声学原理及声学测试

1、声学基本原理及声学测量声学基本原理及声学测量简简 介介第一部分第一部分 声学基本问题声学基本问题第二部分第二部分 声学测量声学测量1 1、声音和声波及振动、声音和声波及振动2 2、声学分类及研究内容、声学分类及研究内容3 3、声波的物理特性和量度、声波的物理特性和量度4 4、声波的反射、吸收、折射、散射、绕射、声波的反射、吸收、折射、散射、绕射5 5、平面波、柱面波、球面波的特性、平面波、柱面波、球面波的特性6 6、噪声及噪声量度、噪声及噪声量度第一部分第一部分 声学的基本问题声学的基本问题7 7、行波与驻波、行波与驻波8 8、远场与近场、远场与近场9 9、传播波与倏逝波、波导及简正波、传播波

2、与倏逝波、波导及简正波1010、瑞利波、乐福波、斯通利波、瑞利波、乐福波、斯通利波1111、赫姆霍兹共振腔、多普勒效应、赫姆霍兹共振腔、多普勒效应第一部分第一部分 声学的基本问题声学的基本问题1 1、声学测量的分类、难点、声学测量的分类、难点2 2、换能器、传声器、测量仪器、换能器、传声器、测量仪器3 3、混响室、消声室测量材料性能、混响室、消声室测量材料性能4 4、声管测量材料性能、声管测量材料性能5 5、应用类及外场测量、应用类及外场测量6 6、声阵列测量、声阵列测量 （声全息、波束形成）（声全息、波束形成）7 7、声振联合测量（传递路径分析）、声振联合测量（传递路径分析）第二部分第二部分

3、 声学测量声学测量声音的本质是波动。受作用的空气发生振动，当振动频率在2020000Hz时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音。低于称次声波、高于称超声波。波源处质点的振动通过弹性介质中的弹性力将振动传播开去，从而形成机械波。波动(wave) (或行波)是振动状态的传播，是能量的传播，而不是质点的传播。1 1、声音和声波及振动、声音和声波及振动 与声源不同距离处的压力变化，中间的一条水平线代表空气处于正常的大气压力，起伏曲线代表因声波经过时压力的增加和减少，亦即增加或减少的大气压。 对于中等响度的声音，这种压力变化仅为正常大气压的百分之一。 超声波* 超声波：频率高，波长短，定向传播性好，

4、穿透性好，在液体、固体中传播时，衰减很小， 能量高等。 定位、测距、探伤、显象，随着激光全息的发展，声全息也日益发展，它在地质、医学等领域有重要的意义； 由于能量大而集中,可用来切削、焊接、钻孔、清洗机件，还可用来处理种子和催化。特点用途 超声波的传播速度对于介质的密度、浓度、成分、温度、压力的变化很敏感。利用这些可间接测量其他有关物理量。这种非声量的声测法具有测量精密度高、速度快的优点；频率在10420 Hz之间的机械波，人耳听不到。 因为大气湍流、火山爆发、地震、陨石落地、雷暴、磁暴等大规模自然活动中，都有次声波产生，因此，它是研究地球、海洋、大气等大规模运动的有力的工具。特点一用途 由于

5、它具有衰减极小的特点，具有远距离传播的突出特点。特点二次声波声学基础声学基础海洋学海洋学电工和电工和化工化工机械机械工程工程建筑建筑工程工程地球和地球和大气物理大气物理医学医学生理学生理学心理学心理学语言语言音乐音乐表演表演艺术艺术室内室内声学声学剧院剧院音质音质乐律乐律乐器乐器听觉听觉振动振动冲击冲击噪声噪声地震学地震学大气声大气声学学生物生物声学声学心理心理声学声学通讯通讯水声水声学学电声学电声学声和超声和超声工程声工程艺术工程地学生命科学2 2、声学分类及研究内容、声学分类及研究内容声学研究的范围很广，分支很多，粗略地说来，包括大气声学、水声学、电声学、超声学、建筑声学、音乐声学、语言声

