噪声与振动控制1复习过程

1、噪声(zoshng)振动控制技术主讲(zhjing)：宋雷鸣北方交通大学第一页，共40页。本课程的主要(zhyo)内容及安排： 噪声控制技术 声学基本原理噪声评价与测量噪声控制技术本课程的主要(zhyo)内容及安排第二页，共40页。本课程的主要(zhyo)内容及安排 噪声与振动概述1基本内容2振动噪声的研究方法波动声学(shngxu)几何声学(shngxu)统计能量分析第三页，共40页。本课程(kchng)的主要内容及安排主要内容：声学基本原理噪声评价与测量噪声控制技术第四页，共40页。第一部分(b fen)：噪声控制技术主要内容：声学基本原理噪声评价与测量噪声控制技术第一章：声音的基本(jb

2、n)性质1.1.1声音(shngyn)的产生声源介质a第一节：基本概念第一部分 噪声控制技术第五页，共40页。声音产生(chnshng)的必要条件？ 声音波及的区域(qy)，称为声场1.1.2 描述声音(shngyn)的基本物理量声音传播的基本方式：c幅值-声压频率相位声线速度大小音的高低初始状况方向传播的快与慢a第一章：声音的基本性质b声场：第六页，共40页。b 各物理量之间的关系：1.1.3处理声学问题(wnt)的基本方法波动声学几何声学(射线声学法）能量声学1波动声学法： 可以说是进行声学各学科研究的最基本的和最重要的方法，其使用分子的或微粒的模型来描述波传播。一般的偏好是微粒模型，一个

3、微粒是一个流体体积，它大到足以容纳几百万个分子，小到足以使密度、压力和温度为常数。第一章：声音(shngyn)的基本性质第七页，共40页。2射线(shxin)声学法：通常使用在大距离户外和水下的环境中，用以描述大距离上波的传播，例如大气中用射线族来描述声波的传播和不均匀性，但必须对温度梯度和风等的影响加以考虑。在大距离上，最好用射线示踪法，因为它们近似并简化了的波动法。 即所谓的统计能量分析（SEA），是用能量传递描述声波的传播，来处理声学问题的方法，它以统计量为参数，快速和有效地解答复杂结构的声振问题，该方法在的工业噪声和振动问题的分析方面，正在迅速的普及。3能量(nngling)声学：第一

4、章：声音的基本(jbn)性质第八页，共40页。第二节： 基本声学(shngxu)定律1.2.1概述(i sh)压强P、质点的运动速度U、介质密度(md)温度T（1）气体是理想的气体。（2）系统为线性系统。（3）流体各项均匀（4）流体为非粘性等1、与声的传播有关的四个主要变量：2、对于声在流体中的传播做以下几个假设：第一章：声音的基本性质第九页，共40页。（1）连续性或质量守恒（2）动量(dngling)守恒，（3）状态热力学方程。3、声在媒质(mizh)中传播遵循如下的几个基本关系：1.2.2、质量守恒质量守恒方程（连续性）提供了密度和微粒速度之间的关系，即表示流体运动(yndng)和压缩之间

5、的关系。1单元的质量是Adx2流进单元体积的质量为(A) X 3流出单元体积的质量为（A）X+dx dxxxAAt )()(Adx)(第一章：声音的基本性质第十页，共40页。0)( xtx0 t动量守恒提供(tgng)了压力、密度和微粒速度之间的关系。1.2.3、动量(dngling)守恒PSppps )(tuVPS dxSV tuxp 对于(duy)线性系统：又：则有：第一章：声音的基本性质第十一页，共40页。dtxpux 写成积分(jfn)形式：00 kzpjypixpktujtuituzyx推广(tugung)到三维：1.2.4、状态(zhungti)热力学方程状态热力学方程将流体的压强

6、、密度和温度联系起来对于理想的气体有：KRTp rpp)(00 因此理想气体的状态绝热方程为：第一章：声音的基本性质第十二页，共40页。1.2.5波动(bdng)方程 将质量守恒方程、动量守恒方程和状态方程联立起来，可综合(zngh)得到声学中更为重要的关系式波动方程。22222021tpctpBp 212100 pBc其中(qzhng)：rrpp00 rPP 由于：则有：第一章：声音的基本性质第十三页，共40页。21 rPc则有声速(shn s)的表达式：第三节：平面声波(shn b)的传播1.3.1声波(shn b)的基本类型平面声波球面声波1.3.2平面声波2222222221tpczp

