5--1.4-第一章 噪声的物理基础

1、 Welcome to the study of 噪声控制 Noise controlNoise control 谢学辉Email: 办公室电话公室：4号学院楼4161室 使用教材使用教材主教材主教材噪声控制技术噪声控制技术，潘仲麟，化学工业出版社，潘仲麟，化学工业出版社,2006-1,2008-2参考教材参考教材环境噪声控制工程环境噪声控制工程，贺启环，清华大学出版，贺启环，清华大学出版社社,2011；噪声控制理论与技术噪声控制理论与技术，马立庭，马立庭， 西安交通大学出西安交通大学出版社版社考察方法 期末考试（70%笔试) 平时考察(30%，包括作业和出勤情况)

2、噪声控制1.1 声波及其基本概念1.2 理想流体介质中的声波方程1.3 声场中的能量声场中的能量 1.4 声波的传播途径声波的传播途径1.5 声音的计量声音的计量1.6 声波在户外传播规律声波在户外传播规律主要内容声音是否存在的思辩：声音是否存在的思辩：1818世纪的谜题世纪的谜题最近又最远最近又最远无声不如有声无声不如有声奇妙的声音奇妙的声音1.1 声波及其基本概念何为声音？何为声波？怎么产生？何为声音？何为声波？怎么产生？ 声音实际上是一种声波； 声波实质是机械波（水波、声波、地震波）的一种，是机械振动在弹性媒质中的传播。1.1.1 适当频率和强弱的声波传到人们耳边，人们就感到了声音。人能

3、感觉到的声波这部分频率是20HZ20kHZ；该频率范围内频率称为音频（可闻频率）。 低于20HZ的声波为次声波； 高于20kHZ的为超声波。产生声音的机械振动可以在很宽的频率范围发生，声波则被限定在可以使人的耳和脑产生声音的机械振动可以在很宽的频率范围发生，声波则被限定在可以使人的耳和脑引起听觉的频率范围之内。引起听觉的频率范围之内。声音的分类： 音频声波（可闻听频率范围） 超声波 次声波 kHzHzf2020kHzf20Hzf20 一些动物的听觉要比人类更加灵敏：狗的耳朵能够听到50到45000赫兹之间的声音猫能够听到50到85000赫兹之间的声音蝙蝠能够听到高达16万赫兹的声音海豚能够听到

4、20万赫兹的声音大象是少有的能够听到低达5赫兹的声音的动物之一。 声音主要是由振动产生的。例如声带的振动，机器的振动等等。能发出声音的物体叫做声源。 声音，如同所有的机械波一样，只有通过介质才能传播出去。而且是依靠传播介质的弹性和惯性才能够将声源的振动传播出去。声波不能在真空中传播。在这点上，声波与电磁波不同。 （当你在科幻电影中看到一艘太空船向另一艘太空船发射激光炮同时又发出各种巨响时，千万不要相信） 媒质可以是固体、液体或者气体；按照介质的不同，常听到的声音有：空气声、结构声，水声； 但一般来说人耳感受到的最终还是经由空气传播的声音；在本课程的噪声控制中着重研究空气声。 怎么产生？怎么产生

5、？产生声波的两个必要条件：机械振动（声源）：振动的物体弹性媒质声波的形成1.1.2 弹性媒质弹性媒质elastic mediumelastic medium ：具有弹性的介质，或称具有弹性的介质，或称媒质。媒质。 弹性弹性：若某物体在外力作用下产生形变,当外力去掉之后,物体能迅速恢复到受力前的形态和大小,物体的这种性质称为弹性。具有这种性质的物质，称为弹性介质。如水、钢铁、铅、铜等金属和塑料、水泥、木块等非金属都是传声媒质，空气亦是重要的弹性媒质。 与弹性相对应的是塑性塑性：若某物体在外力作用下产生形变,物体仍保持形变后的某种形态,不能恢复原状，该物体具有塑性。 举个简单的例子来说:弹簧就是弹

6、性的弹簧就是弹性的, ,橡皮泥就是塑橡皮泥就是塑性的性的. . 其它的物质可以参照这两种材料的性质来判断。课外知识点课外知识点声波的具体产生过程：声波的具体产生过程：弹性媒质小体积元弹性媒质小体积元声源扰动作用于质点声源扰动作用于质点A；质点质点A推动相邻质点推动相邻质点B；由于弹性，质点由于弹性，质点B反推质点反推质点A回到平衡位置；回到平衡位置；由于惯性，质点由于惯性，质点A“过冲过冲”压缩另一侧相邻质点压缩另一侧相邻质点X；另一侧相邻质点另一侧相邻质点X反推质点反推质点A；如此往复如此往复 由于媒质的弹性和惯性作用，质点A就会在自己的平衡位置附近来回振动起来； 同样，由于媒质的弹性和惯性

7、作用，被质点A推动了的相邻的质点B，以至于更远的质点C、D等也都会在自己的平衡位置附近来回振动起来，只是时间依次滞后一些； 这样，这样，媒质质点的机械振动就由近及远媒质质点的机械振动就由近及远的依次传播的依次传播，就形成声波。，就形成声波。 声音是通过介质传播出去的，但介质本身并不随声音一起传播出去，介质只是在其平衡位置来回振动，所以声音的传播过程实际也是振动能量的传播过程。声波的传播过程：声波的传播过程： 由上述声波的产生可知：由上述声波的产生可知：机械振动机械振动是声波产生的根源，也是必要条是声波产生的根源，也是必要条件之一；件之一；而而弹性媒质弹性媒质的存在是声波传播的必要条件。的存在是

