第二章 声学基础概述

6、声学基础与噪声测量,6.1.1 声波的产生声波来源于振动，是一种波动，这种波动是在弹性介质中进行传播的。人们所听到的声音，都是由于空气的震荡而形成了压力波动。由于空气具有弹性，随着振源体的振动，它周围的空气不断地疏密波动，使声波向远方传播。,声波产生的两个条件：声源；弹性媒质。 声波与振动的联系和区别：振动量仅是时间的函数；声波不仅是时间的函数，还是空间的函数；声波是一种能量流，而不是一种质量流。,由于介质振动的方向不同，波动分为横波与纵波。横波质点振动方向与波的传播方向垂 直的波。纵波-质点振动方向与波的传播方向相 同的波。空气中传播的声波为纵波。,6.1.2频率、波长和声速对人耳来说，只有2020000 z的振动才产生声音的感觉。高于20000Hz的声波叫超声，低于20 Hz 声波叫次声，人耳对超声和次声都无法感知。传声介质质点振动一次，声波所传播的距离称为波长，用表示，单位为米（m）。声速、频率和波长之间的关系为c/。,波长，频率f(或周期） 时间域： ，f的概念同振动中的概念； 空间域：一个完整声波的长度称“波长”（米）声速c每秒钟声波传播的距离。单位：m/s 声源每振动一次，声波在空间前进一个波长：c= f 声速的大小取决于媒质的特性： 和媒质的弹性模量与密度的比值的平方根成正比。20oC时：空气中声速 c=343m/s 水中声速 c=1450m/s 钢中声速 c=5000m/s,6.1.3声压、声强及声功率有声波存在的弹性介质空间称为声场。边界影响可以忽略的均匀介质中的声场称为自由声场。声压p是描写声场中声波量级的物理量。当有声波传播时，对某一点来说，其空气压力将随时间而发生变化，声波的声压定义为空气中有声波传播时，声场中某点的瞬时压强与没有声波通过时的空气静压强之差值，简称“帕”（Pa）。,声压衡量声波强弱的物理量。声压是一种逾量压力，可正也可负。,p声压；P空气绝对压力； P0平衡状态压力。p=P- P0单位：Pa（帕） （1 Pa=1N/m2),声压是时间与位置的函数。声压反应了声波的强弱程度，通常用对时间的均方根来表示： 称为有效声压。 以后所涉及的声压，除非特别指明，均为有效声压。,在现实的环境中，声波是由许多种具有不同频率的“纯音”所组成的，多个频率的合成音的有效声压与各单个“纯音”的有效声压间可用如下关系合成：由于声压易于用通常的仪器测得，因此它是噪声测量中比较重要的一个物理量。,声强定义为在单位时间内，与声波方向垂直的单位面积上所通过的声能量，单位是瓦米2（m2）。声强由于具有方向性，因此是一个矢量，它的指向就是声波传播的方向。声功率是在单位时间内，通过垂直于传播方向的面积的平均声能量，单位为瓦（），其表达式为 声功率是描述声源强弱的物理量。,6.1.4 声波方程声振动作为一种宏观物理现象,满足物理学基本定律,即牛顿第二定律、质量守衡定律，以及描述压强、温度与密度关系的物态方程。通过这些定律，就可用数学形式定量地描述声压p、质点速度与密度的变化关系，进而建立声压随空间和时间的变化关系，即波动方程。,基本概念1.声波波动方程(简称声波方程) 描述波动的数学 形式，是声学计算的基本关系式。 形式偏微分方程，是位置与时间的函数。 解声波波动方程的目的求得声场中某一场量,如声压随时间、空间自变量的变化规律，描述声场的特征。2.“质点”大小可变的微团。(1)微观上足够大，可视为连续，微团内分子做 无规运动，总体平均速度为零；(2)宏观上体积足够小，质点内各部分物理特性 如密度、温度、压力、振动速度等视为均匀；(3)质点既具有质量，又有弹性，可压缩存储。,3、声场的基本参数 声场存在声波的空间。,(1)声压p：(2)质点振速u ：(3)密度增量：(4)温度增量T ：,其中：平衡状态下参数P0， U0，0 和T0； 绝对参数 P(x,y,z,t), U(x,y,z,t), (x, y, z, t) 和T(x,y,z,t)。,4、四个基本假设(1). 介质为理想流体，不存在粘性，声波在其中传播中无能量耗散。(2). 介质是均匀连续的。 (3). 声波传播过程是绝热过程。(4).介质中传播的是小振幅压力波。各声学参量都是一级微量，远小于平衡状态的参数：pP0， uC ，。