《声学基本知识》PPT课件.ppt

1、环境噪声控制工程,Chapter 2 声学基础知识,2.1 声音的产生和传播 2.2 声波的描述 2.3 声波的传播特性 2.4 声源的辐射特性,2.1声音的产生和传播,物体的振动是产生声音的根源。 声源： 凡能产生声音的振动物体称作声源。,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: 声音的传播是物体振动的传播,声音产生于物体的振动并通过气体、液体或固体以波的形式进行传播，声音是物质的一种运动形式，即波动。,2.2 声波的描述,2.2.1 描述声波的基本物理量 2.2.2 声音的物理量度 2.2.3 声波的类型,2.

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

3、速近似值（m/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：,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),人耳感觉听阈到痛阈的范围是: 210-5 20 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。,用声压级表示人耳听阈与痛阈范围是:0

4、 120 dB,2.声强和声强级：,a.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: 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,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

5、于在自由空间内传播的平面声波而言：,5. 声音的频率分析(频程和频谱),（1）频段及其划分,（2）倍频程,n 倍频程数，正实数 f1,f2任一频程的上限和下限频率,（3）中心频率,频程又称频带。两个声或其他信号的频率间的距离,是频率的相对尺度。以高频与低频的率比的对数来表示。此对数通常以2为底,单位称为倍频程(oct)。也可以以10为底的对数表示,此时单位为10倍程。,每频程的上限与下限频率的几何平均值称为该频程的中心频率 中间8段称为倍频程中心频率。将每一倍频程再分为3份，称为1/3倍频程中心频率。 噪声测量最常用的是倍频程中心频率和1/3倍频程中心频率。,声音可以分解为若干（甚至无限多）频

6、率分量的合成。为了测量和描述声音频率特性，人们使用频谱。频率的表示方法常用倍频程和1/3倍频程。倍频程的中心频率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz十个频率，后一个频率均为前一个频率的两倍，因此被称为倍频程，而且后一个频率的频率带宽也是前一个频率的两倍。在有些更为精细的要求下，将频率更细地划分，形成1/3倍频程，也就是把每个倍频程再划分成三个频带，中心频率是20、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1K、1.25K、1.6K、2K、2.5K、3.15K、4K、5K、6.3K、8

7、K、10K、12.5K、16K、20KHz等三十个频率，后一个频率均为前一个频率的21/3倍。,（5）频谱分析：使声音的强度成为频率的函数并考察其变化规律 以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音的频谱图。,线谱,连续谱,混合谱,噪声频谱分析的目的：分析了解噪声的成分和性质，了解峰值噪声在 低频、中频、还是高频段，为噪声控制提供依据,*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

8、：,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：,（1）按介质质点振动与波动传播方向的关系分： 横波：介质质点的振动和波动的传播方向相垂直的声波。 纵波：介质质点的振动和波动的传播方向相一致的声波。 在本课程中，主要讨论声波在空气的传播，空气具有体积弹性，声波在空 气中主要以纵波形式传播。,（2）按波阵面分： 波阵面：声波在介质中传播时，其相位相同的各点连成的面称为波阵面 球面波：波阵面为以声源为中心的同心球面 平面波：波阵面与传播方向垂直的波

9、柱面波：波阵面是同轴柱面的波,（3）按介质质点振动的连续性分： 连续波：声波在介质中传播时，介质中各质点均作连续不断地振动。 脉冲波：声波在介质中传播时，各质点均作单个的或间歇的脉冲运动。,2.2.3 声波的类型,声波的波动方程,1 目的： 为了定量地研究声波在介质中传播的规律，就必须首先了解介质运动时这些物理量(声压、密度、振动速度)之间的基本关系，从而推导出描述介质声场中物理量的波动方程式 。,2 方法： 为了确定声压、密度、振动速度三个物理量之间关系，我们从物理概念出发来建立各变量间相互关系的方程式，这三个方程式是： 1).运动方程（牛顿第二定律的应用）给出了p和u之间的关系。 2).连

