《声音的基本性质》PPT课件

第二章声音的基本性质及其传播规律 第一节声波的产生及描述方法 是纵波 密处压力高 疏密往复运动的传播 空气质点并不移动质点在平衡处左右振动是机械波 退出 声源 凡是发出声音的振动体 称为声源 描述声波的物理量 声压P 频率f 波长 相位 传播介质 退出 除空气外 在液体 固体等弹性媒质中均可无切向恢复力而只有体积弹性时为纵波 气体 液体 在固体中可以纵波或横波两种形式传播 声压 空气中密处 P P0 静止大气压 疏处 P P0人耳及声级测量仪器均以声压为敏感量 人耳听阈2 10 5N m2 Pa 痛阈声压是20Pa 声压为正弦波规律 有效值为 Pe为有效声压 退出 波长 m 声速c m s 空气中 C 331 4 0 61t m s 一般可取340m s 15 20 钢中声速 5000m s 水中声速 1450m s 退出 频率 f Hz 1 s 周期T 1 f s 人耳可听的频率范围 次声 20Hz 20 000Hz 20k 超声 波长 17m 1 7cm语言声 100 4kHz 3 4m 8 5cm音频 环境声学 电声学 建筑声学 语言声学 心理声学 次声 地震 台风 核爆炸 退出 超声 医学诊疗 探伤 检验 焊接加工 乳化 清洁 催化 保险等 在音频范围内分低 中 高音频 1000Hz高相位 用于描述振动的状态及其传播关系的参数 行波 退出 第二节声波的基本类型 一平面声波 均匀的理想流体媒质中 小振幅平面声波的波动方程为 设 x 0 p 0 t p0cos t 是一个简谐波 2 f为振动的圆频率 其中f为频率至x处的传播时间为t x cp x t p0cos t t p0cos t x c 退出 定义波数k为 k c 2 长度为2 m 上含波长 的数目 则有 p x t p0cos t kx 振动速度为 ux p0 c cos t kx u0cos t kx 定义声阻抗率Zs为 Zs p0 u0 c Pa s m 称为媒质的特性阻抗 单位定义为瑞利对于空气 c 415 第二节声波的基本类型 二声能量 声功率和声强 定义 声源单位时间向外辐射的能量 记为W 量纲是 w W F u 作用力 速度 F p S 声压 表面积 则有 W S p u 是一个交变量时间平均值为 一 声功率 人讲话 约50 w 演员 5000 10000 w 汽车鸣笛 0 1w 喷气飞机 10kw 退出 同样Ue U0 1 414 其中 将p u的表达式代入积分得 是声压的有效值 均方根值 定义 单位时间垂直于波的传播方向上单位面积所通过的声能量 称为声强 退出 二 声强 对点声源 公式 定义 声场中媒质的单位体积内包含的声能量 称为声能密度 退出 三 声能密度 微元体积的声能量为 理想媒质中平面声波的声场中 平均声能密度处处相等波阵面 与传播方向垂直的包络面点源 球面波扬声柱 线源 柱面波面源 平面波 公式 第二章声音的基本性质及其传播规律 第三节声波的叠加 一般声压叠加 退出 两声源频率相同时 则 相位差 退出 此时产生干涉现象 出现驻波声场 只与空间位置有关 合成后声场的能量密度为 一般噪声频率不同 相位差随机变化 因此不出现驻波 退出 进行时间平均后 上述公式可以推广至n个声波叠加的情形注意 如果求某一瞬时的叠加值 则有 因此 第二章声波的基本性质 第四节声波的反射 折射 透射 散射和绕射 由边界条件 退出 声压反射系数 声压透射系数 同理类似可得到声强反射 透射系数 退出 由上式可见 符合能量守恒定律 材料吸声系数 介于0 1之间 E0 入射到材料表面的总声能Er 被材料反射回去的声能 几种简化情况 退出 1 硬边界 声波反射 大小相等 相位相同 界面声压加倍 媒质2中只有静压无声波 界面振动速度为0 声波反射后反相 界面上无声压 媒质2中亦无声波 但媒质1中产生驻波声场 2 软边界 非垂直入射时 退出 符合涅耳反射折射定律 墙面 圆弧 凹凸处理 锯齿形等 则不是定向反射 而产生 漫射 多方向均匀反射 剧场中常加 扩散体 散射 当 时 绕射 惠更斯原理 退出 则会产生声影 光波有立竿见影 高频声比较明显 可利用该原理设计路边屏障等 小孔 以之为新的源重新发散小障碍 可绕射而不受影响 发生绕射现象 与光波看似不同 产生影子 2 5级的概念 分贝 贝尔 B 10分贝 dB 是以10为底对各个物理量比值求对数 lg 奈培 Np 是以e为底对各个物理量比值求对数 ln 1Np 8 686dB 退出 2 5 1声压级Lp 定义 是正常人耳对1000Hz的最低可听声压 公式 上式也可写为 退出 人耳听觉范围 2 10 5Pa 20Pa 痛阈 相差100万倍相当于声压级 0 120dB 声压变化10倍 声压级变化20dB人耳的分辨力约为 0 5dB0dB不是没有声音 公式 退出 2 5 2声强级Li 定义 是人耳听阈下限 人耳听阈上限 I 1w m2 120dB 即 退出 由于I P2 c 相当于P0时 0c0 400 39 时 因此 空气中的声强级 声压级 数值上 L 0 29dB 0 0 16dB 20 退出 2 5 3声功率级Lw 定义 因此 人说话 10 5w 70dB 火箭发射 109w 210dB 退出 由于I