7、ypxp 波动方程：第一章：声音的基本性质第十四页，共40页。222221tpcxP 可简化为：设X=0原点处的声压为：wtptpcos), 0(0 解可得声波沿X方向的传播(chunb)规律：cos),(0cxtPtxp 上面的解也可以采用如下的方法获得(hud)：当具有幅值为P0的平面声波沿X方向传播时，声场中任一点A的声压幅值也应当是P0，同样A点处的声波频率也是f，但A点处的相位却比O点落后了。A点的声波是由O点传递来的，若传播所需时间为t，那么在t时刻A点的声压是（t- t）时刻的0点的声压，即有：)(cos),(,0ttPtxp 第一章：声音(shngyn)的基本性质第十五页，共4

8、0页。cxt 而：)(cos),(0cxtPtxp 则有： kxtPtxp cos),(0进而(jn r)有：2 ck令：),(),(txutxPZa 声阻抗：第一章：声音(shngyn)的基本性质第十六页，共40页。对于(duy)平面声波：cZa0 对于非平面声波的波型，声阻抗率通常为复量，声压波动与微粒速度并不总是(zn sh)同相位，即波散射1.3.3声强(shn qin)、能量密度和声功率1、声强(sound intensity)定义为通过垂直于声传播方向之单位面积的能量流率，根据基本的动力学原理，功率=力速度，则声过程的瞬时功率为uFw 单位法向面积的功率为瞬时声强矢量I：puSuF

9、I 第一章：声音的基本性质第十七页，共40页。流经单位面积的瞬时功率之时间平均为平均声强(shn qin)矢量I，此处：dtupTIT 01对于(duy)沿正X方向传播的平面波：)cos(),(0kxtptxp )cos(),(0kxtcptxu cpcpIrmse02022 由此可得平均声强(shn qin)矢量I：2、声能密度(energy density)：为空间每单位体积的声能第一章：声音的基本性质第十八页，共40页。当体积(tj)从V0变化到V，势能就有变化。它为： VVPdVU0Vm dVVmd2 dpPVdV dPrPVdV00 则可得到单位体积(tj)的势能为：02202022

10、cprPpVU 因：则有：进而(jn r)：21 rPcrPP 第一章：声音的基本性质第十九页，共40页。002prc 其中(qzhng)： 空间单位体积的声能量为单位体积的动能和势能之和，因此有单位体积的瞬时(shn sh)能量,即能量密度为：20200cpVUVTD 平均(pngjn)声能密度为：20202022)(1cpdtctpTDeT 因此有声能密度和声强之间的关系为：cID 第一章：声音的基本性质第二十页，共40页。 一般情况(qngkung)下，声压和声强随着离开声源的距离增大而减小，并且是环境的函数。声源的声功率是声源的基本特性，其与距声源的距离无关。声功率(sound pow

11、er)为垂直于测量面的声强与测量面面积的乘积，可以表达为： SIdsW1.3.4、声波(shn b)的叠加：声波的叠加原理： 各声源激起的声波可在同一媒质中独立(dl)地传播，而在各个波的交叠区域，各点的声振动是各个波在该点激起的更复杂的复合振动。第一章：声音的基本性质第二十一页，共40页。 设声场(shn chn)中存在P1，P2，Pn ，n个独立声波，在某点的声压其总声压按叠加原理为： niinppppp121.在不同条件(tiojin)下的叠加原理描述：a 频率相同，相位差恒定：)cos(),cos(222111 tPptPp2221112,2rkrrkr 其中(qzhng)：)cos(

12、)cos()cos(221121 tPtPtPpppr总声压：第一章：声音的基本性质第二十二页，共40页。式中：221122111122122212coscossinsintan)cos(2PPPPPPPPPr 两个频率相同的声波，合成后仍是同频率的简谐波，其声压幅值为Pr，对于不同的地点，相位差=1不相同，Pr在空间分布也不相同，当=1=0，2，4时，Pr为最大值Prmax= P1+P2 ，在另外的位置(wi zhi)，当=，3，5，时，Pr为最小值Prmin= P1-P2,这种Pr随着空间不同位置(wi zhi)有极大值和极小值声压分布的声场，称驻波声场。当P1和P2相等时，Prmax=

13、2P1，Prmin=0，驻波现象最明显，驻波的极大值和极小值分别微微波腹和波节。第一章：声音的基本(jbn)性质第二十三页，共40页。)(2)()(121221rrtt 由于(yuy)这两列波频率相同，所以它们之间的相位差：从能量(nngling)上来看有：)cos(2122121 cPPT22222 cP 22112 cP 其中(qzhng)：第一章：声音的基本性质第二十四页，共40页。 在一般的噪声环境下，所遇到的声波频率不同，或不存在固定的相位差，或者两者兼有，在此情况下将不会在出现驻波，由于相位差是随时间变化(binhu)的量而人对声音的感觉是一段时间内的平均，经平均后有：0cos10