8、声波传播的必要条件。二者缺一不可！二者缺一不可！ 声波在声波在空气和液体中空气和液体中的传播，声波传播方向与质点振动的传播，声波传播方向与质点振动方向是一致的，属于方向是一致的，属于纵波纵波；而声波在；而声波在固体中固体中传播，质点传播，质点振动方向和声波传播方向可能相同（振动方向和声波传播方向可能相同（纵波纵波），也可能垂），也可能垂直（直（横波横波）。）。 产生声音的介质的振动导致介质中的分子相互作用从而实现声音的传播，因此，对于声波来说，介质密度越大，分子之间的距离就越小，发生相互碰撞的可能性就越大，声音传播的效果就越好。因此，一般固体是声音的最佳导体，其次是液体，最后才是空气。在空气中

9、，声波的传播速度是每秒钟约340米；在水中是1438米；在钢铁中可以达到6100米。 1.1.3描述声波的基本物理量描述声波的基本物理量波长波长=c/f米米（m）频率频率f=1/T赫兹赫兹（Hz）声速声速c米每秒（米每秒（m/s）空气中空气中 c=331.45+0.61t 340 m/s(15)声压声压p=(P-P0)帕斯卡（帕斯卡（Pa）频谱频谱频程频程（1）波长）波长 声波在传播途径上，相邻同相位质点之声波在传播途径上，相邻同相位质点之间的距离成为波长，间的距离成为波长，也即振动经过一个也即振动经过一个周期，声波传播的距离，记作周期，声波传播的距离，记作，单位是，单位是米（米（m）（2）频

10、率）频率 一秒钟一秒钟媒质质点振动的媒质质点振动的次数次数称为声波的频率，称为声波的频率，记作记作f，单位是赫兹（，单位是赫兹（Hz）。）。 声波频率声波频率f越高，声音显得越尖锐；女高音越高，声音显得越尖锐；女高音 声波频率声波频率f越低，声音显得越低沉；男低音越低，声音显得越低沉；男低音通常，通常， 低频声，低频声，f300Hz; 中频声，中频声，300f1000Hz; 高频声，高频声，Hz1000f;（3）声速）声速 声波在弹性媒质中的传播速度称为声速声波在弹性媒质中的传播速度称为声速，记作，记作c，单位是米每秒（，单位是米每秒（m/s）。）。 声速不是质点本身的振动速度，而是振动状态声

11、速不是质点本身的振动速度，而是振动状态传播的速度；传播的速度； 频率、波长和声速之间有如下关系：频率、波长和声速之间有如下关系：=c/f气体中的声速（一般为理想气体）计算简式：气体中的声速（一般为理想气体）计算简式：c=331.45+0.61t 一般计算时，可取空气中的声速为一般计算时，可取空气中的声速为 340 m/s(15)思考题思考题 人耳可听频率范围为人耳可听频率范围为20-20000Hz,试求出试求出当声波频率为当声波频率为500、2000、10000Hz时的时的波长，空气温度取波长，空气温度取15。（4）声压）声压 在声波的传播过程中，媒质中各处存在着稠密和稀疏的交替变化，因而各处

12、压强也相应变化； 没有声波作用时，媒质中压强为静压强没有声波作用时，媒质中压强为静压强 P0 当有声波传播时，媒质中某处的压强为当有声波传播时，媒质中某处的压强为P 压强的改变量即称为压强的改变量即称为声压声压p，p=(P-P0),单位单位帕斯卡（帕斯卡（Pa）有效声压有效声压实际上媒质中任何一点的声压都是随时间改变的，前述平均声压不能反映事物的真实状态；采用有效声压来克服这个困难； 将每一时刻的声压称为将每一时刻的声压称为瞬时声压瞬时声压，某段时间内的瞬时声，某段时间内的瞬时声压的均方根值称为压的均方根值称为有效声压有效声压Pe，也称均方根声压，也称均方根声压(rootmeansquares

13、oundpressure，prms)。的计算步骤为：先计算平均时间区段内每一瞬间振幅值的二次方，然后将此二次方值加起来，再除以平均时间，最后开二次方求得：公式中符号上方横线表示对时间加权平均，而T是测量的时间周期通常所指的声压若未加说明，都是指的有效声压通常所指的声压若未加说明，都是指的有效声压Pe。2/1022/12/12)(1)(TrmsdttPTpp 人耳对声压是很敏感的，对于人耳对声压是很敏感的，对于频率为频率为1000的纯音，人耳能听的纯音，人耳能听辨的最低声压为辨的最低声压为2x10-5Pa； 两人面对面交谈的声压大约是两人面对面交谈的声压大约是0.02Pa； 织布车间噪声的声压可

14、超过织布车间噪声的声压可超过2Pa，100倍于交谈声压，因此倍于交谈声压，因此人耳感觉会很不舒服。人耳感觉会很不舒服。织布织布车间车间面对面面对面交谈交谈1 1、频谱的概念、频谱的概念w 纯音：声源作简谐振动所产生的声波为简谐波，声压与时纯音：声源作简谐振动所产生的声波为简谐波，声压与时间的关系是正弦曲线，这种只有单一频率的声音称为纯音。间的关系是正弦曲线，这种只有单一频率的声音称为纯音。具有单一音调的声觉。具有单一音调的声觉。自然界纯音很少见，只有个别仪器自然界纯音很少见，只有个别仪器或乐器能发出纯音。或乐器能发出纯音。比如音叉敲击后发出的声音。比如音叉敲击后发出的声音。w 复音：由一些频率