例 在一个大气压(105Pa)、200C空气中1000Hz单频波，声压级为130dB（非常高）,三个基本方程 思路 3个场量 3个基本方程 p 运动方程（牛顿第二定律） u 连续方程（质量守恒定律） 状态方程（气体定律）,运动方程声压对空间位置的梯度,表示压力p和质点振速u之间的关系，等于介质密度和质点振动加速度乘积的负值，即,连续方程描述介质密度增量与质点振速u之间的关系。就是质量守衡定律，即介质单位时间内流入与流出体积元的质量差，应等于该体积元内质量的增量。,物态方程 描述声压p与介质密度增量之间的关系 式中理想介质的声速,（4）波动方程根据理想介质的上述三个方程，可导出小振幅声波的波动方程：当已知声场的边界条件和初始条件时，就可以求解上述声波方程，从而可以深入了解和认识声传播的规律和声场特征。,6.1.5 声波的传播声源辐射的声波在某一时刻到达各点所形成的面称为波阵面或波前，声波传播的方向常用声线表示。按照波阵面的形状，可把声波分为球面波、平面波和柱面波等。球面波是以点声源为中心，在各向同性介质中均匀地向四面八方辐射，因而呈现出球面的波阵面。球面波的声线为径向射线。,平面波的波阵面为一平面，且在传播过程中诸波阵面彼此平行，其声线为一簇平行线，沿着一个方向传播。在内燃机排气管道中传播的声波可近似看作是一种典型的平面波。柱面波的波阵面为同轴柱面,车船在行驶中发出的噪声可近似的认为是柱面波。,声阻抗率与介质特性阻抗 声阻抗率Zs声场中某位置的声压p与该位置的质点振速u的比值，单位为 瑞利(N.S/m3):,平面波的声阻抗率平面波声压：,该处的质点振速：,所以平面波的声阻抗率为,介质的特性阻抗数值0c定义为介质的特性阻抗。它是介质的一个固有常数，具有声阻抗率的量纲，在声学中具有特殊的地位。 在一个大气压、200C条件下， 0=1.21kg/m3, C=343m/s, 则空气的特性阻抗0C=415瑞利。 所以，平面波声场中的声阻抗率数值上处处与介质的特性阻抗相等。,声波的反射与折射 反射与折射定律反射定律：反射线、入射线和界面的法线在同一平面内，且反射角等于入射角。折射定律：折射线、入射线和界面的法线在同一平面内，且-可见，声线发生折射是由两种介质中的声速不同所决定的。因此，即使在同一种介质中，若存在声速梯度也同样会产生折射现象。,反射系数和透射系数反射声波和折射声波的声压（1和2）、声强（1和2）与人射声波的声压（）、声强（）之比分别被称为声压反射系数、声强反射系数和声压透射系数、声强透射系数。声压反射系数为,声压透射系数为声强反射系数为声强透射系数为,由上述各式可知，声波在介质中传播时，反射系数和透射系数由两种介质的特性阻抗之比决定。因此，可以利用声波在多种介质传播过程中特性阻抗不相等就有反射波的原理，来控制噪声的传播。,声波的绕射与干涉声波在传播途中遇到障碍物或其他不连续性介质时，其波阵面发生畸变，这种现象称为声绕射和衍射。声波传播时，还可以互相叠加，这个现象叫做声波的干涉。两个频率相同的声波以同样相位到达某一点时，则两波互相加强合成声压为两波瞬时声压之和，如两波相位相反，则互相减弱和完全抵消，合成声压为两波瞬时声压之差。,产生干涉的波叫相干波。同时从两波源出发而到达相遇点时所经路程之差，叫波程差。在波程差等于零或波长的整数倍的各点声压加强，且达到最大；在波程差等于半波长的奇数倍的各点，两声波是反相的，声压减弱，且达到最小。,声波的衰减声波衰减量与传播距离和声波频率等有关，空间某点的声压幅值与离开声源的距离成反比。高频声波质点速度高，能量损耗也多，因此在相同的传播距离下，高频声波比代频声波衰减大。如果声波能量一定，则低频传播距离就大。,6.2 噪声的度量 精确的描述噪声，既离不开声波运动的物理特征，也离不开人们的生理声学和心理声学特征。 6.2.1 声级的概念与计算 级与分贝 从痛阈到听阈，声压的绝对值之比是106：1,即相差一百万倍，声强的绝对值之比是1012：1相差亿万倍。 级的概念 用对数标度，其本质是能量比和功率比。,声压级 基准声压 p0=210-5Pa声强级 基准声强 I0=10-12W/m2,声功率级,基准声功率 W0=10-12W,声压级、声强级和声功率级的单位为分贝（d）。用分贝计算噪声，既简便又较为符合生理感觉， 用分贝值来表示噪声的强弱，已被国际所公认。