6、学、心理声学、生理声学等物理声学和理论声学是各分支的基础它研究各种机械振动的原理和声波的收、发器近年来，非线性声学也有引人注目的发展音乐声学探讨各种乐器制作过程中的定音、音调及音色的机理，为向人们提供各种悦耳的乐器提供理论指导 水声学是近代声呐设计和海洋开发的技术基础军事上所用的声呐设备及海洋开发中所用的地震勘探设备、剖面仪等都是利用水声技术研制出来的语言声学和生理声学研究人类发声和对声音的感受随着近代信息科学的发展，语言合成，语言识别的理论得到迅速发展人机对话系统正在成为研究的热点生理声学的研究和心理声学相结合为环境噪声的评价及噪声控制标准提供基础建筑声学为现代大型剧场、大会堂的设计提供声学

7、指导，也为城市噪声控制提供标准对噪声和振动的研究还是和国防密切相关的课题火箭、导弹飞行时的振动及其控制一直是衡量它们总体性能的重要指标电声学的发展和近代通讯技术紧密相关通讯、广播及日常生活中所使用的各种高音质音响设备为丰富人们的文化生活起着越来越大的作用超声及其应用是近代声学发展最迅速的新兴分支超声无损检测、超声诊断、超声医疗已在工业及生活方面发挥作用 1.频率频率 声源在一秒钟内振动的次数叫频率，记作f，单位为Hz。 2.2.波长波长 沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间的距离称为波长，用表示，单位为m。 3.3.声速声速 一秒时间内声波传播的距离叫声波速

8、度，简称声速，记作c，单位为m/s。3 3、声波的物理特性和量度、声波的物理特性和量度 3.声功率（声功率（W） 声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率，单位为W。 4.声强（声强（I） 声强是指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，单位为W/s2。 5.声压（声压（p） 声压是由于声波的存在而引起的压力增值。声波是空气分子有指向、有节律的运动。声压单位为Pa。3 3、声波的物理特性和量度、声波的物理特性和量度 6.6.分贝分贝 分贝是指两个相同的物理量（如A1和A0）之比取以10为底的对数并乘以10（或20）。

9、分贝符号为“dB”，它是无量纲的，是噪声测量中很重要的参量。上式中A0是基准量（或参考量），A1是被量度量。被量度量和基准量之比取对数，该对数值称为被量度量的“级”，亦即用对数标度时，所得到的是比值，它代表被量度量比基准量高出多少“级”。01lg10AAN 3 3、声波的物理特性和量度、声波的物理特性和量度 声功率级常用LW表示，定义为：式中：LW声功率级，dB； W声功率，W；0lg10WWLW7.7.声功率级声功率级 声强级常用LI表示，定义为：式中：LI声强级，dB； I声强，W/m2； I0基准声强。0lg10IILI8.8.声强级声强级9.9.声压级声压级声压级常用Lp表示，定义为：

10、式中：Lp声压级，dB； p声压，Pa； p0基准声压。在空气中规定p0为2105Pa，该值是正常青年人耳朵刚能听到的1000Hz纯音的声压值。在水中取1106Pa。0202lg20lg10ppppLp将频谱分为若干个频段，每个频段为一个频程，以直方图表示。/2Nulff N=1: 一倍频程，简称倍频程N=1/3: 三分之一倍频程N=1/12: 十二分之一倍频程中心频率：culff f带宽：()22(22)NNulcwfff10.10.倍频程倍频程倍频程最常用的中心频率值（fm），以及上、下截止频率。 中心频率fm/Hz上截止频率f2/Hz下截止频率f1/Hz中心频率fm/Hz上截止频率f2/