15、不同的简单正弦式成分合成的声波。具复音：由一些频率不同的简单正弦式成分合成的声波。具有一个音调以上的声觉。有一个音调以上的声觉。w 频谱：组成复音的声压与频率的关系图，通常以倍频程或频谱：组成复音的声压与频率的关系图，通常以倍频程或1/31/3倍频程等划分的频带为横坐标，以倍频带声压级为纵坐倍频程等划分的频带为横坐标，以倍频带声压级为纵坐标，绘出的噪声的测量图形来描述声频谱。标，绘出的噪声的测量图形来描述声频谱。（5）频谱）频谱线谱（离散谱）线谱（离散谱）声信号包含的频率成分是不连声信号包含的频率成分是不连续的，是离散的，在频谱图上续的，是离散的，在频谱图上是一条条竖直线段，称为离散是一条条竖

16、直线段，称为离散谱或线谱。谱或线谱。单一频率的纯音如音叉敲击后单一频率的纯音如音叉敲击后发出的声音是离散谱。发出的声音是离散谱。连续谱连续谱声信号包含的频率成声信号包含的频率成分是连续的，在频谱分是连续的，在频谱图上是一条连续曲线，图上是一条连续曲线，称为连续谱。称为连续谱。大部分噪声属于连续大部分噪声属于连续谱。谱。飞机起飞飞机起飞降落噪声降落噪声复合谱复合谱声信号同时包含有连声信号同时包含有连续频率成分和离散频续频率成分和离散频率成分的频谱。率成分的频谱。很多的音乐、歌曲属很多的音乐、歌曲属于复合谱。于复合谱。复合谱复合谱 声音的频率越高，声音给人的感觉也就越加尖细，也就是说声音的音调越高

17、； 一些经过专业训练的人，例如音乐工作者，能够分辨出频率差别只有2赫兹的声音； 对于音乐来说，音调是非常重要的。同时发出多个不同音调的声音，听起来的效果要比单一的声音好的多，这就是和声。（6）频程）频程A、频程的概念、频程的概念w 对于连续频谱信号，由于从低频到高频变化高达对于连续频谱信号，由于从低频到高频变化高达1000倍，一般不可能也没有必要对每一个频率逐倍，一般不可能也没有必要对每一个频率逐一测量，为方便和实用，通常把声频的变化范围一测量，为方便和实用，通常把声频的变化范围划分为若干个段落，称为划分为若干个段落，称为频程（频段或频带），频程（频段或频带），每一段以它的中心频率为代表；每一

18、段以它的中心频率为代表；w 每一段频程都有上、下限截止频率、中心频率值每一段频程都有上、下限截止频率、中心频率值和带宽；和带宽；B B、频程的表示方法、频程的表示方法w 一般用高频和低频的频率比的对数来表示，对数以一般用高频和低频的频率比的对数来表示，对数以2 2为底，为底，单位为倍频程。表达式为：单位为倍频程。表达式为：f f2 2/f/f1 12 2n n 或或 n nloglog2 2（ f f2 2/f/f1 1）f f1 1、 f f2 2分别成倍频程关系的低频和高频频率，即上、下限截分别成倍频程关系的低频和高频频率，即上、下限截止频率，止频率，HzHz；n n为两个频率相距的倍数。

19、为两个频率相距的倍数。 n n1 1时，即两个频率相距时，即两个频率相距1 1倍时，称为一倍频程倍时，称为一倍频程n n1/31/3时，称时，称1/31/3倍频程；倍频程； w 中心频率中心频率f fc c为上、下限频率的为上、下限频率的几何平均值几何平均值 f fc c(f (f2 2f f1 1) )1/21/2，所以有所以有: f: f2 22 2n/2n/2f fc c， f f1 12 2n/2n/2f fc c； w 频带宽度频带宽度( (带宽带宽) )f f f f2 2f f1 1（ 2 2n/2 n/2 2 2n/2n/2）f fc c。 一倍频程的中心频率和频率范围一倍频程

20、的中心频率和频率范围中心频中心频率（率（Hz）31.563125250500频率范频率范围（围（Hz）22.444.744.789.169.1178178355355708中心频中心频率（率（Hz）100020004000800016000频率范频率范围（围（Hz）7081410141028202820562056201120011200224001/3倍频程的中心频率和频率范围倍频程的中心频率和频率范围中心频率（中心频率（Hz）频率范围（频率范围（Hz）中心频率（中心频率（Hz）频率范围（频率范围（Hz）50455810008001120635671125011201400807190160

21、0140018001009011220001800224012511214025002240280016014018031502800355020018022440003550450025022428050004500560031028035563005600710040035545080007100900050045056010000900011200630560710125001120014000800710800160001400018000思考题请根据公式验证表请根据公式验证表1.2中中心频率为中中心频率为250Hz的倍频程和的倍频程和1/3倍频程的上、下限截止频倍频程的上、下限截止频

22、率的正确性。率的正确性。f fc c(f (f2 2f f1 1)1/2)1/2f f2 2/f/f1 12n2nf f2 22n/2f2n/2fc c， f f1 12 2n/2fn/2fc c1.2 理想流体介质中的声波方程 在声波所及的空间内，在不同的坐标位置上有不同的声压，在某一给定位置上其在声波所及的空间内，在不同的坐标位置上有不同的声压，在某一给定位置上其声压是随时间变化的，这样的空间叫声压是随时间变化的，这样的空间叫声场声场。研究声波就是研究声场中的物理量及场量随时间和空间的变化规律，在数学上就研究声波就是研究声场中的物理量及场量随时间和空间的变化规律，在数学上就是要建立物理量与

