第二讲-噪声控制中的声学基础一

1、Chapter 2 噪声控制中的声学基础,2.1 声音的基本性质与度量 2.2 声波的基本类型 2.3 声波的叠加 2.4 声波的传播和衰减 2.5 声级及其运算,2.1.1 声波的产生,噪声：声的一种，因而具有声波的一切特性。 声源：声音的产生源于物体的振动，产生声波的振动源称为声源。 物体振动产生的声音通过中间弹性媒质（气体、液体或固 体）传入人耳，人们才能感觉到声音的存在。 在气体、液体或固体中传播的声音分别称为气体声、液体声和固体声。,2.1.2 声音的产生和传播,声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。 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

2、。,理解： 声音在弹性媒质中传播时，媒质本身并不被带走，媒质（分子）只在其平衡位置振动。声音传播是物体振动形式的传播，故声音被称做声波。 声波是交变的压力波，属于机械波。 空气中传播的声波属于纵波（质点的振动方向与波的传播方向一致）；固体中传播的声波既有纵波，也有横波（质点的振动方向与波的传播方向垂直）。 介质中有声波存在的空间称为声场。 声波传播的方向叫做声线。 某一时刻声波所到达的各点连成的曲面，称为波阵面。,a）平面声波 b) 球面声波 图2-1 平面声波和球面声波的波阵面,2.1.2 描述声波的基本物理量,2.2.1 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

3、移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.2.1 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)。,2.2.1 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。,2.2.1 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）,声音在空气中的传播速度为： 上式中t为温度（），一般计算

4、空气中的声速时，可按15，声速取值为340m/s。,1. 声压与声压级 2. 声强与声强级 3. 声功率与声功率级 4. 声能密度 5. 频谱和频程,2.2.2 声波的物理量度,2.2.2 声波的物理量度,1.声压和声压级： 当没有声波传播，空气未受到扰动时，可认为各处的压强恒定，等于大气压强P0(图1-2)。当有声波传播时，空气受到扰动时，媒质各处存在着疏密交替变化，压强也在大气压强附近起伏变化，并改变为P，声扰动产生的压强改变量称为声压p，其单位为pa，即,静态压强,正常人耳刚刚能听到的声压称为听阈声压，其值为： 使人耳产生疼痛的声压称为痛阈声压，其值为：,1.声压和声压级,a.瞬时声压：

5、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。,对于正弦波声波，有效声压等于瞬时声压最大值除以,1.声压和声压级：,日常生活中声音的声压数据 (Pa),c. 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：,1.声压和声压级：,声压级单位：分贝。,人们用能量表示声音强弱。声波作为一种波动的形式，将声源能量向空间辐射，在媒质中传播，使媒质的质点在平衡位置附近往复运动，产生动能，且使媒质产生压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变势能，这两部分能量之和就是声扰动媒质使之产生的声能量。,2.声强和声强级：,2.声强和声强级：,a.

6、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 。,b.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.声强和声强级：,声强级单位：分贝。,声压级和声强级的关系：,3.声功率和声功率级,a.声功率W: 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.声功率与声强的关系,球面辐射时：,波阵面面积,在自由声场中，声波作球面辐射（如图1-3），声能向周围空间辐射且无反射时，声功率与声强有如下关系：,问题：在半自由声场中（如声源放置于

7、刚性地面，声能只向半空间辐射）？,平均声功率是指单位时间通过垂直于声传播方向上面积为S的平均声能量。 根据声强的定义有：,c.声功率级,声功率级单位：分贝。,4.声能密度,定义： 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：,人可听到声音的频率范围大约在2020kHz，高达1000倍的变化。声音按频率可分为次声、可闻声和超声。次声指低于人听觉范围的声波，即频率低于20 Hz的声音；频率高于20k Hz，也是人耳察觉不到的声音，称为超声。只含单一频率的声音为纯音，由多种频率组成的声音为复合声。,5.频程和频谱：,由能量叠加原理可知，频率不同的声波是不会产生干涉的，即使