11、Hz下截止频率f1/Hz31.544.547 322.273 71 0001 414.20707.1006389.094 644.547 32 0002 828.401 414.20125176.77588.387 54 0005 656.802 828.40250353.550176.7758 00011 313.65 656.80500707.100353.55016 00022 627.211 313.6 平面、凸曲面及凹曲面形成的反射声线及波阵面的比较。 与平的反射面相比，凸曲面反射声的强度较弱，凹曲面反射声的强度较强。 4 4、声波的反射、吸收、折射、散射、绕射、声波的反射、吸收、折

12、射、散射、绕射 声波在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。 即使在空气中传播，随着离地面高度不同而存在的气温变化，也会改变声波传播方向。 衍射是声波绕过障壁弯折的能力。 声波进入声影区的程度与波长和障壁的相对尺度有关。 在这两种情况下声波的频率相同，因反射板的宽度不同，从反射波中分离出的衍射波能量也不同。 对于一既定频率的声音，小尺度反射板的反射能力较小。（a）对频率为100Hz声音的定向反射，声音的波长（3.4m）远远大于表面的不规则性；（b）对频率为1kHz声音的扩散反射，声音的波长（0.34m）与表面不规则的尺度相当；（c）对频率为10kHz声音的定

13、向反射，声音的波长（0.034m）远远小于表面不规则的尺度，这是由各表面产生的定向反射。 声波在传播过程中，如果遇到表面有凸凹变化的反射面，就会被分解成许多小的比较弱的反射声波，这种现象称为扩散反射。 声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间摩擦使一小部分声能转化为热能，常称为空气对声能的吸收。高频吸收较多，低频吸收较少。 声波的吸收 声波投射到材料或部件引起的声吸收，取决于材料及其表面的状况、构造等。材料的吸声效率是用它对某一频率的吸声系数衡量。 材料的吸声效率是用它对某一频率的吸声系数衡量。 OEEEOrEEE 0 声波入射到建筑材料或建筑部件时，除了被反射、吸收的能量外，还有一部分声能

14、透过建筑部件传播到另一侧空间去。声波的透射E ErEoE 0EE波阵面与声线 声源向各个方向辐射声能，在某一时刻，波动所达到的各点的包迹面。称为波阵面。 波振面的形状：点声源球面波 线声源柱面波 面声源平面波5 5、平面波、柱面波和球面波、平面波、柱面波和球面波1expPikrPrexp()PAikxexpsin cossin sincosAik xyz噪声的叠加噪声的叠加声能量是可以代数相加的，设两个声源的声功率分别为W1和W2，那么总声功率W总=W1+W2。而两个声源在某点的声强为I1和I2时，叠加后的总声强I总=I1+I2。 声压不能直接相加。202221lg10pppLp)1010lg

15、(10101021ppLL6 6、噪声及噪声量度、噪声及噪声量度 人们生活和工作所不需要的声音人们生活和工作所不需要的声音叫噪声。叫噪声。 1、响度和响度级、响度和响度级响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，响度的单位叫“宋”，1宋的定义为声压级为40dB，频率为1000Hz，且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比这个大n倍，则声音的响度为n宋。定义1000Hz纯音声压级的分贝值为响度级的数值，任何其他频率的声音，当调节1000Hz纯音的强度使之与这声音一样响时，则这1000Hz纯音的声压级分贝值就定为这一声音的响度级值。响度级的单位叫“方”。响度级响度级图图 等响曲线等

16、响曲线(又称又称ISO等响曲线等响曲线)根据大量实验得到，响度级每改变10方，响度加倍或减半。或 )1040(2NLNNLNlg3340 响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。计权声级计权声级 A计权声级是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性。 B计权声级是模拟5585dB的中等强度噪声的频率特性。 C计权声级是模拟高强度噪声的频率特性。 D计权声级是对噪声参量的模拟，专用于飞机噪声的测量。图图 A、B、C、D计权特性曲线计权特性曲线3 3、等效连续声级、等效连续声级 等效连续声级等效连续声级一个用噪声能量按时间平均方法来评价噪声对人影响的问题，即等效连续声级，符号“Leq”或“LA

