动。（从分子统计观点看）振动的传播波动机械性振动的传播过程机械性质的波动，称为声波。声波波及的空间称为声场。c. 接收器（人耳）噪声控制中主要是考虑噪声对人的影响及危害，故接收器主要指人耳。不波及人的声波不成其为噪声。l 描述声波的基本物理量当声源振动时，其邻近的空气分子受到交替的压缩和扩张，形成疏密相间的状态，空气分子时疏时密，相应的大气压也变得时大时小。依次向外传播如下图所示。传播的速度是有限的。 声压p、波长、频率f(Hz)、声速c、周期T、质点相位 ； 。空气中声速：，其中：t空气的摄氏温度，。介质不同时，如20C以下：空气中 c=344m/s水中 c=1450m/s钢中 c=5000m/s声压：声源振动、传递，会造成邻近空气压强的起伏变化，其压强的起伏变化量p，即与静态压强的差p=(P-Po)。P8 由于人耳膜的惯性作用，并不能辨别声压的瞬时起伏，而只是有一个稳定的有效声压的响应。l 声波传播的物理过程声波传播时，媒质中各点的振动频率都是相同的，但是，在同一时刻各点的相位不一定相同，同点不同时刻也会有不同的相位。在研究中涉及到波传递的研究就必需研究这方面的变化，如声波传递过程中的迟滞现象，振动中的阻尼现象，乃至光传递中的阻滞研究。（这些研究包含的除了时间变量，还含有方向变化等影响变量） 左图中，当A质点处于最大压缩状态时，B、C、D质点出的压强依次减弱，这就是说质点间在振动相位上依次落后，存在相位差。 正是由于各个质点的振动在时间上有超前和滞后，才在媒质中形成波的传播。可以看出，距离为波长的两质点间的振动状态是完全相同的，只不过后者在时间上延迟了一个周期。2.2.声波的基本类型 l 在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程是： ，其中：c声速，t时间由上述方程得出：声波的传递是三维立体，全空间传递的。声波的传递受时间、媒质、温度、声压、波长、频率影响。具有各向同性的声波传递，理论上可以定向描述，既可以二维平面，或是一维/单向描述。l 如根据波面形状（时间、媒质、波长因素）分析可定义平面声波、球面声波、柱面声波。平面声波：当波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时的声波。一般远离声源的声波近似的看作为平面声波。如：管道中的活塞往复运动时，在管内同一截面上各质点将同时受到压缩或扩张，具有相同的振幅和相位，这就是平面声波。如果管道始端的活塞以正(余)弦函数的规律往复运动，则称为简谐振动。在均匀理想流体媒质中，小振幅平面声波的波动方程为：(均匀理想流质媒质中：无能量耗损)如果观察在某一确定时刻时声波在空间沿各方向分布的情况，其波形如图(a)所示。如果要观察在空间定点位置处声波随时间的变化情况，其波形如图(b)所示：（如上例中的活塞偏离平衡位置的距离） ：声速是声音或者说是声波振幅的传播速度，也是声能量的传递速度。而声阻抗中的指媒介质点的上下振动速度（）。(P10)式中：称为质点振动的速度振幅，单位：帕(斯卡)秒每米(Pas/m)。球面声波：在各向同性的均匀媒质中，从一个表面同步涨缩的点声源发出的声波，也就是在以声源点为球心，以任何r值为半径的球面上声波的相位相同。其波动方程为：(r为球半径)柱面声波：波阵面是同轴圆柱面的声波，其声源一般可视为“线声源”。最简单的柱面声波声场与坐标系的角度和轴向长度无关，仅与径向半径r相关。对于远场简谐柱面声波有： ，可见，随径向距离增加，声压振幅减少，且与距离平方根成反比。上述介绍均为理想状态，实际中可视情况近似点声源、线声源处理。2.3.声波的叠加前面讨论的各类声波都是只包含单个频率的简谐声波。而实际遇到的声场，如谈话声、音乐声、机器运转声等，不只含有一个频率或只有一个声源。这样就涉及到声的叠加原理，各声源所激起的声波可在同一媒质中独立地传播，在各个波的交叠区域，各质点的声振动是各个波在该点激起的更复杂的复合振动。在处理声波的反射问题时也会用到叠加原理。 声波的叠加属于能量的叠加：即按照能量叠加原则进行声波声压的叠加。 声波的能量主要包括了媒质的传递过程中的粒子动能与粒子间相对的势能。 当为瞬时声压时，由于方向矢量的忽略，可视为声压的直接相加，即： 有效声压的加合：当非瞬时声压，需考虑振动方向等时，则必须考虑矢量加和，按照能量加和原则进行加和。（参见声能密度：）类同于：能量加和：如声能密度的加和，即从能量角度考虑，合成后总声场的声能密度： 其中：，（时的特例）l 不相干声波：在一般的噪声问题中，经常遇到的多个声波或者是频率互不相同，或者是相互之间并不存在固定的相位差，或者是两者兼有，也就是说，这些声波是互不相干的。