课题五 声学基础 省赛获奖

声学基础概述船艇振动与噪音5.1声音的产生与传播1.声音的产生声音是由于物体振动而产生的。.通常，振动发声的物体被称为声源。声源可以为固体，也可以是液体和气体。振动频率在20～20000Hz的范围内，才能为人耳所听到，这个范围内的声音称为可听声。

高于20000Hz的声音称为超声。低于20Hz的声音称为次声。2.声音的传播声音的振动是由振动的发生及振动的传播这两个环节组成的。没有振动就没有声音，同样，没有介质来传播振动，也就没有声音。作为传播声音的介质必须是具有惯性和弹性的介质，因为只有介质本身有惯性和弹性，才能不断地传递声源的振动。下面以空气传播声音为例，说明声源发出的声音是怎样通过介质传播的。a—声音传播示意图；b—声音传播波形声音在空气中传播时，空气质点本身并不随声波一起传播出去，空气质点只是在其平衡位置附近做纵向振动，所以声音的传播过程，实质是物体振动的传播过程，即传播出去的是物质运动的能量，而不是物质本身。这说明声音是物质的一种运动形式，这种运动形式称作波动。因此，声音又称声波，声波是一种变交的压力波，属于机械波。5.1.2声学基本术语1.声源声音是由于发生体的振动而产生的，如果发生体不产生振动，那么就不会产生声音。因此，通常把振动的物体称作声源。2．声音与声波

声音的传播是物体振动的传播，我们通常把这种振动的传播形式称为波动。振动是产生波动的根源，而波动是振动的传播过程。由于声音在本质上就是一种波动，因此，声音也就是声波。3.纵波与横波纵波与横波是自然界中存在的两种简单的波。所谓纵波是指传播介质中质点的振动方向与传播方向相互平行，在气体和液体中传播的声波一般为纵波；所谓横波是指介质中质点的振动方向与传播方向相互垂直，如机械振动波等。4.声场所谓声场是指传播介质中声音存在的区域。声场可以分为自由声场、扩散声场、半自由声场。自由声场是指在均匀且各向同性的介质中，边界影响可以忽略不计的声场，称作自由声场。扩散声场与自由声场相反。声波在扩散场中接近全反射状态。半自由声场是指既不是完全的自由声场，也不是纯粹的扩散（混响）声场，而是介于二者之间的声场，称为半自由声场（或称为半扩散声场）。5.声线与波前自声源发出的声波在介质中传播方向上的声射线，称作声线或波线。将某一时刻声波到达空间各点连成的一个面，称为波前（或称波阵面）。一般按波前的形状将声波划分为平面波和球面波，即波前是球面的称为球面波，波前是平面的称为平面波。声线、波前（波阵面）示意图6.声波的波长、频率和声速（1）波长。声波在传播过程中，其两个相邻密集区或两个相邻稀疏区的距离称为声波的波长，用λ表示，单位m。（2）频率。物体质点在1s内振动的次数称为声波的频率，用f表示，单位为Hz。通常情况下，由于声波振动的频率在传播过程中不变，故声波的频率就是声源的振动频率。频率与周期之间的关系为：在可听声声频范围内，声波的频率越高，声源显得越尖锐，反之显得越低沉。通常将频率低于350HZ的声音称为低频声；350～1000HZ的声音称为中频声；1000HZ以上的声音称为高频声。（3）声速。声波在介质中传播的速度称为声速，用c表示，单位为m/s。波长、频率和声速是描述声波的三个物理量，其关系式为：若声速一定，波长和频率成反比。也就是说，在声速一定的情况下，振动频率越低，则波长愈长；频率越高，则波长愈短。5.2声音的物理度量

1．声音强度（1）声强声音听起来有的响亮，有的轻微，人们通常把这种现象称为响度的不同。但响度是主观感觉到的声音大小，对于一定频率声音的响度，主要由声音强弱来决定。衡量声音强弱的物理量是声强。声强是在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能，声强通常用I表示，单位为通常，距声源越远的点声强越小，这是由于一方面声音传播时发生了声波的衰减、反射、折射等现象的缘故，另一方面因为声源每秒钟内发出的能量是一定的，离声源的距离越远，声能分布的面积越大，通过单位面积的声能量就越小，感觉到的声音就弱。若不考虑介质对声能的吸收，点声源在自由声场中以球面波的形式向四周均匀辐射声能时，在离开声源一个相当距离r处的声强为：式中I——距点声源r处的声强，；W——点声源声功率，W；S——离开声源距离为r的球面的面积，；r——距点声源的距离，m.。若点声源放在刚性地面上，则声波只向半球面辐射，其声强为：故声强与距离的平方成反比。声功率W和声强I的关系为：式中S——包围声源的封闭面面积，；

——声强在微元面积dS法线方向上的分量。（2）声压我们把某一瞬时介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压。用符号表示，单位为帕(Pa)声音在传播过程中，声压是随时间迅速起伏变化的，人耳感受到的实际效果只是迅速变化的声压（瞬时声压），某段时间内瞬时声压的能量平均值称为有效声压。因此瞬时声压有正负之分，所以有效声压取瞬时声压对时间T的均方根值，即：式中p——T时间内的有效声压，pa；p(t)——某一时间的瞬时声压，pa；T——某一段时间，s；声压和声强的联系式中p——声压，pa；