17、eq,T”。)d101lg(1001 . 0,AeqATLTtTLp式中：LpA某时刻t的瞬时A声级，dB； T 规定的测量时间，s。 如果数据符合正态分布，则可用下面近似公式计算：9010250,Aeq,60/LLddLLT L10，L50，L90为累积百分声级，其定义是：L10测定时间内，10的时间超过的噪声级，相当于噪声的平均峰值；L50测量时间内，50的时间超过的噪声级，相当于噪声的平均值；L90测量时间内，90的时间超过的噪声级，相当于噪声的背景值。驻 波 的 形 成7 7、行波与驻波、行波与驻波txA2cos2cos2二 驻波方程)(2cos1xtAy正向)(2cos2xtAy负向

18、21yyy)(2cos)(2cosxtAxtAtxAy2cos2cos2 驻波方程 x2cos, 2 , 1 , 02kkx, 2 , 1 , 0)21(2kkx10 (1)振幅 随 x 而异,与时间无关xA2cos2相邻波腹（节）间距 24相邻波腹和波节间距 4 xy2 波节波腹振幅包络图43 45 4 边界条件 驻波一般由入射、反射波叠加而成，反射发生在两介质交界面上，在交界面处出现波节还是波腹，取决于介质的性质. 波疏介质,波密介质介质分类41n声压振幅为声压振幅为：)4(sin2220 xxDpp8 8、近场与远场、近场与远场42n当 时，声压有数个极大值和极小值，其原因为声源表面上各

19、点源辐射到轴线上某点的声压因波程差（相位差）不相同，有的同相位互相叠加而加强，有的相位相反互相抵消而减弱，因此在靠近声源 处以内出现几个最大值和最小值。n最后一个声压最大值处至声源的距离 为近场区。n 取决于声源的尺寸和声波波长。n当 时，声压随距离的增加而 单调衰减，该范围为远场区。Nx NNNNx nA)近场区n声压具有最小值n声压具有最大值)4(sin2220 xxDppnn(Dx228)2) 12(4) 122nn(Dx22Dx240n当 时0nD Dx2420n此时 为近场区距声源距离n近场区的声压分布十分复杂，出现多次极大值与极小值。因此在近场区如有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺

20、陷的判读十分困难。0 xNn当 时B）远场区n在声场中， 时的区域为远场区。在远场区，声压随距离增加而减小。n声源轴线上距离为 （ ）处，声压最大值为：Nx xxDpxp4), 0(20max0波导研究的是有限空间的波动传播，一个或两个方向的尺度很大，声波在其中传播管道的传声问题 例： 管状乐器、听诊器、喇叭、管道噪声和消声海洋、井孔9 9、波导及简正波、传播波、倏逝波、波导及简正波、传播波、倏逝波n最简单的声波导n两个平行刚性界面n波动方程n边界条件2200Pk P0,0zaPz,expcossincosmmzmPikxyk z零阶模，主波零阶模，主波00expPAikx平面波，声速为 c高

21、阶模cosexpmzmmPkzik x频散关系频散关系amcf2 波数 当 km是实数，传播模 当 km是虚数，凋落模 截至频率222amcfkmamcf2amcfc2mac2222cmffck矩形声波导矩形声波导 n直角坐标系 2222220UUk Uxy0,0,0 xaybUUxyn截止频率22cmncab 对于一个矩形围蔽空间，其简正频率的计算式为：y222xznx,ny,nzxyz()()()2nnncfLLL式中 fnx，ny，nz简正频率，Hz；Lx，Ly，Lz分别为三个边长，m；nx，ny，nz分别为任意正整数；c 空气中的声速，m/s。瑞瑞利利波波：是是18871887年由英国