23、时间和坐标之间的关系，即是要建立物理量与时间和坐标之间的关系，即声波方程声波方程。对声波过程和媒质作以下假设：对声波过程和媒质作以下假设：媒质为理想流体，无黏滞性，或者粘性对声波传播影响不大，常被忽媒质为理想流体，无黏滞性，或者粘性对声波传播影响不大，常被忽略。即使是长距离传播。略。即使是长距离传播。没有声挠动时，媒质是静止的，均匀的。没有声挠动时，媒质是静止的，均匀的。声波传播过程是绝热的，媒质各部分不会由于声波传播过程中引起的声波传播过程是绝热的，媒质各部分不会由于声波传播过程中引起的温度差而产生热交换。温度差而产生热交换。传播的为小振幅声波，满足线性叠加原理。传播的为小振幅声波，满足线性

24、叠加原理。声压远小于静压声压远小于静压媒质的密度增量远小于静态密度媒质的密度增量远小于静态密度质点振动速度远小于声速质点振动速度远小于声速1.质点振动位移远小于声波长质点振动位移远小于声波长1.2.1 简化的物理模型简化的物理模型在理想介质中声波传播的基本规律可以通过3个方程来表示： 运动方程（牛顿第二定律） 质量连续性方程（质量守恒定律） 状态方程（压强、体积、密度等状态参数） 根据这3个方程可以得到声波方程。1.2.2 声波方程推导222222zyx即Laplace算符（拉普拉斯算符），它在不同的坐标系里具有不同的形式，在直角坐标系里为： 2PCtP222222221tPCP或上式体现了声

25、压随时间和位置的变化关系，称为上式体现了声压随时间和位置的变化关系，称为声波方程声波方程，该方程是声学研究的最，该方程是声学研究的最重要的基础。重要的基础。以上是在直角坐标系下的声波方程，根据需要还可获得球坐标、圆柱坐标系下的方程（参见书p9）。2式中，其使用条件是： 1：理想介质，空气可以近似为理想介质2：小振幅声波 能听到的都是3：绝热过程4：初始状态为静止均匀介质 PCtP22221.2.3 声波的基本类型波阵面：波阵面：声波在传播过程中某瞬时相位完全相同的介质质点形成的面。波阵面总是垂直于传播方向。声射线：声射线：沿声的传播方向给出的带箭头的线，称声线。波阵面声射线平面波截面图球面波截

26、面图平面波、球面波：平面波、球面波：若波阵面是平面、球面、柱面，则是平面波、球面波、柱面波。平面声波：平面声波的一个重要特点是其振幅不随距离而变化（假定媒质没有吸收）。平面声波：平面声波的一个重要特点是其振幅不随距离而变化（假定媒质没有吸收）。球面声波：球面声波的一个重要特点是，它的振幅与传播距离成反比。球面声波：球面声波的一个重要特点是，它的振幅与传播距离成反比。柱面声波：柱面声波的一个重要特点是，振幅与距离的平方根成反比。柱面声波：柱面声波的一个重要特点是，振幅与距离的平方根成反比。平面波、球面波和柱面波虽然是理想的传播类型，但在实际情况下总可以找到近似于某种类型波的条件。例如一列火车，常

27、可被近似于线声源，当声波传播距离在比该线声源的长度小的范围内，可以认为它是遵循柱面波的传例如一列火车，常可被近似于线声源，当声波传播距离在比该线声源的长度小的范围内，可以认为它是遵循柱面波的传播规律；播规律；当声波传播距离远大于该线声源的长度时，则在某个方向上的传播，又可以当做球面波的一部分来考虑；当声波传播距离远大于该线声源的长度时，则在某个方向上的传播，又可以当做球面波的一部分来考虑；如果考虑在远小于传播距离的某个小区域内的传播问题，则又可以简化为平面波的传播，如在一个很大的球面上截取一如果考虑在远小于传播距离的某个小区域内的传播问题，则又可以简化为平面波的传播，如在一个很大的球面上截取一

28、小块面元，可被视为一小块平面一样。小块面元，可被视为一小块平面一样。1.3 声场中的能量w 声能量声能量 声波传播到原来静止的媒质时，一方面使媒质质点在平衡位置做往复振动，获得振动动能振动动能Ek，同时在媒质中产生压缩和膨胀的疏密过程，使得媒质具有形变势能形变势能Ep，这两部分能量是由于声扰动而得到的，其总和称为声能量声能量E。E=Ek+Ep(式式1.29)w声能量密度声能量密度单位体积单位体积内的内的声能量声能量称为称为能量密度能量密度 ，即，即 = =E/V0(式式1.30)w 平均声能量密度平均声能量密度对某个时间周期声能量取平均，则得到能量对某个时间周期声能量取平均，则得到能量平均值平

29、均值E=1/T0TEdt=1/2V0p2A/0c20而而平均声能量密度平均声能量密度：= = E/Vo=1/2p2A/0c20=p2e/0c20pe=pmax/2;pmax=pApA=pe2，代入上式。代入上式。PA-声压的幅值；质点最大的位移叫振幅，振幅越大，声音越大，一般有瞬时声压Pmax=PA;pe-有效声压w 平均声功率平均声功率 声功率声功率是声源在单位时间内辐射的总能量，用符是声源在单位时间内辐射的总能量，用符号号w w表示，通常采用瓦（表示，通常采用瓦（W W）作为声功率的单位。）作为声功率的单位。声源的声功率，通常仅仅是声源总功率中以声波形声源的声功率，通常仅仅是声源总功率中以