各种“级”的分贝值与声压、声强和声功率的换算关系见图（下图）。,噪声级的计算分贝既然是对数单位，其计算就不能按一般的自然数运算，它应当依照对数法则。噪声级相加设有n个噪声源同时存在时,合成声压级为:,(2)噪声源相减取某声源为被测对象，当此对象不发声时，该场所具有的噪声，称为本底噪声。两声源相减得：,声压级平均值的求法 一般情况下，噪声级的平均不能按算术平均计算。但当各噪声级相差小于5dB时，可按算术平均计算，其误差小于1分贝。当最大差值5dBLp10dB时：,3、声压级与声源距离的关系 （1）点声源的衰减量 当某声源的尺寸比由测点到声源的距离小得多时，该声源可视为点声源。（2）线声源的衰减量,（3）面声源的衰减量图6-6表示了发声面积的声压级衰减曲线。,6.2.2 频谱与频谱分析 频带或频程在作频谱分析时，把频率变化范围划分为若干较小的段落，叫做频带或频程，可以研究不同频带内噪声能量的分布情况。1/1倍频带及1/3倍频带频谱分析设f0为某频带的中心频带，f1和f2 分别为该频带的下限截止频率和上限截止频率。B= f2- f1为频带的带宽。,恒定百分比带宽的定义为：当n=1时为1/1倍频带： 下一个倍频带的下限截止频率为上一个倍频带的上限截止频率；, 两个相邻的倍频程频带的上、下限截止频率、中心频带和带宽之间均为相差一倍； 相对带宽B/f0 为70.7%； ISO规定在可听声范围内共有十条倍频带，它们的中心频率为：31.5，63，125，250，500，1K，2K，4K，8K，和16K(Hz)。 当n=1/3时为1/3倍频带： 上限与下限频率之比为1.26:1。一个倍频带可划分为三个倍频带，相对带宽为23%。,恒定带宽窄带频谱分析 随着数字信号处理技术及微型计算机的发展，各种FFT(快速傅立叶变换)分析仪或信号处理机都实现了数字化的恒定带宽窄带分析，有的还有细化技术(zoom)功能。可达到很高的分析精度。,几点说明 只有同类频谱方可比较频谱数据表示的是某中心频率对应的分析带宽内的总能量级，数值上等于频谱密度与带宽的乘积。在提供频谱分析结果一定要同时说明属于哪一类频谱。 白噪声频谱在所有频率上的幅值均等，即各频率的能量是均匀分布的噪声称为白噪声。 “粉红”噪声，其幅值随频率增大而迅速降低。 窄带噪声若在相当窄的频率范围内幅值显著高于其它频率的噪声称为窄带噪声，反之为宽带噪声。,6.3 噪声的主观评价 噪声的客观量度把噪声单纯的作为物理扰动，用描述声波的客观特性的物理量来反映。 噪声的主观评价涉及人耳的听觉特性，根据听者感觉到的刺激来描述。 而从人耳感知的角度出发，即使两个分贝值相同的噪声，如果其频率不同，也会产生强弱不同的感觉。这样就有一个噪声客观物理量与人耻主观感觉量的统一问题，从而提出了噪声主观评价。,6.3.1响度级 人耳对不同频率声音的灵敏度不同。 响度级把声压级和频率用一个概念统一起来的物理量，用Ln表示，单位为“方(Phon)”。 响度级定义是以1000Hz纯音为基音。响度级是对数表示的相对量，是与客观量声压级相对应的主观评价量。 响度级（）是一个表示声音响度的指标，它将声压级和频率用一个单一的数值“方”统一起来，既考虑了声音的物理效应，又考虑了人耳感觉上的生理效应，反映了人耳对声音的一种主观评价。,人耳等响曲线 ISO(国际标准化组织)在1961年公布了“人耳等响曲线”。,6.3.2 计权声压级为了使测声仪器的读数与人对声音的主观感觉相一致，需对仅能反映声音物理特性的测声仪器，根据人的听觉特性加以修正，即在测声仪器中设置计权网络。经过计权网络测得的读数，称为计权声级。计权网络是模拟人耻对等响曲线上40方（hon）纯音的响应。,B计权网络是模拟人耳对等响曲线上70方（hon）纯音的响应。计权网络是模拟人耳对100方纯音的响应。,经A计权网络滤波后所测得的总声压级叫做A计权声级，简称A声级，单位记作dB(A)。 用A声级测量可以更合适地反映噪声对人类的综合效应(包括听力损伤，烦扰度等)，并且易于对不同的测量结果进行比较，因此常把A声级作为噪声评价指标之一。,6.3.3 噪声评价数NR从听力损害、会话妨碍与烦恼程度等几个方面综合考虑的一种评价指标。,1971年ISO公布的噪声评价曲线规定，在确定NR数时，要采用个中心频率的倍频程频带声压级，将每个倍频程频带声压级按图所示的噪声评价民线换自成NR数，以其中最大的NR值作为被测噪声的NR数。