22、学者瑞雷首先在理论上提年由英国学者瑞雷首先在理论上提出的。这种面波分布在自由界面上，或者表层为疏出的。这种面波分布在自由界面上，或者表层为疏松的覆盖层内。松的覆盖层内。如果表面是完全如果表面是完全“自由自由”的，则瑞的，则瑞利波的速度不依赖于频率，即不存在频散现象利波的速度不依赖于频率，即不存在频散现象。如如果介质表面上存在一层非弹性的疏松盖层，当考虑果介质表面上存在一层非弹性的疏松盖层，当考虑到盖层的因素时，所求的瑞利波是有频散的。计算到盖层的因素时，所求的瑞利波是有频散的。计算表明，瑞利既有表明，瑞利既有P P波成分，又有波成分，又有SVSV波成分，无波成分，无SHSH波波成分。成分。10

23、10、瑞利波、乐福波、斯通利波、瑞利波、乐福波、斯通利波n乐福波乐福波：产生在介质表面上的低速覆盖层中，以及该层与产生在介质表面上的低速覆盖层中，以及该层与下面介质的分界面上。它是一种下面介质的分界面上。它是一种SHSH波，有频散现象。波，有频散现象。n斯通利波斯通利波：产生于两个不同弹性性质的介质分界面附近。产生于两个不同弹性性质的介质分界面附近。其性质与瑞雷面波接近，但它有频散现象。其性质与瑞雷面波接近，但它有频散现象。n二二、瑞利瑞利波波的形成及传播特征的形成及传播特征n1、瑞利波瑞利波的形成的形成SPVV ，瑞雷面波存在的物理模型瑞雷面波存在的物理模型是一个半无限弹性空间，上是一个半无

24、限弹性空间，上部是空气，下部为弹性系数部是空气，下部为弹性系数为为 的介质，令的介质，令xoyxoy平面与自由面重合，平面与自由面重合，Z Z轴轴垂直于自由面向下。仅讨论垂直于自由面向下。仅讨论xozxoz平面内的二维问题。平面内的二维问题。n将上式代入波动方程：)()()()(00,wtkxiwtkxiezeztzyxtzyx面波速度面波的圆波数）：，RRVVwk(0022222222spVtVtn就得到常微分方程就得到常微分方程n式中式中n上式的解显然为上式的解显然为n由于面波只存在于分界面附近，它不可能随着由于面波只存在于分界面附近，它不可能随着Z增大而增大，故第一项增大而增大，故第一项

25、的正指数是不成立的，因此得到位函数方程：的正指数是不成立的，因此得到位函数方程：0)0)022202022202spkktkkt（横波的圆波数）纵波的圆波数），(ssppVwkVwkzkkzkkzkkzkkssppeBBeeAAe2222222200)(0)(02222wtkxizkkwtkxizkkeBeeAespn由位函数方程，可求解弹性位移在x、z方向的位移分量u,w：n根据边界条件，在自由表面上部区域无介质（空气），则该面两侧的介质松弛接触，位移连续条件不使用，而应考虑应力边界条件，因自由面上的应力为零，则自由面的应力边界条件为：n将位移函数代入应力边界条件，可得线性方程组：022(0

26、02220zSSPzzwVzwxuVVxwzuxzzxwu0)2(202)222222222BkkAkkikBkkikAkkspss（n具有非零解得条件是系数行列式应等于零，可得瑞雷方程具有非零解得条件是系数行列式应等于零，可得瑞雷方程：n将将 代入，整理后可得：代入，整理后可得：n可见瑞雷面波的速度可见瑞雷面波的速度 与频率无关，故自由表面的瑞雷面波无频散。与频率无关，故自由表面的瑞雷面波无频散。n对于固体，泊松比对于固体，泊松比 时，即可求得时，即可求得 ，可得，可得n从而有：从而有：n当取当取z=0时的位移为时的位移为 ，则满足以下椭圆方程：，则满足以下椭圆方程：04)222222222psskkkkkkk（01111141222222222PRSRRSRVVVVVVVspk