声波的基本性质及其传播规律.ppt

第二章 声波的基本性质及其传播规律 第一节 声波的产生及其描述 一 声波的产生 1 声源 2 声波的形成声源的振动引起其周围弹性媒质的振动而产生声波 声波可以在空气 液体和固体中传播 在空气中 声波是纵波 在固体和液体中既可能存在声波的纵波 也可能存在横波 注意 纵波和横波都是通过相邻质点间的动量传递来传播能量的 而不是由物质的迁移来传播能量的 二 描述声波的基本物理量 1 波长2 周期3 频率4 声速 第二节声波的基本类型 一般常用声压来描述声波 根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成 1 平面声波 2 球面声波 3 柱面声波 一 平面声波 当声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时 就称其为平面声波 波阵面是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线 通常可以将各种远离声源的声波近似的看成平面声波 二 球面声波 声源的几何尺寸远小于声波波长时 或者测量点离声源相当远时 可以将声源看成一个点 称为点声源 在各相同性的均匀媒质中 从一个表面同步胀缩的点声源发出的声波是球面声波 也就是在以声源为球心 以任何R值为半径的球面上声波的相位相同 球面声波的一个重要特点 振幅随传播距离R的增加而减少 二者成反比关系 三 柱面声波 波阵面是同轴圆柱面的声波称为柱面声波 其声源可看作 线声源 柱面声波的振幅随径向距离的增加而减少 与距离的平方根成反比 四 声线 声线也叫声射线 是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 声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线 当声频率较高 传播途径中遇到的物体的几何尺寸比声波波长大很多时 可以不计声波的波动特性 直接用声线来处理 五 声能量 声强 声功率 1 声能量声波使媒质质点在平衡位置附近往复运动 产生动能 其又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程 使媒质具有变形的势能 这两部分能量之和就是由于声扰动使媒质得到的声能量 声场中单位体积媒质所含有的声能量称为声能密度 2 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称为瞬时声强 对于稳态声场 声强是指瞬时声强在一定时间T内的平均值 3 声功率将单位时间内通过某一面积的声能称为声功率或者声能通量 声源在单位时间内发射的总能量称为声源功率 第三节 声波的叠加 一 相干波当有两个以上的声源同时存在 其声波频率相同 振动方向相同且存在恒定的相位差 则其合成的声波的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 此现象称为干涉现象 这种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 二 驻波当几个声源合成的声波的声压值随空间不同位置有极大值和极小值分布的周期波为驻波 其声场称为驻波声场 驻波的极大值和极小值分别称为波腹和波节 三 不相干波几个声源产生的声波在频率上不同 或者不存在固定的相位差 则称为不相干波 不相干波叠加后的合成声场不会出现驻波现象 四 声音的频谱实际生活中的声音都不会是单个频率的纯音 一般是由不同频率组合而成的复合声 以频率为横轴 以声压为纵轴 可以绘出声音的频谱图 对于周期振动的声源 其产生的声音是线状谱 对于线状谱声音可以确定单个频率处的声压 第四节 声波的传播 声波在空间传播的过程中会遇到各种障碍物或者不同媒质的界面 这就会产生声波的反射 透射 折射和衍射现象 声波的这些特性与光波十分相近 一 垂直入射声波的发射和透射 当声波入射到两种媒质的界面时 一部分会经界面反射返回到原来的媒质中 称为反射波 一部分将进入另一种媒质中称为投射波 示例见图2 6 二 斜入射声波的入射 反射和折射 当声波倾斜入射于两媒质的界面时 会产生声波的反射和折射 反射波与法向成Qr角 在第二个媒质中 透射声波与法向成Qt角 投射声波与入射声波不再保持同一传播方向 形成声波的折射 入射声波 反射声波与折射声波的传播方向满足Snell定律反射定律 Qi Qr折射定律 sinQi sinQr c1 c2 三 声波的散射与衍射 