8、这些不同频率成分的声波是由同一声源发出的，总的声能仍是各频率分量上的能量叠加。在声学研究中，将宽广连续的频率范围划分成若干个相邻的小段，称为频程（频段、频带）。 每个小频程内的声能量被认为是均匀的。不同的噪声，含有的频率成分及各频率上的能量分布是不同的，这种频率成分与能量分布的关系称为声音频谱。按各频段上声能(或声压等)分布绘成的图形，称为频谱图。,5.频程和频谱：,a.频谱图： 以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音 的频谱图。,研究声音强度(如声压级、声强级和声功率级)和材料的声学特性（如吸声系数、隔声量等）随频率分布的规律是非常必要的。一般声音的频谱形状大体可分为线状谱、连续谱和复合

9、谱三种。,线状谱：一些离散而独立的频率成分形成的谱，在频谱图上为一系列竖直线段图1-4（a）。 些管弦乐器发出的声音属于线状谱。 谱线中频率最低的成分成为基音，其他频率较高的成分为泛音，泛音为基音的整数倍，基音的大小决定音乐的调，泛音的数目多少决定了声音的音色，泛音数目越多，声音听起来越饱满悦耳。,即使音调相同、强度相同，人们也能根据不同乐器的泛音特性而分辨出乐器的类型。一定频率范围内含有连续频率成分的声谱称为连续谱。 声能连续地分布在广阔的频率范围内，在频谱图中是一条连续曲线图1-4（b），大部分噪声属于连续谱，波形都是杂乱无章，声强随频率随机分布。 连续频率成分和离散频率成分组成的声谱称为

10、复合谱图1-4（c），有些声源，如鼓风机、车床、发电机等的噪声谱属于复合谱。听起来带有较为明显的音调的称为有调噪声。,人们在日常生活中所听到的各种声音大都是由不同频率、不同强度的纯音复合而成的。 噪声治理时： 首先：要测量噪声各中心频率处的声压级。 然后：进行频谱分析得到噪声频谱，由此能清晰看出各个频率范围内声压级的分布情况，分析噪声的成分和性质，找出峰值噪声所在频段，为有效的噪声控制提供可靠的理论依据。,常见噪声的频谱图,在进行频谱分析时，可测出线状谱声音单个频率处的声压级或声强级。但对于连续谱声音，只能测出某个频率附近带宽以内的声压级或声强级。 两个频率不同的声音作比较时，有决定意义的是两

11、个频率的比值，而不是它们的差值。设分别为任一频段的上限和下限频率，则该频段的带宽为：,设,中心频率（即几何中心频率）为 ：,式中n为正实数， 当n=1、n=1/3时，分别称为1倍频程和1/3倍频程。噪声测量和控制中，最常用的是1倍频程和1/3倍频程。而1/3倍频程把频率分得更细，可清楚地找出噪声峰值所处的频率。在噪声控制中，用l倍频程或1/3倍频程中心频率（Hz）值为横坐标，声压级(或声强级、声功率级) (dB)为纵坐标，来描述噪声强度和频率的关系。,表1-1 1倍频程和1/3倍频程的中心频率及频率范围,2.2 声波的基本类型,在均匀的理想流体中的小振幅声波的波 动方程为：,或,2.2.2 声

12、波的类型,波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。 根据波阵面的形状可将声波分为不同的类型。 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直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。,2.2.2 声波的类型,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。 波前： 声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。,1.平面声波：,1.平面声波：,a.波动方程：,对于简谐振动而言：,1.平面声波：,b.质点振动速度： 对于简谐振动而言：,质点振动的速度振幅,1.平面声波：,c.声阻抗率：,对于平面声波而言：,媒质的特性阻抗，单位（Pas/m）,1.平面声波：,d.声线： 相互平行的一系列直线。,2.球面声波：,波阵面是以任何值为半径的球面。 a.波动方程：,对于从球