30、声波形式辐射出来的一小部分功率。如一台大型发电机，式辐射出来的一小部分功率。如一台大型发电机，输出功率可能高达输出功率可能高达数兆千瓦数兆千瓦，但辐射出的声功率，但辐射出的声功率也许只有也许只有数千瓦数千瓦。 平均声功率平均声功率w单位时间单位时间内通过垂直于声传播方向内通过垂直于声传播方向面积面积S的的平均平均声能量声能量称为称为平均声能量流平均声能量流或或平均声功率平均声功率。因为声能量是以声速因为声能量是以声速c0传播的，所以平均声能量传播的，所以平均声能量流应等于声场中面积为流应等于声场中面积为S，高度为，高度为c0的柱体内所的柱体内所包含的平均声能量，即：包含的平均声能量，即：w=c

31、0S单位为单位为W（瓦）（瓦）w 声强声强 通过垂直于声传播方向的通过垂直于声传播方向的单位面积上单位面积上的的平平均声功率均声功率称为平均声能量流密度或称为称为平均声能量流密度或称为声声强强。用符号。用符号I表示，即表示，即： SWI 单位W/m2对于平面波声强和声压的关系为：必须指出，声强是矢量，它的指向就是声传播的方向。必须指出，声强是矢量，它的指向就是声传播的方向。=c0SS=c0=p2e/0c20代入上式代入上式,0cpI2e01 1.4声波的反射、透射和衍射声波的反射、透射和衍射 声波在传播过程中遇到障碍物时会发生声波在传播过程中遇到障碍物时会发生反射、折射、透射、衍射反射、折射、

32、透射、衍射现象，同时在一定条现象，同时在一定条件下声波会发生件下声波会发生干涉干涉现象。现象。一、声波的反射和透射一、声波的反射和透射 声波从一个介质进入另一个介质，后者对前者来说是一个障碍物，此时在其交界面上发生一部分声波被反射回去，另一部分进入另一介质，这就是声波的反射与透射现象。 设各声线与法线所夹的锐角分别为： i入射角、反射角、折射角 rt声波的反射声波的透射 声波发生折射的原因是由于在不同介质中特性阻抗不同引起的。若在同一种介质中声速不同则声线也会发生偏转。 例如声音在大气中传播，白天由于太阳的照射，使地面及地面附近的空气温度上升，比高处温度高，所以低层声速大，高层声速低，这样声音

33、声级向上弯曲。晚上则相反，地面温度低，声速小，高层温度高，声速大。故向下弯曲，折向地面，所以夏日晚上声音传播的距离比白天传的距离远。温度高温度高温度低温度低温度低温度低温度高温度高)/(61. 04 .331smtc为进一步讨论反射和折射的能量关系引入以下参数： 声压反射系数： 入射波声压幅值反射波声压幅值Pr声压透射系数 ：声强反射系数： 声强透射系数： 入射波声压幅值透射波声压幅值P入射波声强幅值反射波声强幅值Ir入射波声强幅值透射波声强幅值I=prA/piA=ptA/piA=Ir/Ii=It/Ii讨论：讨论：1, 0Ppr，则不反射声波，声波全部，则不反射声波，声波全部透过界面进入第二介

34、质中，称为透过界面进入第二介质中，称为全透射全透射。此时的入射。此时的入射角角 称为称为全透射角全透射角；只要两种介质的特性阻抗相同，；只要两种介质的特性阻抗相同，垂直入射的声波即可产生全透射现象。垂直入射的声波即可产生全透射现象。 当折射角当折射角,90ot此时声波全部反射进入此时声波全部反射进入第一种介质，此时的入射角第一种介质，此时的入射角 称为称为全内反射角全内反射角。iCi：当：当0i,iiiC且为一般的反射、折射情况，反射折射同时存在。为一般的反射、折射情况，反射折射同时存在。iCi0i以上分析表明，以上分析表明，不同介质的特征决定了声不同介质的特征决定了声波的反射系数、透射系数波

35、的反射系数、透射系数。人们常把反射系数人们常把反射系数r r值小值小的材料称为的材料称为吸声材料吸声材料；透射系数透射系数值小值小的材料称为的材料称为隔声材料隔声材料。在。在噪声控制技术中，了解各种材料的吸声、噪声控制技术中，了解各种材料的吸声、隔声特性，合理选择材料很有必要。隔声特性，合理选择材料很有必要。比如为了达到很好的隔声效果，则应选择有比如为了达到很好的隔声效果，则应选择有好的反射率（反射系数好的反射率（反射系数r r 大），低的透射大），低的透射率（透射系数率（透射系数值小）值小）的材料的材料。 二、声波的绕射（衍射）二、声波的绕射（衍射）当声波越过障碍物的边缘时，声波的传播方向会

36、发生偏转而绕过障碍物，这种现象称为声波的衍射或绕射。声波通过障碍物或障碍物的小孔时先发生弯曲再扩展开来的现象衍射 衍射的情况与障碍物的尺寸和波长的比值有关。对于同一障碍物来说，声波波长越小（频率越高）则越不易越过障碍物，声影区越大，隔音效果越好。 即一个障碍物对高频声的隔音效果好，对低频声的隔音效果差。 房屋的墙壁或隔声屏上若有孔缝，会因声波的绕射，隔声能力明显变差。当声波波长较长，障碍物或者孔尺寸比波长小当声波波长较长，障碍物或者孔尺寸比波长小得多时，声波能绕过障碍物或透过小孔，继续得多时，声波能绕过障碍物或透过小孔，继续传播。传播。反之，当声波波长较段短，障碍物或者孔尺寸比波反之，当声波波