这样对于空间某定点，不再是固定的常值，而是随时间做无规变化，叠加后的合成声场不会出现驻波现象。2.4.声波的反射、透射、折射和衍射声波在空间传播时会遇到各种障碍物，或者遇到两种媒质的界面。这时，依据障碍物的形状和大小，会产生声波的反射、透射、折射和衍射。声波的这些特点与光波相近。反射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面反射回原来的媒质中，即为反射声波(P17) 。另一部分会经界面进入另一种媒质中成为透射声波。(P17) 以平面声波为例: 入射声波pi垂直入射到媒质I和媒质的分界面，媒质I的特性阻抗为，媒质的特性阻抗为，分界面位于处。所谓的分界面是相当薄的一层，因此在分界面两边的声压是连续相等的： 且因为两种媒质在界面密切接触，界面两边媒质质点的法向振动速度也应该连续相等，即： 将在媒质I中沿正x方向传播的入射平面声波表示为： 其中 当入射到x=0处的分界面时，在媒质I中产生沿负x方向传播的反射波，在媒质中产生沿正x方向传播的透射声波，分别表示为：其中 在媒质I中的声压：在媒质中的声压：相应的质点振动速度:在媒质I中的振动速度：在媒质中的振动速度：在x=0处, 质点声压和振动速度连续,则有: 由边界条件式可得下列衡量指标系数.专业衡量指标为声压的反射系数和透射系数:专业衡量指标为声强的反射系数和透射系数:验证表明符合能量守恒定律。l 斜入射声波的声学特性：A.入射声波、反射声波、折射声波满足Snell定律：说明声速和方向等时变化的关联性。B.边界条件截面垂直方向的一致性。C吸声系数：入射声波在界面上失去的声能（含透射声能）与入射声能之比。说明：斜入射会造成声能损失，即吸声系数与方向相关。l 声波的散射与衍射 障碍物的表面粗糙时(主要存在表面起伏与声波波长相当时)，或者障碍物的大小与声波波长差不多时，入射声波会向各个方向散射，此时，障碍物周围的声场是由入射声波和散射声波叠加而成。散射声波的图形主要受传递方向与障碍物形状的影响。 当入射声波绕过障碍物传导其背面形成声波的传递，即称为声波的衍射。一般，声波越长，这种现象越明显。声波波长较短时，或声波频率较高(声速一定)时衍射现象较弱。l 声像a 声波频率较高时，声波的反射性能突出，可采用声像处理方法进行声波的声压计算，从而达到简化复杂声源的声传递问题。使得某点(书中是R点)的声压视为实际点声源球面与虚声源的球面声波之和。b 反射面为刚性界面时，虚声源的强度应乘以反射系数。2.5.级的概念日常生活中，正常说话声的声功率为10-5W，而火箭发射时的声功率高达109W；夜深人静时，声压级可为30dB左右，而日常街面上声压级可达6090dB，甚至更高。一句话，声音的能量变化范围很广。而刚才提到的级概念即指：对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级”。（P22）以10为底，则级的单位为贝尔(B)，如拆分10档，则级的单位为分贝(dB)；如果以e=2.71828为底，则级的单位为奈培(Np)：l 声压级：用表示，定义为： （d B）式中：p被量度的声压的有效值；p0基准声压，为20Pa，即2310-5Pa，也即正常青年耳朵刚能听到的1000Hz纯音的声压值。常识：人耳的分辨能力为0.5dB。正常情况下，令人疼痛的声压级为120dB。l 声功率级：用表示，定义为： （d B）式中：W被量度的声功率的平均值； W0基准声功率，即10-12W；l 声强级：用表示，定义为： （d B）式中：I被量度的声强； I0基准声强，即10-12W/m2；l 级的叠加：由于级是对数量度，因此求几个声源的共同效果时，不能简单地将各自产生的声压级数值算术相加，而是需要进行能量相加。对于不会产生干涉现象的噪声源，则其总声压： （声压指有效值）将上式代入下式参变量，则由此可推得级相加的最后公式：也可由两个声压级差求声压级的相加结果：既可由下图两个声压级差，查出总声压级： （其中为两个声压级中的低值）l 级的相减：（类同于级的相加）H、板 书第二章.声波的基本性质及其传播规律2.1.声波的产生及描述方法l 声波的产生 噪声也是声音，其具备声音的一切属性，声学理论可直接引用。声音形成的三要素：d. 声源e. 传播方法f. 接收器（人耳）l 描述声波的基本物理量l 声波传播的物理过程2.2.