——传播介质的密度，；c——声速，m/s；

——传播介质的特性阻抗，。从式中可以看出，声强与声压的平方成正比，故声压与距离成反比。（3）分贝

正常人耳刚刚可听到的最小声压值称作听阈（或听阈声压）。对于1000Hz的声音，听阈声压值为pa；使人耳产生疼痛感觉的声压值称作痛阈（或痛阈声压），其值为20pa。从听阈声压到痛阈声压，数值相差100万倍。可见用声压的大小表示声音的强弱是很不方便，因而人们引出“级”的概念。由于人耳听觉的灵敏度是呈对数关系变化的，因此，声音的物理量声压、声强和声功率级的划分采用对数量级来表达，分别称为声压级、声强级和声功率级，它们的单位都用分贝（dB）表示。一个声音的声压级，是测得这一声音的有效声压p与参考有效声压p0的比值的自然对数乘以20所得的数值，用符号表示。其数学表达式为：式中——声压级，dB；

——基准声压，取Pa。将pa代入，则有：由于把声压值相差100万倍的变化范围，用声压级表示，就变成0～120dB的变化范围，这样既简化了计算，又使得用声压级表示的声压变化与人耳判断声音强度的变化大体一致。声强级与声功率级，分别以，表示，单位也为分贝，即：式中——声强级，dB；

——声强，；

——基准声强，。式中——声功率级，dB；

——声功率，W；

——基准声功率，取为。2．声音的频率声音的频率是指声源的振动频率，声源振动频率就是每秒钟声源振动的次数，每秒钟声源振动的次数越多，说明频率越高，人耳主观感到的音调越高，反之则低。5.3声波传播的特性声波在传播过程中由于声源本身、离声源的距离、声源与测点之间的物体、空气等因素的影响，使得声波在传播过程中具有一定的指向、衰减、吸收、折射、反射、衍射、干涉等现象发生。为了有效地控制噪声，必须对声波的传播特性进行分析。一、声源的指向性声源发声时，在声源四周各方向上，声能的分布并不一定均匀。声源的声音强度在各个方向上分布的不均匀性就称作声源的指向性特性。二、声波的衰减声波在媒介中传播时，其声压或声强随离开声源距离的增加而逐渐衰减。造成这种衰减的原因为：一是传播衰减，二是空气吸收。1．传播衰减按声源类型可以分为点声源、线声源及面声源三类。因声源类型不同，所发出声波的波阵面也不相同。随着距离的增加，而衰减的规律也不相同。（1）点声源。如果声源尺寸比声源波长小得多，可以认为声源为点声源。点声源像一个球心，声波从球心以同样速度向四周辐射，其波前面积随传播距离的增加不断扩大，通过波前单位面积的声能不断减少。所以，声音的强度一般随传播距离的增加而衰减。对于点声源，声音的强度随距离的平方成反比规律衰减。如距声源增加2、3、4倍时，声音的强度将相应减为1/4、1/9、1/16。（2）线声源。线声源可以认为是由大量的分布在同一直线上，且十分靠近的点声源所组成的，如马路上连续不断行使的汽车噪声，一长串火车噪声、输送管道噪声等，都可以看成是线声源。2．空气吸收

声音在空气中传播时，由于空气的粘滞阻力、热传导等影响，声能不断被空气吸收转化为其他形式的能。例如空气分子间的摩擦可使部分声能转化为热能，形成声衰减。空气吸收声能而引起的声衰减与声音频率、空气温度、空气湿度有关。其原因有两个方面，一是由于空气的粘性与热传导使部分声能转变成热能而损耗；二是由于声波通过空气时引起气体分子碰撞导致能量交换而产生附加吸收作用。三、声波的反射、折射和投射声波在传播过程中，遇到不同介质的物体时，一部分声波反射回来的现象，称作声波的反射；一部分声波进入第二介质，产生折射，称作声波的折射；一部分透过物体，产生透射，称作声波的透射；还有一部分声波在物体内部损耗掉。图1-12为声波在传播过程中的能量变化。声波在传播过程中的能量变化

—入射声能；—反射声能；

—吸收声能；—透射声能1．声波的反射声波在传播过程中发生反射现象，是由于遇到了特性阻抗不同的界面。如山谷里听到的回声就是声的反射现象。声波反射现象的强弱可用反射系数的大小来表示，反射系数等于反射声能与入射声能之比。2．声波的折射声波在传播过程中，遇到不同特性阻抗的界面时，除部分声波发生反射外，有一部分声波在传播方向上发生改变，称为声波的折射。3．声波的透射设单位时间的入射声能为，反射声能为，在物体内损耗的的声能为，透射声能为，则它们有如下关系：透射声能与入射声能之比，称为透射系数：人们把反射系数小的材料称为吸声材料，把透射系数小的材料称为隔音材料。四、声波的衍射声波在传播途径上遇到障碍物或孔洞时，如果波长比障碍物或孔洞大得多，部分声波的传播方向发生改变，可以绕过障碍物边缘前进的现象，称作声波的衍射或绕射。影响衍射的主要因素是声波波长和障碍物的尺寸。声波波长比障碍物尺寸大得越多时，衍射现象越明显，如图1-14所示。显然，低频声波较高频声波的波长要长，容易发生衍射；若障碍物的尺寸远大于波长，虽然还有衍射，但在障碍物背后的边缘附近将形成一个声影区，如图c所示。若声波在前进过程中遇到孔洞时，部分声波将穿越孔洞发生衍射现象。如图a，b所示。波长较孔洞尺寸大得越多，衍射现象越明显，而在壁面另一侧形成半球面波形继续传播。若孔洞尺寸远大于波长时，穿过孔洞的声波则将保持原来的波形继续前进。五、声波的干涉和驻波当两个声源发出的声波在同一介质中传播，且两个频率相同的声波以同样相位到达某一点时，则两个声波加强，合成振幅为两个振幅之和；当两波相位相反时，则相互减弱或完全抵消，合成振幅为两波振幅之差。这种现象称作声波的干涉。在两波源连线上的相邻