37、长较段短，障碍物或者孔尺寸比波长大很多时，声波绕射不明显，在障碍物后或孔外长大很多时，声波绕射不明显，在障碍物后或孔外侧形成声影区，隔音效果明显。侧形成声影区，隔音效果明显。三、声波的叠加与干涉 当空间存在由两个或两个以上的声源分别发出的声波时，每个声波不因为其它声波的存在而改变其传播规律，这时空间中任一点的物理量是各个声波分量在该点激发出的物理量“之和”，这被称为声波叠加原理。 “之和”针对不同物理量可能是矢量或代数和。例如质点振动速度是各声波激起质点速度的矢量和，瞬时声压是各声波分别作用时声压的代数和。 当两同频率声波叠加时，对于空间中不同点，初相位不同，相位差随位置改变，与时间无关；对于

38、空间某一点，若两个频率相同的声波同相位达到该点时，两波互相加强，合成振幅为两波振幅之和（相长干涉）（相长干涉）；如果两波相位相反，则两波互相减弱，合成振幅为两波振幅之差（相消干涉）（相消干涉）。这种现象称之为声波干涉。能发生干涉作用的声波必须为同频率的声波。1.5声波的计量声波的计量声强级、声压级、声功率级、声级的叠加；声强级、声压级、声功率级、声级的叠加；为什么要引入级的概念？为什么要引入级的概念？为什么要引入级的概念为什么要引入级的概念?正常人耳刚能听到的最弱声音正常人耳刚能听到的最弱声音普通说话声（普通说话声（1m远处）远处）公共汽车内公共汽车内织布车间织布车间柴油发动机、球磨机柴油发动

39、机、球磨机喷气飞机起飞喷气飞机起飞Pa5102Pa2102Pa2 . 0Pa2Pa20Pa200听阈听阈痛阈痛阈610声压声压听阈：听阈：人能听到的最小声音的声压值。人耳对不同频率的声音的可听阈不同。对于1kHz的纯音其听阈值为210-5Pa。参考声压： 两人面对面交谈的平均声压为210-2Pa 纺织厂织布车间噪声的声压可达到2Pa痛阈痛阈：人能听到的最大声音的声压值。对超过痛阈的声音，人们只感到耳疼痛而感受不到声音。对于1kHz的纯音来说为20Pa。可见人耳能感到的声压范围是 Pa，最大值是最小值的106倍，使用起来极其不便。为了便于描述大范围变化的物理量，采用对数标度。对声压来说引如声声压

40、级压级的概念。10210251 1、级的概念、级的概念w 在声学中，一个物理量的在声学中，一个物理量的级级的定义是这个量与同类基的定义是这个量与同类基准量（参考量）之比的对数，用准量（参考量）之比的对数，用L L表示。表示。0logXXLr1.5.1 声强级、声压级和声功率级声强级、声压级和声功率级主要声学量的级和基准值主要声学量的级和基准值名称名称定义定义基准值基准值声压级（气体中）声压级（气体中）Lp20lg（p/p0）P020Pa声强级声强级LI10lg（I/I0）I011012W/m2声功率级声功率级LW10lg（W/W0） W011012WA、声压级、声压级Lpw Lp20lg（p/

41、p0）w Lp为声压级，单位为声压级，单位dB；p为有效声压，为有效声压，Pa；基准声；基准声压压p02105Pa。w 对于听阈对于听阈Lp0；对于痛阈；对于痛阈Lp120dB。某些环境下的声压和声压级某些环境下的声压和声压级环境环境声压（声压（Pa）声压级（声压级（dB）锅炉排气放空，距喷口锅炉排气放空，距喷口1米米200140铆钉枪，大型罗茨风机铆钉枪，大型罗茨风机63130汽车喇叭，距人汽车喇叭，距人1米，大型球磨机米，大型球磨机20120柴油机柴油机6.3110离心风扇离心风扇0.6390公共汽车上公共汽车上0.2080城市噪声，街道上城市噪声，街道上0.06370普通说话普通说话0.

42、02060电风扇，微电机附近电风扇，微电机附近0.006350安静房间安静房间0.002040轻声耳语轻声耳语0.0006330树叶飘动声树叶飘动声0.0002020农村静夜农村静夜0.00006310可听可听0.0000200B、声强级、声强级LIw LI10lg（I/I0）w LI为声强级，单位为声强级，单位dB；I为声强，为声强，W/米米2；基准声强；基准声强I011012W/米米2。w LI=10lg(I/I0)=10lg(p2/p02)+10lgp02/(I0c)=LP+10lg400/c当在当在1atm（标准大气压，（标准大气压，1atm=101325Pa ），），38.9时，空气

43、的时，空气的c400Pas/m，LILp在一般情况下，空气中的声波在一般情况下，空气中的声波LI与与Lp的值相差的值相差0.2dB，故，故LILpcpI2e根据公式：根据公式：C、声功率级、声功率级LWw LW10lg（W/W0）w LW为声功率级，单位为声功率级，单位dB；W为声功率，瓦；基准声功率为声功率，瓦；基准声功率W011012瓦。瓦。w LW=10lg(W/W0)=10lg(IS/W0)=10lgI/10-12+10lgS=LI+10lgSLP+10lgSw 对于球面声波，距离声源半径微对于球面声波，距离声源半径微r，则有：，则有：LW=LP+10lg4r2LP+20lgr11w

