第二章 声波基本性质及传播规律

1、环境噪声控制工程第二章第二章声波的基本性质及其声波的基本性质及其传播规律传播规律o2.1 声音的产生及描述方法o2.2 声波的叠加o2.3 声波的频率和噪声频谱o2.4 声源的反射、投射和衍射o2.5 声波的辐射o2.6 声波在传播过程中的衰减主要内容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。 声源：我们把产生声音的振动物体称作声源。声源的振动声源的振动弹性媒介弹性媒介振动振动声波声波空气、固体、空气、固体、液体液体1 声波的产生 声波的形成声波的形成：当声源振动时，就会引起声源周围：当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质弹性媒质空气分子的振动。这些振动的分子又空气分子的振动。这

2、些振动的分子又会使其周围的空气分子产生振动。这样，声源产会使其周围的空气分子产生振动。这样，声源产生的振动就以声波的形式向外传播。生的振动就以声波的形式向外传播。 在噪声控制工程中主要涉及在噪声控制工程中主要涉及空气媒质中的空气声空气媒质中的空气声。 在空气中，声波是一种纵波在空气中，声波是一种纵波，这时媒质质点的振，这时媒质质点的振动方向是与声波的传播方向相一致的。反之，将动方向是与声波的传播方向相一致的。反之，将质点振动方向与声波传播方向相互垂直的波称为质点振动方向与声波传播方向相互垂直的波称为横波横波。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：

3、声音传播是指物体振动形式的传播。由相邻质点间的动量传递来完成，而不是由物质的迁移来传播的。2 描述声波的基本物理量波长波长：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）的地点到相邻的另一个最稠密的地点到相邻的另一个最稠密(或最稀疏）的地点之间或最稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长，的距离称为声波的波长，(m)周期周期：振动重复振动重复1次的最短时间间隔称为周期。次的最短时间间隔称为周期。T(s)频率频率：周期的倒数即单位时间内的振动次数，称为周期的倒数即单位时间内的振动次数，称为频率，频率，f, 赫兹赫兹(Hz),1Hz=1s-1声速声速：振动状态在媒质中的

4、传播速度称为声速，：振动状态在媒质中的传播速度称为声速，c(m/s)。实际计算常取。实际计算常取340m/s。cTfc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媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速34413723048365351821219335342671 时声速近似值（m/s）声压和声压级：)(0PPp静态压强 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。声音种类声压声音种类声压正常人耳能听到最弱声2X10-5织布车间2普通说话声（1m远处）2X10-2柴油发动机、球磨机20公共汽车内

5、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:该声音的声压的有效值与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：0lg20ppLpapp50102声压级单位：分贝。 声能量声能量声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能；另一方面又使媒质产置附近往复运动，产生动能；另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。这两部分能量之和就是由于声扰动使媒质得到能。这两部分能量之和就是由于声扰动使媒质得到的声能量，的声能量，以声的波动形式传递出去。以

6、声的波动形式传递出去。202021cpVEe声波的声能密度声波的声能密度声能密度声能密度定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量，单位是焦耳每立方米（J/m3) 对于在自由空间内传播的平面声波而言： 202cpe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。人耳能听到的最低10-12Wb.声功率级0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。声功率W与基准声功率W0之比的常用对数声强和声强级：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

7、米 （W/ m2）。cPSWIo2b.声强级:该声音的声强与基准声强的比值取以10为底的对数再乘10，即：0lg10IILI212010mWI声强级单位：分贝。2.2 声波的叠加 niieneeeePPPPP12222212对于互不相干的多个噪声源对于互不相干的多个噪声源，它们之间不会发生，它们之间不会发生干涉现象。这时，空间某处的总声压干涉现象。这时，空间某处的总声压Pe为为上式表明，对于多个声波，当各个声波间不存在上式表明，对于多个声波，当各个声波间不存在固定相位差时，其能量可以直接叠加。固定相位差时，其能量可以直接叠加。总声压级为：总声压级为： Lp = 10lg = 10lg100.1

