第二章声学基本知识

1、环境噪声控制工程环境科学与工程学院环境科学与工程学院Chapter 2 声波的基本性质及传播规律 o 2.1 声音的产生及描述方法o 2.2 声波的叠加o 2.3 声波的频率和噪声的频谱o 2.4 声波的反射、投射和衍射o 2.5声源的辐射o 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。分类：固体声源、液体声源和气体声源。声源的振动声源的振动弹性媒介弹性媒介振动振动声声波波空气、固体、

2、空气、固体、液体液体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。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)2sin(ftx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，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1.1.周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。2 2.声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。频率范围(Hz)20000声音次2000超低频声 中频声 高频定义声音频声声2.1.2 描述声波的基本物理量3.波长：声波两个相邻

3、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。cTfcTf12.1.2 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。媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表 21.1 时声速近似值（m/s）总结总结:描述声波的基本物理量描述声波的基本物理量声压声压 p=(P-P0) 帕斯卡（帕斯卡（Pa）波长波长 =c/f 米米 （m）周期周期 T 秒秒 （s）频率频率 f =1/T 赫兹赫兹 （Hz）声速声速 c 米每秒（米每秒（m/

4、s）空气中空气中 c=331.45+0.61t 340 m/s2.声压)(0ppp静态压强1011011cos()cos()pPtkxPt1.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。TedttpTp02)(1 1.声压和声压级：声音种类声压声音种类声压正常人耳能听到最弱声210-5织布车间2普通说话声（1m远处）210-2柴油发动机、球磨机20公共汽车内0.2喷气飞机起飞200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

5、能 pkEEE3.声能量、声能密度 对于在自由空间内传播的平面声波而言： 202cpe0VE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。WcSb.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 。220eeeepWIcp ucuSc4.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：0lg10IILI212010mWI2.1.3 声强级、声压级和声功率级声强级单位：分贝。2. 声

6、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：20010lg()20lgpppLppapp50102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0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。10lgIWLLS0lg10IILI20 0200 0010lg20lg10lgIcpcpLpcpccPI2cLLpI400lg102.1.4 声压级和声强级的关系：2.2声波的叠加 o 1.声压的叠加niinppppp121 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 o 2

7、.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：1011011cos()cos()pPtkxPt2022022cos()cos()pPtkxPt由叠加原理可知：由三角函数可知：2.2声波的叠加12cos()TpppPt22201020102212cos()TPPPP P1011022011022sinsintancoscosPPPP122121212()()()()ttk xxxx2.2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，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

8、振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象干涉现象。 能产生干涉现象的声波称为相干波相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源相干声源。 声波的干涉现象声波的干涉现象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o 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，这个对数值称为被量度量的“级”。*级的运算 a.级

9、的叠加（公式法） 当n个声源互不干涉时：222212.nTpppp当n=2时，22212pppTa.级的叠加（公式法） 由于：0lg20ppLp201 . 0210pppL代入上式：)1010(101021211 . 01 . 020201 . 0201 . 022212ppppLLLLTppppppa.级的叠加：当n个声源时，211 . 01 . 02021010lg10lg10ppTLLTpppLniLpipTL11 . 010lg10表示为声压级：a.级的叠加（查表、图法）： 21pppLLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg10211 . 01 . 01010l

10、g10ppTLLpL则：pppLLL12代入下式中：可得：a.级的叠加（查表、图法）： 1 . 0101lg101pTLppLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg101LLLppTpLL1 . 0101lg10a.级的叠加：pLL1 . 0101lg10Lp1LLLppTa.级的叠加： 求出总声压的有效值niLpipTL11 . 010lg10当n个声源发生干涉时：先求出瞬时声压niinppppp121.求出总声压级b.级的相减SpBpTLLpL1 . 01 . 01010lg10BpTpSLLpL1 . 01 . 01010lg10仪器测的噪声声源真实噪声背景噪声b.

