第二章声学基本知识.ppt

1、环境噪声控制工程,环境科学与工程学院,Chapter 2 声波的基本性质及传播规律,2.1 声音的产生及描述方法 2.2 声波的叠加 2.3 声波的频率和噪声的频谱 2.4 声波的反射、投射和衍射 2.5声源的辐射 2.6声波在传播过程中的衰减,2.1声音的产生及描述方法,物体的振动是产生声音的根源。 声波是一种机械波，声波的产生和传播： 声源的振动、声源周围存在弹性介质。,2.1声音的产生及描述方法,声源： 我们把产生声音的振动物体称作声源。 分类：固体声源、液体声源和气体声源。,声源的振动,弹性媒介振动,声波,空气、固体、液体,2.1.1 声音的产生,声波：这种向前推进着的空气振动称为声波

2、。 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。,2.1.2 描述声波的基本物理量,振幅,位移,位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.1.2 描述声波的基本物理量,1.周期： 质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。 2.声波频率： 一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。,2.1.2 描述声波的基本物理量,3.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。,2.1.2 描述声波的基本物理量,4.声速：振动在媒质中传播的速度。 媒

3、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。,表 21.1 时声速近似值（m/s）,总结:描述声波的基本物理量 声压 p=(P-P0) 帕斯卡（Pa） 波长 =c/f 米 （m） 周期 T 秒 （s） 频率 f =1/T 赫兹 （Hz） 声速 c 米每秒（m/s） 空气中 c=331.45+0.61t 340 m/s,2.声压,静态压强,1.声压和声压级,a.瞬时声压：某一瞬间的声压。 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。,1.声压和声压级：,日常生活中声音的声压数据 (Pa),3.声能量、声能密度,定义： 声场中单位体积媒

4、质所含有的声能量。 介质的振动动能 介质产生膨胀和压缩形变势能,3.声能量、声能密度,对于在自由空间内传播的平面声波而言：,声能密度：,平均声能密度：,4.声功率、声强,a.声功率: 声源在单位时间内辐射的总能量，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。,b.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 。,4.声功率、声强,1.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：,2.1.3 声强级、声压级和声功率级,声强级单位：分贝。,2. 声压级: 该声音

5、的声压与参考声压的比值取以10为底 的对数再乘20，即：,声压级单位：分贝。,2.1.3 声强级、声压级和声功率级,3.声功率级,声功率级单位：分贝。,2.1.4 声压级和声强级的关系：,2.2声波的叠加,1.声压的叠加,不同位置的声源，发出的声波分布传播到介质中的同一点上，该质点受两个声源共同影响而振动，两个声波在该点叠加。,2.2声波的叠加,2.声波的叠加 如果，两个声波频率相同，振动方向相同，且存在恒定的相位差。则：,由叠加原理可知： 由三角函数可知：,2.2声波的叠加,2.2声波的叠加,2.2.1相干波和驻波 A、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，

6、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。 能产生干涉现象的声波称为相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源。,声波的干涉现象,B:驻波：声压值随空间位置不同有极大值和极小值的周期波。 2.2.2 不相干波： 不相干波：多个声波或频率互不相同，或者是相互之间并不存在固定的相位差，或者是两者兼有等，这些声波是互不相干的。,2.2.3级的概念,日常生活中会遇到强弱不同的声音。这些声音的强度变化范围相当宽。 人说话声功率：10-5W； 火箭发射时： 109W。 数值相差较大，故用对数标度。对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值

7、称为被量度量的“级”。,*级的运算,a.级的叠加（公式法） 当n个声源互不干涉时：,当n=2时，,a.级的叠加（公式法）,由于：,代入上式：,a.级的叠加：,当n个声源时，,表示为声压级：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,则：,代入下式中：,可得：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,a.级的叠加：,Lp,a.级的叠加：,求出总声压的有效值,当n个声源发生干涉时： 先求出瞬时声压,求出总声压级,b.级的相减,仪器测 的噪声,声源真实噪声,背景噪声,b.级的相减,b.级的相减：,在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB、87 dB、90 dB、95 dB、96 dB、91 dB、

8、85 dB、80 dB，求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少？,有一声源，在某一点测得各中心频率的声压级如下，求该点的总声压级？,2.3声波的频率和噪声的频谱：,a.频谱图： 以频率为横轴，以声压（幅值或相位）为纵轴，绘出的图叫声音 的频谱图。,常见噪声的频谱图,2.3.2倍频程：,b. 频程： 为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分 为若干个较小的频段，称为频段或频程。,2.3.2倍频程：,n=1 称为倍频程 n=2 称为2倍频程 n=1/3 称为1/3倍频程,在实际的噪声测量中，常把可听声的频率2020000Hz按倍频程或1/3倍频程进行划分，分别有11个和31个频率段，然后测得