声波的基本类型 l 在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程是： ，其中：c声速，t时间l 如根据波面形状（时间、媒质、波长因素）分析可定义平面声波、球面声波、柱面声波2.3.声波的叠加l 不相干声波2.4.声波的反射、透射、折射和衍射l 斜入射声波的声学特性：A.入射声波、反射声波、折射声波满足Snell定律：B.边界条件截面垂直方向的一致性。C吸声系数 l 声波的散射与衍射 l 声像2.5.级的概念l 声压级：l 声功率级l 声强级l 级的叠加l 级的相减I、 课堂作业：无，课后作业：根据进度选第二章16题中3题。B、 教学目的1.声波的基本性质及其传播规律(C：理解)3.声波传播现象(B：识记)B、教学重点(1)声波的基本特性 声源；波动；声波的传播特性 (2)噪声的客观物理量度 声强、声压、声功率；声强级、声压级、声功率级；分贝相加、分贝相减、分贝平均；频程和滤波器；频谱和频谱分析；噪声的掩蔽效应。C、教学难点1、声波的传播特性、级、频谱、掩蔽效应的概念2、声波传播的现象知识。D、教学用具多媒体幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排2(6)课时G、教学过程基本概念：声源：凡能产生声音的振动物体。P7纵波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致的声波。P7横波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相互垂直的声波。P7声压：声源振动、传递，会造成邻近空气压强的起伏变化，其压强的起伏变化量p，即与静态压强的差p=(P-Po)。P8频率：单位时间的振动次数，单位赫兹（Hz）,1Hz=1s-1。P8振幅：振动波离开平衡处的最大位移。P10波阵面：音波传播空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。P10平面声波：当波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时的声波。一般远离声源的声波近似的看作为平面声波。P10波前：声波传播时处于最前沿的波阵面。P10波数：,其中角频率，声速。P10声阻抗率：，声压；质点振动速度；p11点声源：当声波的几何尺寸比声波波长小得多时，或者测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成为一个点，称为点声源。P12线声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一条线时的声源。P32面声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一个面域时的声源。P34球面声波：在各向同性的均匀媒质中，从一个表面同步涨缩的点声源发出的声波，也就是在以声源点为球心，以任何r值为半径的球面上声波的相位相同。P12柱面声波：波阵面是同轴圆柱面的声波，其声源一般可视为“线声源”。P12声线：自声源发出的代表能量传播方向的直线。在各向同性的媒质中，声线就是波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。各向异性的媒质中，则有所区别。P13声能量：声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能，另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。两部分能量之和就是声扰动使媒质得到的声能量。P13瞬时声强：声场中某点处，与质点速度方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的声能，是一矢量。P14声强：对于稳态声场，瞬时声强在一定时间T内的平均值。P14声功率：声源在单位时间内发射的总能量。或是单位时间内通过某一面积的声能。P14干涉现象：在空间某些位置振动始终加强，在另一些位置振动始终减弱，此种现象即为干涉现象。P15相干波：具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的声波称为相干波。P15驻波：声压值PT随空间不同位置有极大值和极小值分布的周期波。P15驻波声场：驻波传播的空间声场。P15频谱图：以频率f为横轴，以声压p为纵轴绘出的声音的频率谱线图。P16基频：与振动周期相同正弦形式的频率。P16谐波：频率等于基频的整数倍的正弦形式称为谐波。