44、对于半球面声波，距离声源半径微对于半球面声波，距离声源半径微r，则有：，则有：LW=LP+10lg2r2LP+20lgr81.5.2声级的合成声级的合成1、噪声级合成是按照、噪声级合成是按照能量的叠加能量的叠加规律进行叠加的。规律进行叠加的。2、声强级：、声强级：声强与能量成正比声强与能量成正比(I=W/S)。总能量相当于总声强，能量的叠加。总能量相当于总声强，能量的叠加相当于各声强的叠加。该点总声强是各声强之和：相当于各声强的叠加。该点总声强是各声强之和：I总总I1I2In假设有假设有n个噪声源同时存在，声强分别为个噪声源同时存在，声强分别为I1、I2、In和与声强级分别为和与声强级分别为L

45、1、L2、Ln。则：。则：L110lgI1/I0，L210lgI2/I0，Ln10lgIn/I0。I1/I0100.1L1，I2/I0100.1L2，In/I0100.1Ln。所以，所以，总声强级总声强级L10lg（I总总/I0）10lg（I1/I0I2/I0In/I0）10lg（100.1L1100.1L2100.1Ln）总的声功率级计算公式同上。总的声功率级计算公式同上。3、声压级：、声压级：能量与声压的平方成正比。能量的叠加相当于各声压的平方叠加。该能量与声压的平方成正比。能量的叠加相当于各声压的平方叠加。该点总声压点总声压(有效声压有效声压)是各声压的方根值：是各声压的方根值：Lp总总

46、p12p22pn2假设有假设有n个噪声源同时存在，声压与声压级分别为个噪声源同时存在，声压与声压级分别为p1、p2、pn和和L1、L2、Ln。则：则：Lp120lgp1/p0，Lp220lgp2/p0，Lpn20lgpn/p0。（p1/p0）2100.1Lp1，（p1/p0）2100.1Lp2，（p1/p0）2100.1Lpn。所以，总声压级所以，总声压级Lp10lg（100.1L1100.1L2100.1Ln）Lp10lg100.1Li(i=1.n)综上，总的声强级和总的声压级、总的声功率级用求和公综上，总的声强级和总的声压级、总的声功率级用求和公式都可以表示为：式都可以表示为：cpI2e（

47、 ）4、n个相同噪声级合成的总噪声级个相同噪声级合成的总噪声级L10lg（100.1L1100.1L2100.1Ln）10lg（n100.1L1）L110lgnw 当当n2时，时，LL110lg2L13即表示两个相同的声压级相加，能量增加一倍，即表示两个相同的声压级相加，能量增加一倍，声级增加声级增加3dB。5、不同噪声级的合成查表法（利用表、不同噪声级的合成查表法（利用表1.6叠加计算）叠加计算）假设存在两个噪声源，声压级分别为假设存在两个噪声源，声压级分别为L1、L2，且，且L1L2，则有：，则有：L总总L110lg（100.1L1100.1L2）L110lg100.1L1100.1L2）

48、/100.1L110lg1+100.1(L1-L2)设噪声合成的设噪声合成的附加值附加值L10lg1+100.1(L1-L2)，而不是简单的，而不是简单的L1-L2，而叠加总声级则为而叠加总声级则为LL1L（这个附加值要根据（这个附加值要根据L1-L2的差值查表的差值查表1.6获得）获得）其中其中L=L1-L2可查表可查表1.6所对应的所对应的附加值，附加值，将它将它与较高的那个声压级相加与较高的那个声压级相加，即求得即求得总的声压级总的声压级。数个数值进行叠加时，按照从大到小的顺序进行，。数个数值进行叠加时，按照从大到小的顺序进行，逐个叠加，当逐个叠加，当L超过超过15dB，附加值很小，可以

49、略去不计。，附加值很小，可以略去不计。表表1.6两噪声级合成的附加值两噪声级合成的附加值L1-L2（dB）L=10lg1+100.1(L1-L2)（dB）0312.522.131.841.551.261.070.880.690.5100.46、计算例题、计算例题w 例例1声压级为声压级为80dB的噪声，其相应的声压为多少？的噪声，其相应的声压为多少？例例2声强为声强为106W/m2时的声强级是多少？时的声强级是多少？解：解：Lp20lg（p/p0），则，），则，pp010 Lp/20所以，所以，p210510 80/200.2Pa解：解：LI10lg（I/I0）10lg（ 106 /1012

50、）所以，所以，LI60dB解：洗衣机单独工作时声压级为：解：洗衣机单独工作时声压级为：L120lg0.02/（2105）20360dB电冰箱声压级电冰箱声压级L254dBL1-L26dB，查表，查表1.6得得L1dB则两者同时工作时则两者同时工作时L60161dB例例3室内洗衣机工作时，测得噪声声压室内洗衣机工作时，测得噪声声压p0.02Pa；电冰箱单独开动时声压级；电冰箱单独开动时声压级是是54dB，试计算两者同时开动时的合成声压级。，试计算两者同时开动时的合成声压级。或者：用公式计算求或者：用公式计算求 总声压级总声压级Lp10lg（ 100.1L1100.1L2）=10lg(106.0+