10、续性方程质量不灭定律的应用）给出了u和（密度）之间的关系。 3).物态方程（绝热压缩定律的应用）一给出了p和之间的关系。 联立以上三个方程，即可求出波动方程-p、u和对时间空间坐标的偏微分方程式。从而建立声波的波动方程。,3 方程的基本假设 1).介质是理想介质，即不考虑介质的粘滞阻力和热交换，因而假设在声波的传播过 程中没有能量的损耗，介质对声能没有吸收。由于假没过程进行得很怏，因此可 以认为介质体积发生形变时没有热交换，即为绝热过程。 2).假设声波是小振幅声波，即满足： 声压P比大气压Po要小得很多，即 P Po 质点的位移比波长要小得很多，即 ； 质点振动速度u比声速c要小得很多，即

11、u c， 介质密度的相对变化要远远小于1，即 3).介质在宏观上处于静止状态，并忽略介质体元本身的自重作用。 上述假设总称为理想流体介质小振幅假定。在实际情况下，这些是很容易满足的满足其中一个，其它的也就满足了。,运动方程,连续性方程,物态方程,消去p、u、中任意两个,可得声压波动方程,在三维直角坐标系中：,在均匀的理想流体中的小振幅声波的波 动方程为：,或,在球坐标系中：,在圆柱坐标系中：,在直角坐标系中：,半径,方向角,极角,圆柱截面直径,Z轴坐标,方向角,声波的类型,波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。 根据波振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

12、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。,2.2.3 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：,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：,也称声射线,指自声源发出的代表能量传播方向的直线.,在平面声波中,声线表示相互平行的一系列直线。,2.

13、球面声波：,波阵面是以任何r值为半径的球面。 a.波动方程：,对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：,特点：振幅随传播距离r的增加而减少，二者成反比关系。,2.球面声波：,b.声线： 是由声源点发出的半径线。,3.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：,对于远场简谐柱面声波而言：,特点：振幅随径向距离的增加而减少，与距离的平方根成反比关系。,3.柱面声波：,b.声线：是由线声源发出的径向线。,2.2.2声波的类型,声波的类型,2.3 声波的传播特性,2.3.1 声场 2.3.2 声波的反射、透射、折射 2.3.3 声波的散射与衍射 2.3.4 声波的叠加 2.3.5

14、 声波在传播中的衰减,2.3.1 声场（Sound Field）,1.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,2. 声场的分类,自由声场: 我们把可以忽略边界影响，由各向同性的均匀 介质形成的声场称为自由声场。,2. 声场的分类,扩散声场（混响声场） : 如果室内各处的声压级几乎相等，声能密度也 处处相等，那么这样的声场就叫做扩散声场 （混响声场）。 半自由声场(半扩散声场):,2. 声场的分类,半自由声场(半扩散声场):,声波的反射、透射、折射,a,pi,pt,pr,1.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

15、波的传播方向应该满足Snell定律：,a.反射定律：,b.折射定律：,c.与折射定律有关的讨论,由折射定律可知： 声波的折射是由声速决定的。,思考题： 1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？ 2.为什么逆风传播的声音难以听清？,2.反射系数和透射系数,a.声压的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。,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：,3. 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）

16、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。,4.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：,2.3.3 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。,2.3.3 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

17、方向改变，这种现象称为声波的衍射。,2.3.4 声波的叠加,1.声压的叠加 2.能量的叠加,2.3.4声波的叠加,3.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。,2.3.5 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 （Aa） 3.地面吸收的附加衰减（Ag） 4.声屏障衰减（Ab） 5.气象条件的影响（Am ）,1.扩散引起的衰减,扩散衰减的定义

18、： 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。,1.扩散引起的衰减,根据声强的定义：,波阵面面积为S处的声强级可表示为：,1.扩散引起的衰减,由于：,将W0=10-12 W、I0=10-12 W代入式中便得到：,1.扩散引起的衰减,因此从S1处传播到S2处时的发散衰减可表示为：,a.平面声源的扩散衰减,当平面声源辐射平面波时：,因此从S1处传播到S2处时的发散衰减：,b.点声源的扩散衰减,点声源辐射的一般为球面波，波阵面面积 可表示为：,因此从r1处传播到r2处时的发散衰减：,c.线声源的扩散衰减,r0L/，线声源视为无限长线声源： r0L/，线声源视为点声源。,L,A,r

19、0,d.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。,L,a,b,A,r0,ab,2.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.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.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,=410-6,3.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70m以上 应予以考虑。,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：,声波的频率，Hz,传播距离，m,3.地面吸收的附加衰减,声波穿过树木