8、L + 100.1L (dB)对应对应n个声源的一般情况有：个声源的一般情况有： Lp = 10lg(100.1L ) 【例例1】在车间某操作点分别测量两噪声源的声压级为在车间某操作点分别测量两噪声源的声压级为100分贝和分贝和95分贝，问总的声压级是多少分贝？分贝，问总的声压级是多少分贝？dBLppTLLp2 .1011010lg101010lg10951 . 01001 . 01 . 01 . 021解解：（：（1）计算法计算法2.3 2.3 声波的频率和噪声的频谱声波的频率和噪声的频谱在噪声控制中所研究的就是可听声，在噪声控制在噪声控制中所研究的就是可听声，在噪声控制这门学科中，通常粗略

9、地把声波的频率分为三个频这门学科中，通常粗略地把声波的频率分为三个频段：段：300赫以下的叫低频声，赫以下的叫低频声，3001000赫的叫中频声，赫的叫中频声，1000赫以上的叫高频声。声波频率的概念非常重要，赫以上的叫高频声。声波频率的概念非常重要，因为因为控制高频噪声和控制低频噪声的技术措施存在控制高频噪声和控制低频噪声的技术措施存在着很大的差别着很大的差别。而在测量和工程设计中具有实用价。而在测量和工程设计中具有实用价值的是采用值的是采用倍频程倍频程的的频率频率划分方法。划分方法。 常见噪声的频谱图一、倍频程一、倍频程 可听声的频率从可听声的频率从20赫到赫到20000赫，高低相差达赫，

10、高低相差达l000倍。为倍。为了方便起见，通常把宽广的声频变化范围划分为若干较了方便起见，通常把宽广的声频变化范围划分为若干较小的段落，叫做小的段落，叫做频程频程。频程有上限频率值、下限频率值。频程有上限频率值、下限频率值和中心频率值，上下限频率之差，即中间区域称为频程和中心频率值，上下限频率之差，即中间区域称为频程宽度，简称宽度，简称带宽带宽。 从实践中发现，两个不同频率的声音做相对比较时，起决从实践中发现，两个不同频率的声音做相对比较时，起决定作用的是定作用的是两个频率的比值两个频率的比值，而不是它们的差值，例如，而不是它们的差值，例如，音乐中音乐中C调的低音调的低音6的基频是的基频是22

11、0Hz，中音，中音6的基频是的基频是440Hz，高音高音6的基频是的基频是880Hz，所以听起来中音，所以听起来中音6比低音比低音6的音调的音调高一倍，高音高一倍，高音6比中音比中音6的音调高一倍，我们称低音的音调高一倍，我们称低音6和中和中音音6相差一个倍频程，中音相差一个倍频程，中音6和高音和高音6相差一个倍频程，而相差一个倍频程，而听起来音调提高的程度也是相同的听起来音调提高的程度也是相同的(即提高即提高“八度音程八度音程”)。低音低音6和高音和高音6相差两个倍频程。相差两个倍频程。频程和频谱：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。f1

12、-下限截止频率；f2 -上下限截止频率；f -中心频率；f -频带宽nff21212fff ffnn)212( 在噪声控制中，对频率作相对比较的单位叫在噪声控制中，对频率作相对比较的单位叫倍频程倍频程，两个频率相差两个频率相差2个倍频程意味着其频率之比个倍频程意味着其频率之比22，相，相差差3个倍频程意味着两个频率之比为个倍频程意味着两个频率之比为23，依此类推。，依此类推。 在噪声测量中，通用的倍频程有在噪声测量中，通用的倍频程有n1时的时的11倍频倍频程，简称倍频程；有程，简称倍频程；有n12时的时的12倍频程；有倍频程；有n13时的时的13倍频程等。倍频程等。2.4 声波的反射、投射和衍

13、射声波在传播过程中会遇到各种各样的障碍物，如声波在传播过程中会遇到各种各样的障碍物，如固体的、液体的和气体的等。当声波从一种媒质固体的、液体的和气体的等。当声波从一种媒质进入另一种媒质时，后一种媒质就是一种障碍物。进入另一种媒质时，后一种媒质就是一种障碍物。障碍物会使声波发生反射、透射和衍射。障碍物会使声波发生反射、透射和衍射。当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面反射返回到原来的媒质中称为面反射返回到原来的媒质中称为反射声波反射声波，一部分，一部分将进入另一种媒质中成为将进入另一种媒质中成为透射声波透射声波。声波的反射声波的反射以平面声波为例，

