【学习课件】第2章声音的基本性质

1、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 精选课件是纵波(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(产生振动) (固、液、气均有)空气(声波传播振动)(真空中没有声音)人耳声 源：凡是发出声音的振动体，称为声源。精选课件描述声波的物理量: 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精选课件声 压: 空气中密处：PP0 (静止大气压) 疏处：PP0 人耳及声级测量仪器均以声压为敏感量。人耳听阈21

2、0-5N/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 精选课件波 长：(m) 声 速c (m/s): 空气中: C = 331.4+0.61t() (m/s) 一般可取340 m/s (15-20)钢中声速: 5000 m/s; 水中声速:1450 m/s退 出 精选课件频 率：f, (Hz=1/s), 周期T=1/f, (s) 人耳可听的频率范围: (次声) 20 Hz 20,000 Hz(20k) (超声) 波 长: 17m - 1.7 cm 语言声: 100-4k Hz, : 3.4m 8.5 cm音频： 环境声学，电声学，建筑声学，语言声学

3、，心理声学。 次声：地震 、台风、核爆炸退 出 精选课件超声：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 精选课件第二节 声波的基本类型一 平面声波精选课件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)=p0 cos (t) 是一个简谐波, =2f 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) = p0 cos (t-t)= p0 cos (t- x/c)精选课件 退 出 定义波数k为: k

4、=/c = 2/(长度为2(m)上含波长的数目)则有: p(x, t) = p0 cos (t- kx) 振动速度为: ux= (p0/c)cos(t- kx)=u0 cos(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 精选课件第二节 声波的基本类型二 声能量、声功率和声强 精选课件定 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、声功率精选课件人讲话：约50w

5、； 演员：5000-10000 w；汽车鸣笛：0.1w; 喷气飞机: 10 kw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)精选课件定 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：精选课件 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：精选课件第二章 声音的基本性质及其传播规律第三

6、节 声波的叠加精选课件一般声压叠加： 退 出 两声源频率相同时：则：精选课件相位差退 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：精选课件一般噪声频率不同，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，精选课件第二章 声波的基本性质第四节 声波的反射、折射、 透射、散射和绕射 精选课件由边界条件：退 出 声压反射系数：声压透射系数：精选课件 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01之间E0-入射到材料表面的总声能Er

7、-被材料反射回去的声能精选课件几种简化情况：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）软边界精选课件非垂直入射时：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，精选课件绕射（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，可绕射而不受影响当时，发生绕射现象，与光波看似不同（产生

8、影子）相反，当 时，精选课件 2.5 级的概念 精选课件分 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。1 Np=8.686 dB精选课件退 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:精选课件退 出 人耳听觉范围： 210-5 Pa 20 Pa （痛阈）， 相差100万倍相当于声压级： 0 120 dB;声压变化10倍，声压级变化20dB人耳的分辨力约为：0.5dB0dB不是没有声音精选课件公 式：退 出 2.5.2 声强级 Li定 义: 是人耳听阈下限;

9、人耳听阈上限: I = 1 w/m2 (120dB)即：精选课件 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: -0.29 dB (0); -0.16dB(20)精选课件退 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)精选课件退 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:精选课件退 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:精选课件2.5.4 分贝的加与减 精选课件其中:退

10、 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:精选课件退 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精选课件退 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420Hz，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： f

11、2/f1=2 （分界处为 21/2） 2）1/3倍频程：f2/f1=21/3 （分界处：21/6） f1 ：21/3 f1：22/3 f1：2 f1（= f2）靠带通滤波器来实现 精选课件1/3 Octave 中心频率: 12.5, 16, 20 带 宽: (14.117.8) 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: (11.222.4) (355710)精选课件退 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精选课件第二章 声波的基本

12、特性 第六节 人的主观听音特性 精选课件退 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精选课件退 出 二、听觉范围与特性频率2020kHz，年龄大，高频低声强：0120dB（因人而异），130dB-痒， 140dB-痛最小可辨阈：强度50 dB以上，5010kHz纯音：0.51 dB识别声音三要素： 强弱、音调（频率）、音色（频谱）戴

13、耳机, 中频段: 0.3 dB觉察变化 频率40 dB, 且1kHz, 觉察为0.3% 1400Hz时, 强度差起主要作用f1400Hz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，防止出现声像不一精选课件退 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

14、级高则掩蔽范围大精选课件退 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. 精选课件退 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

15、线变化大高声级, 曲线趋于平缓精选课件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精选课件随距离的发散衰减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）全空间半空间精选课件空气中 Wo 10-12 WIo 10-12 W/m2LI=LW-10lgS=LW-10lg(4r2)=LW-20lgr-11全空间LI=LW-10lgS=LW-10lg(2r2)=LW-20lgr-8半空间精选课件空气吸收的附加衰减Aa20时4

16、10-6精选课件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Ag0.01 f 1/3 d精选课件声屏障衰减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。精选课件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精选课件复 习精选课件平面声波的基本公式简谐振动：精选课件

17、对于简谐振动的平面声波精选课件声波的叠加原理相干波 精选课件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：精选课件不相干波思考：P1和P1e的关系精选课件声压级、声强级、声功率级声压级精选课件 人耳听觉范围： 210-5 Pa 20 Pa （痛阈）， 相差100万倍。相当于声压级： 0 120 dB。声压变化10倍，声压级变化20dB人耳的分辨力约为：0.5dB0dB不是没有声音精选课件声强级精选课件 由于 I = Pe2/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: -0.29 dB (0); -0.16dB(20)精选课件声功率级精选课件由于 I=W/S, 其中S指垂直于声传播方向的面积,