,6.3.4 等效连续A声级为了把随时间变化的声级，变为等声能的连续稳定声级，ISO于1971年又公布了等效连续声级，这是当前被认为评价噪声的一种最佳方法。其定义为等效连续声级的含意为：对声场中某时间间隔内间歇暴露的n个不同声级的噪声，用能量平均的方法，以一个假想的连续不变的声级来等效地表示该段时间内该处噪声的大小，单位为dB（A）。,6.4 声源的指向性声源在不同方向上具有不同声辐射的性能，称为声源的指向特性。点声源为无指向性声源，面声源有较强的指向性。点声源为无指向性声源，面声源有较强的指向性。指向性因数是在声源轴向指定距离处的声强 ，与在同一位置上由声功率相同的点声源所产生的声强之比。,6.5 噪声测量A声级和倍频程声压级；测量窄带噪声频谱;测量指向性;测量振动。测量的主要对象-声音的主要特征为声压、频率、质点振速和声功率等。其中声压和频率是两个主要参数，所以也是测量的主要对象。,为了精确地测量声源辐射的声压，必须要有精密的传声器、放大器和记录仪器。由于电容传声器的输出阻抗很高，所以加前置放大器，进行阻抗变换。在两放大器之间通常还插入带通滤波器和计权网络。前者能够截取某频带信号，对噪声信号进行频谱分析；后者则可直读声级，以获得不同的计权声级。,6.5.1 噪声测量仪器 传声器直接测量声场的声压。灵敏度是传声器最重要的技术指标。传声器的灵敏度由下式表示： 电量输出机械量输入,传声器有压电式、电动式和电容式三种。 电容式传声器是目前较为理想的一种换能器，它主要由构成电容两个极板的振膜和背极组成。这种传声器灵敏度高，在很宽的频率范围内频率响应平直，输出性能稳定，一般在500C到1500C的温度范围内和100的相对湿度范围内几乎不变,声级计声级计是噪声测量中最常用的便携式仪器，可测量总声压级和各种计权声级。,放大器和衰减器声音通过传声器后，输出的电压是很微弱的，故声级计内必须有放大系统，包括输入放大器和输出方大器。 计权网络根据人耳对声音的响应特性，声级计中常用的频率计权网络有、C三种，其显示读数通常称之为声级。,指示表头快挡用于测量随时间起伏小的噪声，当快挡测量的噪声起伏大于dB时应换用慢挡。、脉冲和脉冲保持挡测量的是声压最大有效值。峰值保持挡测量的是声压峰值，即声压最大值。利用声级计进行噪声测量前，一般应进行校正。调节衰减器旋钮时，应使dB量程由大到小的方向调节。,滤波器在模拟信号分析中，带通滤波器是必不可少的仪器。它的作用是只让滤波器所确定的频率范围内的信号通过，而阻止其他分量的信号通过。（t）Sch（t）称为滤波器的振幅频率响应。即在通带内没有衰减，在通带外没有输出。见图6-16（下图）,频谱分析仪频谱分析仪是用来测量噪声频谱的仪器。它主要由两大部分组成，一部分是测量放大器，另一部分是滤波器。按滤波器频带宽度分为：恒定带宽频谱分析仪其通频带宽度始终等于中心频率的某一百分数。故通过的频带宽度是随中心频率的增大而增大的。等对数频宽式频度分析仪 即倍频程或1/3倍频程分析仪。,实时分析仪实时分析仪是可即时完成频谱分析的仪器。磁带记录仪 记录与重放。信号处理仪进行幅值域内的统计分析，时差哉内的相关分析和频率域内的频谱分析等。,6.5.2 噪声测量环境与测量方法 声场与声学环境许多噪声标准中，规定用测量声级来作为评判机器噪声的依据。事实上，声级的大小不仅取决于声源声能的大小，而且还取决于观测点与声源之间的距离以及声源所在的声学环境。所谓声场，就是指介质中存在声波的区域。声场的特征取决于它边界的声学性质。,有两种最基本的也是理想条件下的声场：即自由声场和混响声场。在均匀的、各向同性的、无边界的介质中，声源辐射的声波，能“自由”地传播，既无障碍物的反射，也无环境噪声的干扰，这样的声场称为自由声场。这里所指的边界影响，主要是声波的反射。换言之，自由声场是边界不存在反射的声场。目前较广泛地采用半消声室，即所谓半自由声场。,在均匀的、各向同性的介质中，存在强烈的边界反射的声场，称为混响声场。声波按不同方式在许多方向来回反射地传播，在先的声波逐渐衰减，在后的声波不断补充，达到动态平衡。这时，除紧靠壁面处和邻近声源处外，室内声场有可能达到如下状态：各点的平均能量密度相等；各点从各方向来的