声波基本的基本性质及其传播规律

1、第二章第二章 声波的基本性质及其传播规律声波的基本性质及其传播规律主要内容：主要内容： o2.1 声波的产生及描述方法声波的产生及描述方法 o2.2 声波的叠加声波的叠加 o2.3 声波的频率和噪声的频谱声波的频率和噪声的频谱 o2.4 声波的反射、透射和衍射声波的反射、透射和衍射 o2.5 声源的辐射声源的辐射 o2.6声波在传播过程中的衰减声波在传播过程中的衰减 o2.1.1 声波的产生o2.1.2 描述声波的基本物理量2.12.1 声波的产生及描述方法2.1.1声波的产生声源声源：产生声音的振动物体称作声源。振动振动：是一种周期性运动。物体在某平衡位置附 近作往复运动。 物体的振动是产生

2、声音的根源。物体的振动是产生声音的根源。波动：波动：机械振动在弹性弹性媒介中的传播过程。 振动与波动的关系？振动与波动的关系？ 下一页下一页2.1.1 声波的产生声波的产生 声波：机械振动在弹性煤质的传播过程称为声波。声场：有声波传播的空间叫声场。声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播。波动补充了解内容：声波的基本类型o平面声波平面声波o 球面声波球面声波o柱面声波柱面声波 声波的类型o 波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。 根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。o 声线：常称为声射线，就是子声源发出的代表能量传播方向的射线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向

3、且处处与波阵面垂直的直线。 声波的基本类型 1 平面声波： 声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，称其为平面声波。2.2.1 平面声波平面声波： 1平面声波：平面声波：声线： 相互平行的一系列直线。 1平面声波平面声波：a.波动方程：222221tpcxp对于简谐振动而言：)cos(, 0)cos(,00kxtPtxpkxtPtxp2.2.1 平面声波：平面声波：b.质点振动速度：对于简谐振动而言：cPUkxtUux0000/)cos( 质点振动的速度振幅结论：质点以振速进行振动，而这种振动过程质点以振速进行振动，而这种振动过程 以声速以声速c c传播出去。传播出去。 )cos(,0kx

4、tPtxp 1平面声波：平面声波：c.声阻抗率：upZs/对于平面声波而言：cUPZs000/媒质的特性阻抗，单位（Pas/m） 2 球面声波：波阵面是以任何值为半径的球面。 a.波动方程：22222)(1)(trpcrrp对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：)cos(,0krtrPtrp特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。2.2.2 球面声波：球面声波：b.声线： 是由声源点发出的半径线。 3 柱面声波：柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.波动方程：2221)(1tpcrprrr对于远场简谐柱面声波而言：)cos(20krrtkrPp特点：振幅随径向距离的增加

5、而减少，与距离的平方根成反比关系。b.声线：是由线声源发出的径向线。 声波的类型 声波的类型类型波阵面声线声源类型平面声波垂直于传播方向的平面相互平行的直线 平面声源球面声波以任何值为半径的球面由声源发出的半径线 点声源柱面声波同轴圆柱面线声源发出的半径线 线声源2.1.2 描述声波的基本物理量描述声波的基本物理量 2.1.2 描述声波的基本物理量描述声波的基本物理量1、声波频率、波长和声速（1 1）声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。频率范围(Hz)20000声音次1000超低频声 中频声 高频定义声音频声声（2）周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。2

6、.1.2描述声波的基本物理量（2）波长：声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波的传播距离。cTfcTf12.1.2 描述声波的基本物理量（3 ）声速振动在媒质中传播的速度。媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度；声速会随环境的温度有一些变化。o 在空气中： C=331.45+0.61t 式中：t-空气的摄氏温度；一般C=340ms媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表 21.1 时声速近似值（m/s）2.1.2描述声波的基本物理量2、声压)(0ppp静态压强2、声压 a.瞬时声压：某一瞬间