P16谱密度：，其中声压，某频率附近的带宽。P16反射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面反射回原来的媒质中，即为反射声波。P17透射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面进入另一种媒质中成为透射声波。P17级：对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级”。P22声压级：，其中：p被量度的声压有效值，p0基准声压。P22声强级：，其中：I被量度的声强，I0基准声强。P22声功率级：，其中：W被量度的声功率平均值，W0基准声功率。P23空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而耗损，称为空气吸收。P26弛豫吸收：指空气分子转动或振动时存在固有频率，当声波的频率接近这些频率时要发生能量交换。并有能量交换的滞后现象。P26声偶极子：有两个具有相同振幅、相反相位的点声源构成的合成声源。P30声屏障：当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。P282.6.声波在传播中的衰减声在传递过程中将产生反射、折射、和衍射等现象，并在传递过程中引起衰减。主要有：声能随距离的发散传播引起的衰减；：声能由于空气吸收引起的衰减；：声能由于地面吸收引起的衰减；：声能由于屏障作用引起的衰减；：声能由于气象条件引起的衰减等等。故声传递过程中总的衰减值l ：声能随距离的发散传播引起的衰减：全空间：即向四周空间发散，以r为半径的球面面积为； 声强I与声功率W关系： r接收点与声源间的距离。 声压级：半空间：即向刚性面的上半空间发散，以r为半径的半球面面积为； 声强I与声功率W关系： r接收点与声源间的距离。声压级：从处传播到处时的发散衰减l ：声能由于空气吸收引起的衰减(一般可查书上表2-1)：空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而耗损，称为空气吸收。P26常温(20)时： 其中，f：声波频率，Hz； d：传播距离，m； ：相对湿度。不同温度时： 其中，：与20相差的摄氏温度；。弛豫吸收：指空气分子转动或振动时存在固有频率，当声波的频率接近这些频率时要发生能量交换。并有能量交换的滞后现象。P26l ：声能由于地面吸收引起的衰减：开阔的平地、大片的草地、灌木树丛、丘陵、河谷等均会产生地面吸收引起的衰减。一般对70m以上距离的非刚性地面衰减予以考虑。在地震、草原放牧、地表信号探测等方面应用。 书上给出了1000Hz的附加衰减公式，大家了解下即可，一般根据树木种类，草皮等种类变化较大。这个在实际当中要特别注意。l ：声能由于屏障作用引起的衰减：涉及到声波遇到屏障时的反射、透射、折射等声学现象，即声辐射的问题，需综合考虑，后面介绍。l ：声能由于气象条件引起的衰减：雨、雪、雾等对声波的散射会引起声能的衰减，但一般影响较小，每1000米不到0.5dB，可忽略不计。而风、温度梯度对声波的传播影响很大，见图示，温度、风速对声波的影响：2.7.声源的辐射声场中的声压大小、空间分布、时间特性、频率特性等都与声源的辐射性质密切相关。实际声源辐射的声波情况均很复杂，要详细的定量描述声场中声压与声辐射特性之间的关系很困难。如声辐射的辐射系数一般根据实际测量值确定，理论估值较难，偏差较大。声辐射与声源性质密切相关，下面分别对点、线、面声源分别分析：l 点声源：条件：a.声源表面各处作同振幅、同相位的振动。b.ka1(a为声源的线度)即a比小得多，其瞬时声压为(球面波的解)其中，：声源强度；a：声源线度，相当于距离声源的直线距离。l 有两个具有相同振幅、相反相位的点声源构成的合成声源，视为声偶极子。其瞬时声压为(球面波的解)由声偶极子引起的声源发散及上式可以知道：声压在空间不再均匀分布，而且有很强的方向性，在偶极子轴线方向，声压最大；在垂直轴线的中线方向，声压为零。为了描述声源的辐射特性随方向的变化，引入指向性因数： 式中：声功率为W的实际声源在距离r处方向的均方声压。：声功率为W的无指向性声源在距离r处的均方声压。 对于偶极子，有 ；对于同样的声源强度Q，一般声偶极子产生的声压要比点声源的小，辐射效率差。实际声源一般可能不满足点声源条件，可设想把声源表面S分成无限多个小面元ds，而ds上可认为是一个点声源，整个叠加得到空间一点的总瞬时声压。l 线声源：线声源