声传播的基础知识课件

1、1音响传播的基础知识，1.1声波的基本性质1，声波的概念“介质的质点的机械振动，从附近向远处传播称为声波” 声学基础“人的耳朵听觉系统感受到的信号称为声音” 环境声学基础声音的传播过程：声源(振动源) -介质(介质、二、典型声波传播形式的平面波：波面为平面。 波动方程式是波动方程式的指数解：平面波传播的特征：声压振幅与传播距离无关。 (声场内声压值到处相等)，2、球面波：波面为球面。 波动方程式是波动方程式的指数解：球面波传播的特征：声压振幅与传播距离成反比。 3、圆柱波：波面为圆柱。 圆筒波传播的特点：声压振幅与传播距离的平方根成反比。 三、描述声波的基本物理量1、频率、波长、音速(运动学量

2、)的声波波动的基本规律是简单的谐振运动：对于平面波，波动方程式的指数解是：其三角函数式相对于简单的高次谐波，声波作为振动运动，其主要描述物理量是： (1)频率f人耳听到的声波的频率约为2020 相对于“音频音”，有“次音”和“超声波”的概念。 不同音响研究领域的声波频率范围：次声： 10-420Hz； 台风、地震、核爆炸、天体运动音频： 2020kHz语言音响、音乐音响、电声、环境音响、生理音响、心理音响、振动音响。 超声波： 20kHz106Hz :水声、生物音响、仿生学。 106Hz108Hz :超声波应用：检查、加工、诊疗等。 超声波： 1081012Hz :物质结构研究。 纯音和复音的

3、概念：单频率的声音叫纯音，包含多个频率的声音叫复音。 (2)波长对音频：最小波长(20Hz )约为28.6m； 低频音(100Hz )约为3.44m； 中间音(1000hz )约为0.344m，高频音(10kHz )约为0.034m。 (3)音速c的音速与振动的特性无关，仅依赖于介质的弹性密度和温度。 空气： c=331.6t常温(20oc):c=344(m/s )常温下的水中音速： c=1480(m/s)0oc时，钢的音速： c=5000(m/s )松木的音速： c=3320(m/s )、2、声压、声音强度、声音功率(单位是帕斯卡。 在声场中，声压是空间位置和时间的函数，空间某点的声压值有瞬

4、时声压(Pa )和有效声压(Pe )的概念。 有效声压是瞬时声压的均方值。 对于谐波，有效声压Pe=Pa/。 人耳感觉声压的下限阈值：2x10-5(pa )，一个标准大气压： 101325(pa )，两者相差10亿倍！ (2)声音强度I的单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积内的平均声音能量称为声音强度。 单位：瓦特/平方米(w/m2 )。 声音高有方向，是矢量。 在平面波中，波面不沿传播方向变化，所以声音的强度也不沿传播方向变化，到处相等。 球面波的波面为球面，随着传播半径变大而变大，因此具有W音源的声音功率。 (3)声压与声压的关系是平面波和球面波的条件，声压与声压与空气的静态密度有关

5、的c0空气中声速3354空气的特性阻抗。 (4)声音功率w单位时间内声源放射的总声音功率称为声音功率。 单位：瓦特。 关于球面音源，声音功率与声音强度的关系既被称为声音功率在整个频率范围发射的功率，又被称为在有限的频率范围发射的功率，还被称为频带声音功率。 声场中的声能通常用声能密度表示：声能密度为单位的体积介质所具有的声能，w/m3。 常见音源的声音功率：3，音级和音级是正常人耳朵能感受到的声音强度和声压范围很大。对于1000Hz纯音，人耳能感知到的听阈值的强度为10-12(w/m2 )，听阈值电压为2x10-5(Pa )； 另一方面，疼痛阈值的声压为1(w/m2 )，对应的声压值为20(P

6、a )。 由此可见，人耳听阈值的声音强度之差达到了10-12倍，声压之差达到了10-6倍。 因此，用声音的强度和声压的绝对值来缩放声音很不方便，如果改变声音的强度和声压的对数标度，就能大幅度地压缩标度范围。 同时，人类耳朵对声音强弱的反应也与声音的强度、声压的对数成正比。 因此，声音的强弱尺度通常采用声音的强度、声压的对数值。 我们熟悉的“声音水平”。 (1)声压级Lp(dB)P某点的声压，N/m2； P0基准声压，2x10-5N/m2(2)声音强度等级LI(dB)I-某点的声音强度，w/m2； I0-基准音强，10-12w/m2。 (3)声音功率电平Lw(dB)W某点的声音功率、w W0基准