14、 dtTT21 T则有：22212eeePPP 即：b频率相同(xin tn)，相位差不固定：c频率不同(b tn)，相位差不固定：)cos()cos(22211121 tPtPpppT当两列声波的相位差不固定时，合成声压为：第一章：声音的基本性质第二十五页，共40页。)cos()cos(2)(2cos)(2cos21)(212211212222112122212 ttPPtPtPPPPT则有：进行(jnxng)平均后可得：22212eeePPP 1.3.5声波的反射、折射(zhsh)和透射 iprptp11c22ca、边界条件0 x当：21pp 21uu 有：1、反射(fnsh)和透射第一章

15、：声音的基本性质第二十六页，共40页。b、在介质(jizh)中有：triPPP triUUU 进一步有声压(shn y)反射系数、声压(shn y)透射系数：11221122ccccPPrirp 1122222cccPPip 声强(shn qin)反射系数、声强(shn qin)透射系数：2112211222)()(ccccPPrirI 第一章：声音的基本性质第二十七页，共40页。21122112222211)(4)(ccccPPcciI 1）对声压透射系数和声强透射系数进行分析，结果(ji gu)如何？2）为什么在水中不易听到岸上的讲话?2、声的折射(zhsh) 当平面声波不是垂直入射于两介

16、质(jizh)交界面时，就会产生折射：11c22cirtri 21sinsinccti 问题:为什么在风天会出现顺风声音传得远的现象?第一章：声音的基本性质第二十八页，共40页。第四节 球面(qimin)声波1、定义(dngy) 点声源在各向同行的均匀媒质中发声时，波向各个方向传播，在同一半径的球面上声波相位相同(xin tn)，波阵面是一系列球面，这样的声波是球面波。2、球面声波的描述2222222221tpczpypxp 波动方程：22222),(1),(ttrrpcrtrrp 球面波动方程：第一章：声音的基本性质第二十九页，共40页。解方程：)cos(),(krtrAtrp 特点(tdi

17、n)：声压的幅值随半径的变化而变化3、质点(zhdin)的振动速度：dtxpux 由运动(yndng)方程：)cos(1112 krtkrrAcur则有，质点的振动速度：其中：kr/1tan 1 kr当：有：)cos(1krtrAcur 第一章：声音的基本性质第三十页，共40页。进而(jn r)有：0011PcrAcu 而声强(shn qin)为：cPcIerA22)(21 总结:球面声波(shn b)在远场与平面声波(shn b)具有近似性.4、 声线与声象简介 注意：几何声学忽略了声的波动性，一般要求声波的频率较高时才使用。 第一章：声音的基本性质第三十一页，共40页。第五节 典型(din

18、xng)声源 大多数实际工程中的声源如汽车，家用电器等都可以简化为简单的声源模型，或几种简单的声源模型合成而成。因此分析典型声源的基本特性对理解实际生活中的噪声(zoshng)特性具有重要的意义。通常的典型声源包括：单极子声源、偶极子声源、同相点声源、四极子声源、柱形线声源等。1.5.1、单极子(mono pole)声源(shn yun)（点声源(shn yun)） 单极子声源指的是球面形声源，其向球面周围辐射声波并且声波的强度与距球面的距离有关。22222),(1),(ttrrpcrtrrp 第一章：声音的基本性质第三十二页，共40页。假设(jish)声源表面沿法向振动，速度为：wtUuac

19、os0 则解此方程(fngchng)可空间任一点的声压为：)cos(),(krtrAtrp 其中： ，a为声源的半径。220)(1)(kakacaUA 质点(zhdin)的振动速度：)cos(1112 krtkrrAcur进而有声阻抗： 22222200111rkkrirkrkcikrckriZa第一章：声音的基本性质第三十三页，共40页。由此结果可以看出:球面声波不象平面声波那样声阻抗只有阻性成分，球面声波的声阻抗即具有阻性分量又具有抗性分量，当阻性成分占主导地位时，声压波动与质点的速度同相位，当抗性成分占主导地位时，他们相位相异。至于具有能量和功率流的结构，能够预料到声波的同相位分量，控制

20、辐射的声功率，而相异的分量产生声能的某种近场抗性交换。因此相位关系是近场和远场概念的基础。第一章：声音(shngyn)的基本性质第三十四页，共40页。tUkrtkaaAcuaasin)cos(11102 当ar 时:有:进而(jn r)有:02UckaA 令0204UaSUQ 则有,声压与声源(shn yun)强度的关系式:)(4krtQCOSrckp 第一章：声音的基本(jbn)性质第三十五页，共40页。 5.2、偶极子(dipoles)声源(shn yun) 偶极子声源是由两个单极子声源紧密连接在一起而成的，其要求这两个单极子声源具有相同(xin tn)的强度，并且振动的相位相差180。rrs2sr-1+A )cos(1)cos(14krtrkrtrQckp其中：Q=42U0为声源强度(qingd)，a为声源的半径。由于两个声源相距很近，即rL，则可写出：cos21lrr cos21lrr