第六章机械噪声分析基础

1、第六章第六章机械噪声分析基础机械噪声分析基础目录 6.1 声学波动方程 6.2 声场类型 6.3 声场描述 6.4 声波在传播中的衰减 6.5 室内声场 6.6 噪声的评价6.1 声学波动方程声学波动方程物体的振动是产生声音的根源。 声源：我们把产生声音的振动物体称作声源。1声波的产生声波：在弹性媒质中，物体的机械振动由近及远的传播过程。声波的产生物体的机械振动是声波产生的根源，弹性媒质的存在是声波传播的必要条件。纵（横）波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向一致（垂直）。空气中声波是纵波，固体和液体中可以是横波也可是纵波。纵波与横波2 描述声波的基本物理量2 描述声波的基本物理量)2sin(

2、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 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。cTfcTf12 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

3、璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表 21.1 时声速近似值（m/s）2 描述声波的基本物理量 5 相位 任一时刻t的质点振动状态，包括质点振动的位移大小及运动方向或压强变化。2 描述声波的基本物理量6.2 声场描述在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程为：或22221tpcp拉普拉斯算法)(2222222zyx1.1.平面声波平面声波：= = 0cos（t+）A.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。注意：远离声源的声波可看作平面声波。波前波前：声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。1.1.平面声波平面声波：

4、a.波动方程：222221tpcxp对于简谐振动,沿X正方向传播的平面声波：)cos(, 0)cos(,00kxtPtxpkxtPtxp图例：说明：x0处t0时刻的声压经过t后传播到x0 +x，整个声压波形以速度C C沿x轴方向传播。声速c是波相位的传播速度，也是自由空间中声能量的传播速度，与空气质点的振动速度相等？b.质点振动速度1.平面声波：对于简谐振动（沿x轴正方向）而言：cPUkxtUux0000/)cos(质点振动的速度振幅A.平面声波：c.声阻抗率：upZs/对于平面声波而言：cUPZs000/媒质的特性阻抗，单位（Pas/m）A.平面声波：d.声线： 相互平行的一系列直线。B.球

5、面声波（了解）波阵面是以任何值为半径的球面。 a.波动方程：22222)(1)(trpcrrp从球心向外传播的简谐球面声波：)cos(,0krtrPtrp特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。B.球面声波：b.声线： 是由声源点发出的半径线。C.柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。“线源”a.波动方程（最简单，声场与坐标系的角度和轴向长度无关，仅与径向r有关）2221)(1tpcrprrr对于远场简谐柱面声波而言：)cos(20krrtkrPp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。C.柱面声波： b.声线：是由线声源发出的径向线。声场类型及声线 声

6、波的类型类型波阵面声线声源类型平面声波垂直于传播方向的平面相互平行的直线 平面声源球面声波以任何值为半径的球面由声源发出的半径线 点声源柱面声波同轴圆柱面线声源发出的半径线 线声源 【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6.3 6.3 声场描述声场描述声波的物理量度声波的物理量度【1】声压和声压级：)(0PPp静态压强声压和声压级 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

7、（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)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：0lg20ppLpapp50102声压和声压级：声压级单位：分贝（dB) 。 20lg94pLp0-120dB例1 当声压为原来声压的 加倍 减半 10倍 1/10 分别求声压级变化？【2】声强和声强级：a.声强: 声场中某点处，与质点速度方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的声能量，它是矢量。稳态声场中，声强是指瞬时声强在一定时间T内的平均值。I,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

8、以10为底的对数再乘10，即：0lg10IILI212010mWI声强和声强级：声强级单位：分贝。0lg10IILI20 0200 0010lg20lg10lgeeIpcpcLPcPc2epIc40010lgIpLLc声压级和声强级的关系：一个大气压下，38.90C空气的400cIpLL平面声波【3】声功率和声功率级a.声功率:声源在单位时间内发射的总能量，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SWI 球面辐射时：24 rWI波阵面面积c.声功率级0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。10lg120WLW【4】

9、声能密度定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量。 声波的叠加 1相干波和驻波 2不相干波 3声音的频谱1 相干波和驻波 1.声压的叠加)cos(1011kxtPp121nniippppp若两个声波频率相同，振动方向相同，且存在恒定相位差。)cos(2022kxtPp)cos(tPpT 结论：合成声仍是同一频率合成声仍是同一频率相位差相位差与时间无关，仅与空间位置有关。与时间无关，仅与空间位置有关。PT随随发生变化发生变化，存在极大值和极小值。，存在极大值和极小值。驻波的极大值和极小值分别成为波腹和波节。当驻波的极大值和极小值分别成为波腹和波节。当 驻波明显。驻波明显。)cos(PP2PPP12

10、02012022012T0201PP2021012021011cospcospsinpsinptan 2.能量的叠加)cos(120020121cPPDDD202202)2(cPcpDTe2020112cPD2020222cPD)cos(2122022012022012PPPPPT2不相干声波0cos10TtdTnieieneeePPPPP1222221221DDD不是常数不是常数，niinDDDDD121.3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。 1 1可以确定单个频率处的声压可以确定单个频率处的声压 2 2周期振动的声源产生线状谱周期振动的声源产生线状谱 3

11、 3基频基频与振动周期相同正弦形与振动周期相同正弦形式的频率。式的频率。 4 4谐波谐波-频率等于基频整数倍的频率等于基频整数倍的正弦形式。正弦形式。 例如某一个周期振动声源周期例如某一个周期振动声源周期T=1/100ST=1/100S，发出声音的基频是，发出声音的基频是100hz,100hz,二次谐波为二次谐波为200hz.200hz.常见噪声的频谱图6.4 声波的反射、透射、折射、衍射 一、知入射波求反射波和透射波 （1）边界条件）边界条件 （2）平面波动方程）平面波动方程二、反射系数和透射系数1.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

12、透射声压与入射声压的比值。irpppr itppp11221122irpccccppr112222itpccc2ppa.声压的反射系数和透射系数b.声强的反射系数和透射系数：211222211itIcccc4II2112211222p2ir112i112rirIccccrpPc2Pc2PIIr1rII2.4.2斜入射声波的反射、透射、折射11ci22cpiptprrt声波的反射定律与折射定律ri入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足以下定律：211sinsinsinccctria.反射定律：b.折射定律：21sinsincctia.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

13、质点速度应该连续，即：tripppttrriiuuucoscoscostitiirpccccpprcoscoscoscos11221122tiiitpcccppcoscoscos2112222可以导出：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）与入射声能之比称为吸声系数。 22221rkpkpkpirirp 的数值与入射方向有关，因此也与入射的方向有关。.3声波的散射与衍射声波的散射与衍射 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

14、既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。 波长很长时，散射声波波长很长时，散射声波的功率与波长的四次方的功率与波长的四次方成反比，散射波很弱，成反比，散射波很弱，大部分均匀分布在对着大部分均匀分布在对着入射的方向。入射的方向。当频率增加，波长变短时指向性分布图复杂。一半集中于入射波前进方向，另一半均匀的分布在其他方向声波的散射与衍射声波的散射与衍射 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。2.声波的衍射a.级的叠加（公式法） 由于：0lg20ppLp201 . 0210pppL代

15、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：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 （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 ）mbgadAAAAAA1.扩散引起的衰减扩散衰减的定义扩散衰减的定义：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

16、引起的衰减根据声强的定义：SWI/SIWWWSIWWWSIWIILI00000000lg10lg10lg10lg10lg10波阵面面积为S处的声强级可表示为：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： 24 rS12212212,lg2044lg10lg1012rrrrSSLLArPrPd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。LAr012lg10rrAd2.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。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6.5 噪声的