9、每一频率段的中心频率对应的声压级，从而了解噪声的频率特性。,2.4声波的反射、透射、折射和衍射,声波在空间传播时会遇到各种障碍物，或者遇到两种媒质的界面。这时，依据障碍物的形状和大小，会产生声波的反射、透射、折射和衍射。 声波的这些特性和光波非常相似。,2.4.1、垂直入射声波的反射和透射,p2 u2,（1）反射系数和透射系数,声压的反射系数的定义为反射声压与入射声压的比值。 声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。,当声波垂直入射时的反射系数和透射系数,当声波垂直入射时，声压的反射系数和透射系数可以表示为：,声强的反射系数和透射系数可以表示为：,能量守恒定律：,斜入射声波的入射、反射、折射

10、,a,pi,pt,pr,（2）声波的反射定律与折射定律,a,入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足Snell定律：,a.反射定律：,b.折射定律：,a.声压的反射系数和透射系数,在边界上，两面的声压与法向的质点速度应该连续，即：,可以导出：,b.声强的反射系数和透射系数：,c. 吸声系数,定义： 我们将入射声波在界面上失去的声能（包括透射 到媒质2中去的声能）与入射声能之比称为吸声系 数。,rp 的数值与入射方向有关，因此也与入射的方向有关。,2.4.2 声波的散射与衍射,1.声波的散射 在声波传播过程中，遇到的障碍物表面较粗糙或者障碍物的大小与波长差不多，则当声波入射时，就产生各个方

11、向的反射，这种现象称为散射。 声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。,2.4.3 声波的散射与衍射,2.声波的衍射： 在声波传播过程中，遇到的障碍物或孔洞时，如果声波的波长比障碍物尺寸大得多，声波会绕过障碍物而使传播方向改变，这种现象称为声波的衍射。,声波的衍射,2.5 声源的辐射,2.5.1.声场 a.声场的概念： 声场是指传播声波的空间。 按声场的性质可以将声场分为： 自由声场； 扩散声场； 半自由声场,b. 声场的分类,自由声场：均匀、各向同性的流体媒质中，若声场不受边界的影响，或者声场的边界在无穷远处，这时的声场叫自由声场。 半自由声场：如果存在一个全反射面，反射面上

12、方不存在边界的影响，则称为半自由声场。 扩散声场：也称为混响声场，声波在室内等封闭空间内传播时，存在许多反射面，声波经过壁面和室内物体多次反射，不断改变传播方向，使室内声的传播完全处于无规状态。,自由声场（Free Sound Field）,消声室,自由声场（Free Sound Field）,消声室,2.5.2点声源在自由空间中的辐射,如果声源尺寸与它辐射的声波波长相比很小，则可看成点声源或球面声源，它向周围介质辐射球面声波。 声强级,声压级约等于声强级 则： 从r1处传播到r2处时声强或声压衰减量为：,声源的指向性：声源发出的声波，在各个方向上的声压分布并不一定相同，这种随方向分布的不均匀

13、性，称为声源的指向性。 指向性因数：在离声源中心不同距离处，测量球面上各点的声强，求得所有方向上的平均声强，将某一方向上得声强与其相比就是该方向的指向性因数：,考虑到声源的指向性，需要对声压级的计算公式进行修正，自由声场中在某一方向上的声压级公式可表示为：,DI是指指向性因 数，,声源的指向性与声源的尺寸有关。 声源的指向性与频率相关。,例：测得离点声源较远的10米的声压级为60dB,求该声源声功率W。 解：点声源发出的声波为球面波，球面积 由声压级、声强级和声功率级的关系,2.5.2.点声源在自由空间中的辐射,点声源在半自由自由声场辐射的一般为半球面波，波阵面面积可表示为： 对无指向性声源：

14、,对指向性指数为D1的声源：,2.5.4半自由空间的线声源,r0L/，线声源视为无限长线声源： r0L/，线声源视为点声源。 对于半自由声场,L,A,r0,几种典型声源的辐射特性,2.6 声波在传播中的衰减,1.扩散引起的衰减（Ad） 2.空气吸收引起的附加衰减 （Aatm） 3.地面吸收的附加衰减（Ar） 4.声屏障衰减（Ab） 5.气象条件的影响（Am ）,1.空气吸收引起的附加衰减,空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而损耗，称为空气吸收。这种吸收称为经典吸收。 弛豫吸收：所谓弛豫吸收是指空气分子转动或振动时存在固有频率，当声波

15、的频率接近这些频率时要发生能量交换。能量交换的过程都有滞后现象，这种现象称为弛豫吸收。,2.6 声波在传播过程中的衰减,1.空气吸收引起的附加衰减,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：,声波的频率，Hz,相对湿度,传播距离，m,2.6 声波在传播过程中的衰减,1.空气吸收引起的附加衰减,对于不同温度，可采用下式来估算：,与20相差的摄氏温度,=410-6,2.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70m以上 应予以考虑。,2.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：,声波的频率，Hz,传播距离，m,2.地面吸收的附加衰减,声波穿过树木或者森林时，不同树林的衰减 相差很大，在1000赫兹时： 浓密的常绿树树冠 23 dB100m 地面上稀疏的树干 3 dB100m 各种树林平均的附加衰减大致为：,3.声屏障衰减,当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时 会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。,2.声屏障衰减,声波遇到屏障时会产生反射、透射和衍射三种传播 现象。 屏障的作