如果障碍物的表面很粗糙或者其大小与波长差不多 入射声波就会想各个方向散射 总声场是由入射声波与散射声波叠加而成的 对于低频情况 在障碍物背面散射波很弱 总声场基本等于入射声波产生的声场 即入射声波能够绕过障碍物传到其背面形成声波的衍射 波长越大 衍射现象越明显 四 声像 当声波频率较高 传播途径中遇到的障碍物的几何尺寸相对于声波波长大很多时 可以不考虑声波的波动特性 直接用直线来讨论声传播问题 入射波遇到障碍物表面而产生反射 反射波可看成从一个虚声源发出的 此虚声源称为该声源的声像 第五节级的概念 日常生活中人们遇到的声音的强度变化范围非常宽 对于这么广阔范围的能量变化 直接使用声功率和声压的数值来表示很不方便 另外人耳对声音强度的感觉并不正比于其强度的绝对值 而是更接近于正比于其对数值 因此要使用对数标度 级的概念 一 分贝的定义 用对数标度时必须先选定基准量 参考量 然后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 如果所取对数是以10为底 则级的单位为贝尔 其1 10称为分贝 若所取对数是以e为底 则级的单位称为奈培奈培与分贝的关系 1Np 8 686dB 二 噪声的物理量度 一 声压和声压级 二 声功率和声强 三 声功率级和声强级 一 声压和声压级 声波是疏密波 在空气中传播时 它使空气时而变密 压强增高 时而变稀 压强降低 这种在大气压力上起伏的部分就是声压 声压是衡量声音大小的尺度 通常用p来表示 单位为Pa 声学上普遍使用对数标度来度量声压 称为声压级 其定义是声压平方和1000Hz纯音的听阈声压平方比值的对数 单位是贝尔 二 声功率和声强 声功率是描述声源性质的物理量 声功率反映的是单位时间内声源向外辐射的总能量声强与声压幅值的平方成正比 声强还与传声媒质的性质有关 三 声功率级和声强级 以1pW为基准 定义声功率级为式中Lw 声功率级 单位为dB 声强级是以1000Hz纯音的听阈声强值1pW m2为基准定义的 即 三 级的叠加 进行级的叠加时要进行对数运算 具体见课本P24的公式2 42不相干的两个相同声压级的叠加是增加3分贝 若Lp1比Lp2高出10分贝以上 则总声压近似等于Lp1 注意 若两个声源发出的是相干波 这时应先由公式2 20求出瞬时声压 再由瞬时声压求出总声压的有效值 然后根据定义求出总声压级 四 级的相减 在噪声测量时往往受到外界噪声的干扰 需要从总声压级中扣除设备停止运行时的背景噪声声压级 这就是级的相减 注意 级的相减是声能量相减 第六节 声波在传播中的衰减 声波在传播过程中引起的衰减包括 声能随距离的发散传播引起的衰减Ad空气吸收引起的衰减Aa地面吸收引起的衰减Ag屏障引起的衰减Ab气象条件引起的衰减Am 一 声能随距离的发散传播引起的衰减Ad 声波从声源想周围空间传播时会产生发散在自由声场中 当声功率不变时 则声强与距离的平方成反比的规律减小 从距离R1传播到R2时的发散衰减为 二 空气吸收的附加衰减Aa 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损耗 称为空气吸收 这种吸收称为经典吸收 当声波的频率接近空气分子转动或振动的固有频率时 会发生能量交换 能量交换的过程都有滞后的现象 这种现象称为弛豫吸收 三 地面吸收引起的衰减Ag 当声波沿地面传播时 会受到各种复杂的地面条件的影响而产生附加衰减 短距离 30 50米 其衰减可以忽略 在70米以上则不能忽略 不同的地面情况引起的声波衰减是不同的近似计算公式为 Ag1 0 18lgf 0 31 df 频率d 传播距离 四 声屏障引起的衰减Ab 当声源与接收点之间存在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 声波遇到声屏障时会产生反射 透射和衍射现象 声屏障的作用就是阻止直达声的传播 隔绝透射声 并使衍射声有足够的衰减 五 气象条件引起的衰减Am 雨 雪 雾等对声波的散射会引起声能的衰减 但影响较小 大约1000米衰减不到0 5dB 风和温度梯度对声波传播的影响很大 第七节 声源的辐射 一 点声源可看作点声源的条件 声波波长远大于声源半径 二 声偶极子 两个相距很近的点声源 他们的振动幅值相同 但是相位相反 由这两个点声源构成的合成声源称为声偶极子 声偶极子产生的声压在空间的分布有很强的方向性 在声偶极子轴线方向cosQ的绝对值 1 声压最大 在垂直轴线的中线方向cosQ 0 声压为0 对于同样源强Q 声偶极子产生的声源比点声源的声压要小得多 声辐射功率正比于声压幅值的平