7、的声压。 b.有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。TedttpTp02)(1 （5）声压声音种类声压声音种类声压正常人耳能听到最弱声2X10-5织布车间2普通说话声（1m远处）2X10-2柴油发动机、球磨机20公共汽车内0.2喷气飞机起飞200日常生活中声音的声压数据 (Pa) 3、 声能量、声能密度声能量、声能密度 P11（1）声能量声能量声能量：声能量： 声能量动能势能体积元的总声能量：（2）平均声能密度：声场中单位体积媒质所含有的声能量：声场中单位体积媒质所含有的声能量。 对于在自由空间内传播的平面声波而言：对于在自由空间内传播的平面声波而言： 20

8、2cpwe)(22202200cpuVEEEPKJm3 4、 声强、声功率声强、声功率（1）声功率:声源在单位时间内辐射的声能量，单位是瓦。意义：声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理量；声功率可用于鉴定各种声源。SIcSW4 、声强、声功率、声强、声功率（2）声强在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的声能量，称为声音的强度，简称为声强，单位是瓦每平方米 。cpcScSSWIe022.1.3声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级o （1）级的概念：）级的概念：在声学中，把被量度量与基准量的比值取以对数，这个对数值称为被测量度的“级”。 级是一个无量纲量。级是一个无量纲量。 1

9、Np=8.686 dBo （2）用级来标度声学量的原因）用级来标度声学量的原因 a.声强级:该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘10，即：0lg10IILI212010mWI2.1.3 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级声强级单位：分贝。b、 声压级:该声音的声压与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：0lg20ppLpapp50102 2.1.3 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级声压级单位：分贝。 2.1.3 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。c.声功率级0lg10IILIc

10、cPPcPcPLI00000202lg10lg20lg10cPI2cLLpI400lg10声压级和声强级的关系：2.1.3 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级SWI 球面辐射时：24 rWI波阵面面积声功率与声强的关系2.4.2 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级o 声压级、声强级、声功率级之间的关系声压级、声强级、声功率级之间的关系 （W=IS）00001110lg10lg10lg20lg1120lg8PIWWWWWWLLLSSIWISLrLr或主要内容：主要内容： o2.1 声波的产生及描述方法声波的产生及描述方法 o2.2 声波的叠加声波的叠加 o2.3 声波

11、的频率和噪声的频谱声波的频率和噪声的频谱 o2.4 声波的反射、透射和衍射声波的反射、透射和衍射 o2.5 声源的辐射声源的辐射 o2.6声波在传播过程中的衰减声波在传播过程中的衰减 2.2 声波的叠加 o 声压的叠加（瞬时声压 ） 假定几个声源同时存在，在声场某点处声压分别为P1，P2，P3，Pn，那么合成声场的瞬时声压P为：niinppppp121式中：Pi第i列波的瞬时声压。2.2声波的叠加 （1）声波的干涉现象: 两列波的频率相同，振动方向相同和具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象。 能产

12、生干涉现象的声波称为相干波相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源相干声源。 驻波声场驻波声场声压值P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。声波的干涉现象声波的干涉现象2.2声波的叠加（2）不相干声波 当声波的频率不同，或不存在固定的相位差，或者两者兼有，这两个或两个以上的波叠加后的声场将不会出现驻波现象。相位差，不再是一个固定的常数，而是随时间作随机的变化，不同的瞬时，呈现出不同的值。 即：总声能量等于几个声波声能量的叠加，不发生干涉，不出现驻波现象。2.2 声波的叠加 o 能量的叠加（不相干波）niinppppp121niin121声能密度：nieieneee

13、PPPPP12222212或 对于多个声波，当各个声波间不存在固定的相位差时，其能量可以直接叠加，但要求某一时刻的瞬态值时，还应由下式 来计算，两者不能混淆。（3）级的叠加）级的叠加 a.级的叠加（公式法） 当n个声源互不干涉时：222212.nTpppp当n=2时，22212pppTa.级的叠加（公式法） 由于：0lg20ppLp201 . 0210pppL代入上式：)1010(101021211 . 01 . 020201 . 0201 . 022212ppppLLLLTppppppa.级的叠加：当n个声源时，211 . 01 . 02021010lg10lg10ppTLLTpppLniL