14、入射声波以平面声波为例，入射声波pi垂直入射到媒质垂直入射到媒质和媒质和媒质的分界面的分界面x=0上（图上（图2-6）。由于界）。由于界面的反射，在媒质面的反射，在媒质I中除了入射声波中除了入射声波pi以外，还以外，还有反射声波有反射声波pr，这样，媒质，这样，媒质I中的总声压为两个中的总声压为两个波的叠加：波的叠加：p1pipr，而在第二媒质中只有透，而在第二媒质中只有透射声波射声波pt，所以媒质，所以媒质中总声压中总声压p2pt 。1c12c2ptxopipr图图2-6 2-6 平面声波正入射到两种媒质的分界面平面声波正入射到两种媒质的分界面 当平面声波斜入射于两媒质的界面时，如图当平面声

15、波斜入射于两媒质的界面时，如图2-7所示，入射声波所示，入射声波pi与界面法向成与界面法向成i角入射到界角入射到界面上，这时反射波面上，这时反射波pr与法向成与法向成r角，在第二个角，在第二个媒质中，透射声波媒质中，透射声波pt与法向成与法向成t角，透射声波角，透射声波与入射声波不再保持同一传播方向，形成声波与入射声波不再保持同一传播方向，形成声波的折射。的折射。 这时，入射声波、反射声波与折射声波的传播这时，入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应满足方向应满足Snell定律，即：定律，即：211sinsinsinccctri1c12c2pttOpipr图图2-7声波的折射声波的折射ir 折

16、射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种媒质中折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种媒质中的声速之比的声速之比 这表明若两种媒质的声速不同，声波传入媒质这表明若两种媒质的声速不同，声波传入媒质时方向就要改时方向就要改变。当变。当c2c1时会存在某个时会存在某个i值，值， ie=arcsin(c1/c2)使得使得t=/2。即。即当声波以大于当声波以大于ie的入射角入射时，声波不能进入媒质的入射角入射时，声波不能进入媒质中从而中从而形成声波的全反射。形成声波的全反射。 理论和实验研究证明，当两种介质的声阻抗率接近理论和实验研究证明，当两种介质的声阻抗率接近时，即时，即1c1 2c2

17、 ，声波几乎全部由第一种介质进，声波几乎全部由第一种介质进入第二种介质，全部透射过去；当第二种介质声阻入第二种介质，全部透射过去；当第二种介质声阻抗率远远大于第一种介质声阻抗率时，即抗率远远大于第一种介质声阻抗率时，即2c2 1c1 ，声波大部分都会被反射回去，透射到第二种，声波大部分都会被反射回去，透射到第二种介质的声波能量是很少的。介质的声波能量是很少的。 在噪声控制工程中，经常利用不同材料所具有的在噪声控制工程中，经常利用不同材料所具有的不同特性阻抗，使声波在不同材料的界面上产生不同特性阻抗，使声波在不同材料的界面上产生反射，从而达到控制噪声传播的目的。如用两种反射，从而达到控制噪声传播

18、的目的。如用两种或多种不同材料粘结成多层隔声板，在各层间形或多种不同材料粘结成多层隔声板，在各层间形成分界面，各界面形成反射。成分界面，各界面形成反射。 因此，对于相同厚度的隔声板，多层隔声板比单因此，对于相同厚度的隔声板，多层隔声板比单层隔声效果好。层隔声效果好。声波的衍射声波的衍射 声波传播过程中，如果遇到的障碍物或者带有小孔的声波传播过程中，如果遇到的障碍物或者带有小孔的障板时，如障碍物的尺寸或孔的大小与波长差不多，障板时，如障碍物的尺寸或孔的大小与波长差不多，则声波能够绕过障碍物或小孔的边缘前进，并引起传则声波能够绕过障碍物或小孔的边缘前进，并引起传播方向的改变，称为声波的播方向的改变

19、，称为声波的衍射衍射。2.5 声波的辐射o 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是指向性指数，RDIlg102.6 声波在传播过程中的衰减o 1.扩散引起的衰减（Ad）o 2.空气吸收引起的附加衰减 （

20、Aa）o 3.地面吸收的附加衰减（Ag）o 4.声屏障衰减（Ab）o 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。2.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.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 . 7dfAa声波的频率，Hz相对湿度传播距离，m2.空气吸收引起的附加衰减o 对于不同温度，可采用下式来估算： TfCATAaa1),20(),(与20相差的摄氏温度