7、声音功率、10-12w。 (4)声压级与音强级的关系是一个大气压和室温。 声音等级的定量概念：人耳的可听阈值： 0dB郊外的静夜：约20dB房间的会话声音：离开6070dB米)交通车辆的噪音： 75db (离开10米)对人耳声音强度的分辨率约为0.5dB。 (5)重叠声级的几个不同的音源同时作用于某一点的情况下，如果是无关的音源，则该点的总音级是各音源产生的声级的和，这些总声压是各声压的平方根值：但是，在重叠声级的情况下，不能进行单纯的算术相加例如，从上式可以看出，在重叠了n个声压相等的声音的情况下，在重叠了两个数值相等的声压电平的情况下，声音比1个增加3dB。 两个音源的叠加，在工程学上声压

8、级的叠加计算也可以使用计算表来计算：(参照建声P10表1-3 )、四、声音信号的频率特性、时间特性和方向性1、频率特性自然界的各种声音信号，例如语音、音乐、机械音、风雨音等，都不是单一频率的声音根据声音所包含的频率成分和频率中的能量分布不同。 用频率绘制的这种声能量称为声信号的频谱。 如果声音中包含的频率成分是不连续的、即离散的频率成分，则将该频谱表现为“离散频谱”(线频谱) :如果声音信号包含在一定的频率范围内连续的频率成分，则将该频谱表现为“连续频谱”:在声音测量中在分析精度高的情况下，带宽窄，在分析精度不高的情况下，带宽宽。 p1参照图1-7，p1参照图1-8，常用频带为频率倍频带和1/

9、3倍频带：频率倍频带：上限频率为下限频率的2倍，即1/3倍频带：上限频率为下限频率的(1.26 )倍，即上下限频率也称为截止频率。 倍频频带和1/3倍频频带以频带中心频率fm分割排列。 中心频率为截止频率的几何平均：P12表1-4， 2参照，时间特性音响信号的时间特性也多种多样，例如连续稳定、中断、起伏变化、脉冲性等，几乎周期性地确定的准周期稳定信号不确定(随机)不连续(语音)非稳定信号瞬间(脉冲音)、(0100 ) 因此，了解音响信号的时域与频域之间的对应关系是分析和掌握音响信号的特性所必要的。 参照“环基”p14、3、音源的方向性、所谓的音源方向性，音源在自由声场中形成的声场强度在空间上分

10、布不均匀。 产生音源方向性的原因，对于单一音源，对于音源自身的标度和放射声波的频率有关系的多音源，除了自身的标度和放射频率，还与音源间的干扰有关系。 记述方向性的参数，(1)方向性系数方向的声音强度-所有的放射方向的平均声音都很强。(2)方向性指数(dB )，(参照P13图1-9 )结束？ 继续吗？ 1.2室外声音的传播室外声音的传播特点：在大气环境中的发散传播受到气象、地形等条件的影响。 另一方面，室外声音传播的发散规则1，点音源向自由场放射的理想的点音源放射是球面波。 稳态声源有：用声级表示： (dB)声级衰减。 传播距离加倍，声级衰减约6dB是球面波在自由场中传播的规律。 2、指向性声源

11、的辐射相对于指向性声源，声场的各方向的辐射强度不相等，但在辐射的远场区，沿某个方向的传播规则可以视为球面波的传播，声源的指向性随频率而变化，必须与一定的频率(段)相对应。 3、半自由声场中的辐射是刚性壁面，半自由声场中的声压是直接音和反射音的重叠。 当音源的高度h远小于波长(低频音)，或音程差(r1 r2)-r小于波长时，直接音和反射音接近同相位，声波发生干涉，总声压为没有反射波时的2倍，声压水平增加6dB。 但是，在实际问题中，满足理想声源和同相条件的声辐射很少，即实际声场的某处声压应该是各种频率不同相位的声波的叠加。 因此，重叠的声压值不一定是直接声音的两倍。 (环基P17 )对于放射宽频

12、率噪音的实际音源，声场为“扩散声场”，即半自由声场中的各种频率的声波信号的相位是随机的，与声场中的直接声和反射声无关，因此，有声场的场所的平均声能密度是直接声和反射声的和，即声声压级会增加3dB而不是6dB。 在该情况下，应该表现为在某个传播方向上，球面波的传播规则：距离变为2倍，声压下降6dB。 4、半自由场的线声源在实际的环境声音问题中，可以和线路上的列车、道路上的汽车队一样近似线声源。 机车和汽车所放射的是宽带的噪音，因为相互没有固定的相位关系，构成了“无关的线音源”。 (1)无限长音源：连续分布圆柱波，(式的导出：“环境音响基础”p18参照图1.10 )，(2)有限长线音源： W总放射