14、pipTL11 . 010lg10表示为声压级：当P1= P2= = Pn时，nLPnPLPPTlg10lg1012021o 例1 解：o 例2 有7台机器工作时，每台在某点的声压级都是92dB，求该点的总声压级。解：TPPPLdBLdBL求,85,80210.1 800.1 8510lg(1010)86.2TPLdBdBnLLpPT4 .1007lg1092lg101o 例3 已知四台机器运转时的声压级分别为90 dB、85 dB、83 dB 、88dB，求四台机器同时运转时的总声压级。解：如果声源太多，上式计算较麻烦，可用查表法dBLTP3 .93)10101010lg(10881 . 0

15、831 . 0851 . 0901 . 0a.级的叠加（查表、图法）： 21pppLLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg10211 . 01 . 01010lg10ppTLLpL则：pppLLL12代入下式中：可得：b.级的叠加（查表、图法）： 1 . 0101lg101pTLppLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg101LLLppTpLL1 . 0101lg10求声压级合成时，其总声压级等于两声压级中较大的值加上由两声级决定的一个附加值。 b.级的叠加（查表、图法）：pLL1 . 0101lg10Lp1LLLppTo 从上图可以看出，当两个

16、声压级相差比较大时，则总声压与两声压级中的较大的值近似相等，而较小的声压级可以不计。级的叠加： 求出总声压的有效值niLpipTL11 . 010lg10当n个声源发生干涉时：先求出瞬时声压niinppppp121.求出总声压级（4）级的相减（）级的相减（公式法） 若已知 和 的总声压级为 ，已知 ，求 22212PPPT11 .01 .02202122022212221010lg10lg10lg10pPTLLpTTLPPPPPPPP1PL2PLTPL1PL2PL（4）级的相减（）级的相减（公式法）SpBpTLLpL1 . 01 . 01010lg10BpTpSLLpL1 . 01 . 010

17、10lg10仪器测的噪声声源真实噪声背景噪声令：BpTSTSLPpppLLLL1 . 0101lg10级的相减（查图法）级的相减（查图法）()0.110lg1010lg 101010lg1010lg 101 1010lg 1 10BTBSTSPPPTTBPPpPBTTTPBPPPPPPLLLLLLLLLLLLLL级的相减级的相减 STSpppLLLBTBppPLLLBpSLpL1 . 0101lg10 注注:当当 L/，线声源视为点声源。LAr012lg10rrL 连续分布线声源的扩连续分布线声源的扩散散衰减：衰减：2120lgrLr线声源的扩散衰减o 离散

18、分布线声源的扩散衰减：离散分布线声源的扩散衰减： r0 d，线声源视为点声源： r0 d，线声源视为线声源：2.5.4平面声源 当平面声源辐射平面波时： 12SS 0lg1012SSAd因此从S1处传播到S2处时的发散衰减：平面声源的扩散衰减：矩形面声源的扩散衰减 r0a /，声源辐射平面声波，声压不衰减。 a /r0b /，面声源视为点声源。LabAr0ab2.6声波在传播中的衰减o 1.扩散引起的衰减（Ad）o 2.空气吸收引起的附加衰减 （Aa）o 3.地面吸收的附加衰减（Ag）o 4.声屏障衰减（Ab）o 5.气象条件的影响（Am ）mbgadAAAAAA 2.6.1 扩散引起的衰减扩

19、散引起的衰减 o随距离的发散衰减随距离的发散衰减（扩散衰减） 扩散衰减的定义：扩散衰减的定义：由于波阵面的扩展而引起的声强随距离而减弱的现象称为扩散衰减。（前面已经讲过） 2.6.2 空气吸收引起的附加衰减o 对于噪声控制工程，可以采用下面的半经验公式来估算空气吸收衰减。在20时： 82104 . 7dfAa声波的频率，Hz相对湿度传播距离，m 2.6.2 空气吸收引起的附加衰减o 对于不同温度，可采用下式来估算： TfCATAaa1),20(),(与20相差的摄氏温度=410-66.6.3地面吸收的附加衰减当地面是非刚性表面时：地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距离（30-50m）其衰减可以忽略，而在50m以上应予以考虑。 6.6.3地面吸收的附加衰减声波在厚的草地上面或穿过灌木丛传播时，在频率为1000Hz时的附加衰减较大，可高达 25/100m dB。附加衰减量的近似计算公式为：dfAg31. 0lg18. 01声波