51、105.4)= 10lg106.0+ 10lg(1+10-0.6)=60+10lg1.25=60.961dBw 书上例题书上例题1.1和例题和例题1.21.6声波在户外的传播声波在户外的传播 声波在户外空间传播时将产生声波在户外空间传播时将产生发散性衰减（距发散性衰减（距离衰减），离衰减），同时还有由于同时还有由于空气吸收、地面吸收、空气吸收、地面吸收、屏障以及气象条件屏障以及气象条件等对声传播能量的附加衰减。等对声传播能量的附加衰减。（一）距离衰减（一）距离衰减w 声源辐射的声波在传播过程中，波阵面随声源辐射的声波在传播过程中，波阵面随距离的增加而增大，声能扩散，因此声强距离的增加而增大，声

52、能扩散，因此声强或声压随距离的增加而衰减，即所谓发散或声压随距离的增加而衰减，即所谓发散性衰减，也称性衰减，也称距离衰减距离衰减。w 从声源向周围空间从声源向周围空间发散性传播发散性传播，是声波传，是声波传播的重要特点。播的重要特点。1 1、声源类型、声源类型w点声源：点声源：孤立的声源，如一台机器，一辆车或一架飞机孤立的声源，如一台机器，一辆车或一架飞机等，当在比声源尺寸大得多的距离上传播时，可近似为等，当在比声源尺寸大得多的距离上传播时，可近似为点声源；该点声源传播服从球面波发散规律，均匀地向点声源；该点声源传播服从球面波发散规律，均匀地向各个方向辐射能量。各个方向辐射能量。w线声源：线声

53、源：如一列较长的列车或者公路上的长车队等，在如一列较长的列车或者公路上的长车队等，在接收点距离不很远时，可以分情况近当成有限或者无线接收点距离不很远时，可以分情况近当成有限或者无线线声源，它服从柱面波的发散规律。线声源，它服从柱面波的发散规律。2、点声源的距离衰减、点声源的距离衰减w 对于自由空间对于自由空间（球面波）（球面波）声强：声强：IW/（4r2）；）；声功率级：声功率级：LWLP+20lgr11w 对于半自由空间对于半自由空间（球面波）（球面波）声强：声强：IW/（2r2）；）；声功率级：声功率级：LWLP+20lgr8w 假定声源以稳定声功率假定声源以稳定声功率W辐射，距离点声源辐

54、射，距离点声源r1与与r2之间之间的声级差为：的声级差为：LW=LP(r1)20lgr111（8）LP(r2)20lgr211（8）即：即：LPLP(r1)LP(r2)20lgr2/r1当当r2/r12，衰减衰减6dB，即距离增加，即距离增加1倍，声压级衰减倍，声压级衰减6dB。3 3、线声源的距离衰减、线声源的距离衰减w 柱面波辐射，辐射面积柱面波辐射，辐射面积S S2rl2rl；声强：；声强：I IW/W/（2rl2rl）；）；（l l为线声为线声源长度）源长度）w 声功率级：声功率级：L LWW L LP P+10lg+10lg（ 2rl2rl ）（1 1）无限长线声源）无限长线声源 距

55、离声源距离声源r1r1与与r2r2之间的声级差为：之间的声级差为： L LP P L LP P(r1)(r1)L LP P (r2) (r2)10lgr2/r1 10lgr2/r1 （距离加倍衰减（距离加倍衰减3dB3dB）（2 2）有限长线声源）有限长线声源 距离声源距离声源r1r1与与r2r2之间的声级差要分如下三种情况：之间的声级差要分如下三种情况：aa r2L r2L且且r1L, r1L, 则可视为则可视为点声源点声源，LP(r2)LP(r1)20lgr2/r1（距离（距离加倍衰减加倍衰减6dB6dB）bb r21/3L r21/3L且且 r11/3L, r1c 1/3L 1/3L r

56、2Lr2L且且1/3L1/3L r1L, r1L, 不远不近则视为不远不近则视为有限长线声源有限长线声源，取折，取折中值，中值，LP(r2)LP(r1)15lgr2/r1（距离加倍衰减（距离加倍衰减4.5dB4.5dB）4、实例、实例w 实例实例1 1：距锅炉房：距锅炉房2 2米处测得声压级为米处测得声压级为80dB80dB，且锅炉房距，且锅炉房距离居民楼离居民楼1616米；距冷却塔米；距冷却塔5 5米处测得声压级为米处测得声压级为80dB80dB，且，且冷却塔距离居民楼冷却塔距离居民楼2020米。求两设备噪声对居民楼造成共米。求两设备噪声对居民楼造成共同影响？同影响？解：解：为点声源辐射为点

57、声源辐射LPLP(r1)LP(r2)20lgr2/r1锅炉房对居民楼的影响：锅炉房对居民楼的影响：L1=80-20lg16/2=80-200.9=62dB;冷却塔对居民楼的影响：冷却塔对居民楼的影响：L2=80-20lg20/5=80-200.6=68dB;共同影响：共同影响：L=68169dB（查表（查表1.6方法）方法）w 实例实例2 2：有一列：有一列500500米火车正在运行。米火车正在运行。（1 1）距铁路中心线）距铁路中心线2020米处测得声压级为米处测得声压级为90dB90dB，距铁路中心线，距铁路中心线4040米处有一居民楼，试求该列火车噪声对居民楼的影响。米处有一居民楼，试求该列火车噪声对居民楼的影响。（2 2）若距铁路中心线）若距铁路中心线500500米处测得声压级为米处测得声压级为75dB75dB，距铁路中心，距铁路中心