13、音功率l线音源长度。 在观察点离线声源近的情况下，视角： 圆柱波在观察点离线声源远的情况下，视角： 球面波可以证明经典吸收的大小与声波频率的平方成正比。 2、所谓分子缓和吸收，是指通过分子的自由度能(移动和旋转能)和内自由度能(振动能)的再平衡(分配)的能量吸收。 研究表明，经典的吸收和缓和吸收都与空气的气压、温度、湿度密切相关。 特别是空气湿度对分子振动缓和的影响很大。 在环声工程学中，Aa20oc时，每100米衰减的分贝数f-频率(Hz) r-传播距离(m) -相对湿度。 根据温度，可以修改： -和20oc的温差值。 使用工程中常用的空气吸收衰减表计算衰减值：三、气象条件对声音传播的影响1

14、、雨、雪、雾的影响雨、雾和雪天气的其他气候条件，如温度、湿度和风等有利于声波的传播，其综合效应引起的超额衰减实际上可以忽略。 实验显示，雨、雪、雾的影响下的衰减小于0.5(dB)/100m。(参照环基P20表1-1 )、2、温度梯度对声音的传播的影响是大气中的音速与空气的绝对温度的平方根成比例，因此当随着大气温度的升高而减少时，例如在晴天白天声线向上弯曲，产生声音影区域(参照音响手册p45 )，3，风场对声音传播的影响由于地面的摩擦作用，风速梯度在高度方向上呈正分布。 声波顺风传播时，由于受风速的影响，音速在地面的高度方向上增加，因此声线向下弯曲，声波向逆风传播时，音速沿地面的高度减少，因此声

15、线向上弯曲，产生声音影响区。 (见声学手册p45 )，实际声场的气象条件很复杂，一是各种因素的综合影响，二是气象条件不稳定。 由此声波在大气中传播的声音水平随机起伏。 在比较稳定的气象条件下，静夜、弱风时，声级起伏约为5dB；不稳定气象条件下，晴天、强风时，声级起伏可达1520dB。 在这种情况下，在现场进行音响测量时，必须注意修正以得到正确的结果。 四、地面效应对声音传播的影响地表效应对声音传播的影响主要因地表情况而异，因此情况很复杂。 在一般的非刚性地面，例如草坪、田地等，在30m70m的近距离，地面效应引起的衰减可以忽略。 另外，在70m700m的远距离中，可以用超过衰减(dB/100m

16、 )来记述。 (1)厚草坪和灌木林的过衰减对于1000Hz纯音，厚草坪和灌木林的过衰减能达到25dB/100m的不同频率声波，有以下近似关系：过衰减(dB) r-路程长度(m )。 (2)树林的过度衰减声波通过树林时，根据树种、密度会产生不同的声阻抗。 浓密的常绿林对1000Hz纯音具有约23dB/100m衰减的树干稀疏的林只有3dB/100m衰减。 各种森林的平均超额衰减可以近似为，1.3声波碰撞界面和障碍物时的传播1，声波的反射和吸收声波在传播中碰撞线度比波长大的挡板时，产生声波的反射。 1、声波的反射(1)平面波的反射：遵循斯内尔定律。 (a )入射线、反射线和反射平面的法线在同一平面内

17、；(b )入射线和反射线分别在法线的两侧；(c )反射角与入射角相等。 (参见声基P206图4-10-3 )，(2)球面波(点声源)的反射：符合镜像原理。 (3)凹凸面反射凸面：产生散射的凹面：对焦。 2、声波的吸收声波入射到建筑部件(墙壁、天花板等)的表面时，声能量的一部分被反射，一部分透过部件，一部分部件的振动和声波在其内部传播时被介质的摩擦和热传导消耗，通常称为材料的吸收。 (参照环基P23图1.18 )、(建声P4参照图1-4 )、(建声P5参照图1-5 )根据能量保存规律，将反射声能与入射声能之比设为“反射系数”，r :将透射声能与入射声能之比设为“透射系数”，将材料的吸音系数设为“工程上， 吸音系数大于0.2的材料可以容易地推定为“吸音材料”，材料的透过音性能用遮音量r表示，遮音量r和透过系数的关系(dB )明显是透过系数越小的材料，遮音性能越好。 二、声波的散射和衍射一、声波的散射声波传播的过程中，遇到小凸状的粗糙界面(直线尺寸小于波长的1/7 )时，被分解成很多小反射波，传播的立体角扩大的现象称为扩散反射。 漫反射分为完全扩散和部分扩散两种。 完全扩散反射：入射声线均匀地向四面八方反射，反射方向分布与入射方向无关。部分漫反射