W S 其中S指垂直于声传播方向的面积 m2 点源自由场 退出 例 点源在半自由场中距离r处声压级为Lp 求其声功率级和声功率 因此有 由于 解 2 5 4分贝的加与减 其中 退出 由上一节 噪声相叠加有 代入上式消去P02得 n个相同声源相加 退出 2 5 5频谱 只含一个频率 称 纯音 如音叉 音频振荡器等发出的声音 频率成分与能量分布的关系称为声音的频谱 总声级 各频带声级的能量叠加之和 因频率不同 不会发生干涉 线状谱 泛音为基频的倍数 如乐器连续谱 噪声多为此类 复合谱 一般噪声由许多频率成分组成 且各频率上能量分布不同 退出 频带 频程 将频率划分为若干个小段 每频带内认为能量均匀 恒定绝对宽度 如4 20Hz 用于窄带分析 f f2 f1恒定相对宽度 对两者之比更为敏感 方法 保持频带上 下限之比为常数1 倍频程 f2 f1 2 分界处为21 2 2 1 3倍频程 f2 f1 21 3 分界处 21 6 f1 21 3f1 22 3f1 2f1 f2 靠带通滤波器来实现 1 3Octave中心频率 12 5 16 20带宽 14 1 17 8 退出 ISO IEC统一规范 测试仪器 中心频率 Hz 16 31 5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k 带宽 11 2 22 4 355 710 退出 二 指向性 指向性因数DF 有指向性的声源产生的声强与无指向性源声强之比 第二章声波的基本特性 第六节人的主观听音特性 退出 一 人耳 外耳 使听道和声音之间阻抗匹配 800Hz附近最佳 高频较有效 低于400Hz以下差听道共振频率约3000Hz其他通道 骨传导 头颅等 中耳 耳鼓和三块听骨传导 使内 液体 外 空气 相耦合起保护作用 卵形窗与圆形窗有膜封闭 内为液体 内耳 变为神经信号 毛细胞 会疲劳损坏不可恢复 退出 二 听觉范围与特性 频率20 20kHz 年龄大 高频低声强 0 120dB 因人而异 130dB 痒 140dB 痛最小可辨阈 强度 50dB以上 50 10kHz纯音 0 5 1dB 识别声音三要素 强弱 音调 频率 音色 频谱 戴耳机 中频段 0 3dB觉察变化频率 40dB 且 1kHz 觉察为0 3 1kHz 频率觉察为3Hz 可听极限 退出 三 听觉定位 f 1400Hz时 强度差起主要作用f 1400Hz时 时间差起主要作用 水平定位比垂直平面灵敏 前后变化不太明显双耳效应 两耳差别不大时不明显 无回声时易辨 可摆动头分辨如舞台反射和扩音器 以垂直 集中舞台上方 为主 双侧为辅 防止出现声像不一 退出 四 时差效应 50ms 距离17m 以内两音不能区分 还与强度有关 Hass效应 声音越强 时差越小 干扰则小 反之则大 五 掩蔽效应 一般高于背景10dB以上则不易掩蔽 高声级者易掩蔽低声级低频率者易掩蔽高频率频率相近则最易掩蔽 声级高则掩蔽范围大 退出 六 人耳的频率响应与等响曲线 相同声级的不同频率声音 人耳感觉不一样响 人耳对2000 4000Hz的声音响应最敏感 以1kHz为基准 定义响度级LN 方 phon 得到等响曲线 不同频率声音的响度 40dB时的响度级为40方 0dB时为0方 退出 纯音 响度大小定义为宋 Sone 1kHz40方时为1宋 每增加10dB 响度增加一倍 两声音叠加时 不能将响度直接相加 A B C计权网络 40方等响曲线 dB A 与环境声和主观对应好dB B 70方 dB C 100方 对应高噪声和强噪声 低声级 曲线变化大高声级 曲线趋于平缓 2 7声波在传播中的衰减 随距离的发散衰减Ad空气吸收的附加衰减Aa地面吸收的附加衰减Ag声屏障衰减Ab气象条件对声传播的影响Am总衰减A Ad Aa Ag Ab Am 随距离的发散衰减Ad Ad 20lg r2 r1 假设以声源为中心的球面对称地向各个方向辐射声能 全空间 半空间 空气吸收的附加衰减Aa 20 时 4 10 6 地面吸收的附加衰减Ag 当地面是非刚性表面时 短距离 声能的衰减可以忽略 70米以上时不可忽略 在厚草地或穿过灌木丛传播时衰减Ag 0 18lgf 0 31 d 穿过树木或森林的声衰减Ag 0 01f1 3d 声屏障衰减Ab声屏障衰减与声源及接受点相对屏障的位置 屏障的高度及结构 以及声波的频率密切相关 气象条件对声传播的影响Am雨 雪 雾等对声波的衰减量大约每1000米不到0 5dB 因此可以忽略 风和温度梯度对声波的传播影响很大 声源的辐射 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 复习 平面声波的基本公式 简谐振动 对于简谐振动的平面声波 声波的叠加原理 相干波 相位差 此时产生干涉现象 出现驻波声场 合成后声场的能量密度为 不相干波 思考 P1和P1e的关系 声压级 声强级 声功率级 声压级 人耳听觉范围 2 10 5Pa 20Pa 痛阈 相差100万倍 相当于声压级 0 120dB 声压变化10倍 声压级变化20dB人耳的分辨力约为 0 5dB0dB不是没有声音 声强级 由于I Pe2 c 相当于P0时 0c0 400 39 时 因此 空气中的声