11、级的相减BTBpppLLL令：BpSTSLpppLLL1 . 0101lg10b.级的相减： STSpppLLLBTppLLBpSLpL1 . 0101lg10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、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？ n1iL1 . 0pipT10lg10LdB2 .1001010101010101010lg10L0 . 85 . 81 . 96 . 95 . 90 . 97 . 84 . 8pt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？中心频率

12、/Hz631252505001000 2000 4000声压级/dB70778088909584n1iL1 . 0pipT10lg10LdB9710101010101010lg10L4 . 85 . 90 . 98 . 80 . 87 . 70 . 7pt2.3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。nff21212fff ffnn)212(122logffn 2.3.2倍频程：n=1 称为倍频程n=2 称为2倍

13、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、垂直入射声波的反射和透射p2 u2piprpt1c12c20 xp1 u1p1=p2 u1=u2p1= pi +pru1= ui +urp2= ptu2=

14、ut（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。irpppr itppp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：11221122ccccpprirp1122222cccppitp211221122ccccIIrirI2112222114ccccIIitI声强的反射系数和透射系数可以表示为：1IIr能量守恒定律：斜入射声波的入射、反射、折射11ci22capiptprrt（2）声波的反射定律与折射定律ria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：21

15、1sinsinsinccctria.反射定律：b.折射定律：21sinsincctia.声压的反射系数和透射系数o 在边界上，两面的声压与法向的质点速度应该连续，即：tripppttrriiuuucoscoscostitiirpccccpprcoscoscoscos11221122tiiitpcccppcoscoscos2112222可以导出：b.声强的反射系数和透射系数：21122112222112112coscoscoscos22titipiririrIccccrppcpcpIIr2112222112112211222coscoscoscos4coscoscoscos111titititi

16、piririitIccccccccrIIIIIIIc. 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。 21rrp 的数值与入射方向有关，因此也与入射的方向有关。2.4.2 2.4.2 声波的散射与衍射声波的散射与衍射o 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。 2.4.3 声波的散射与衍射声波的散射与衍射o2.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

17、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：半自由声场：如果存在一个全反射面，反射面上方不存在边界的影响，则称为半自由声场。 扩散声场：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

18、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o 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2r4/WI 11lg2041lg10lg10lg1020rLrLIILWWI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：11lg20rLwLp12212212,lg2044lg10lg1012rrrrSSLLLrPrPo 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性，称为声源的指

19、向性。o 指向性因数指向性因数：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：IIRo 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：11lg204lg10lg102IWIWIWpDrLDrLDSLLDI是指指向性因数，RDIlg10o 声源的指向性与声源的尺寸有关。o 声源的指向性与频率相关。o 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 24 rS10lgIWLLS11lg2

20、0rLpLw11lg20rLwLpWLWW*100.1*02.5.2.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：22 rS8lg2021lg10lg10lg1020rLrLIILWWI对指向性指数为D1的声源：8lg202lg10lg102IWIWIWpDrLDrLDSLL2.5.4半自由空间的线声源o r0L/，线声源视为无限长线声源：o r0L/，线声源视为点声源。o 对于半自由声场LAr012lg10rrAd3lg10lg100202rLppLwp几种典型声源的辐射特性声源类型 辐射特性声压空间分布辐射效率点声源无指向性均

21、匀高 线声源有一定的指向性声偶极子有很强的方向性不均匀低平面声源复杂的指向性分布2.6 声波在传播中的衰减o 1.扩散引起的衰减（Ad）o 2.空气吸收引起的附加衰减 （Aatm）o 3.地面吸收的附加衰减（Ar）o 4.声屏障衰减（Ab）o 5.气象条件的影响（Am ）mbrtmadAAAAAA1.空气吸收引起的附加衰减o 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。o 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。2.6 声波在传播过程中的衰减1.空气吸收引起的附加衰减o 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： 82104 . 7rfAa声波的频率，H