声波的基本性质及传播规律

声波的基本性质及传播规律第1页，课件共95页，创作于2023年2月1Chapter2

声波的基本性质及传播规律

2.1

声音的产生及描述方法2.2

声波的描述2.3

声波的传播特性2.4

声源的辐射特性第2页，课件共95页，创作于2023年2月22.1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。第3页，课件共95页，创作于2023年2月32.1声音的产生及描述方法声波：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：声音传播是指物体振动形式的传播。第4页，课件共95页，创作于2023年2月42.2

声波的描述

2.2.1

描述声波的基本物理量2.2.2

声音的物理量度2.2.3

声波的类型第5页，课件共95页，创作于2023年2月52.2.1描述声波的基本物理量第6页，课件共95页，创作于2023年2月62.2.1描述声波的基本物理量振幅位移位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。周相第7页，课件共95页，创作于2023年2月72.2.1描述声波的基本物理量1.周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。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)<2020-20000>20000声音次<500500-2000>2000超低频声中频声高频定义声音频声声第8页，课件共95页，创作于2023年2月82.2.1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。第9页，课件共95页，创作于2023年2月92.2.1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璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表21.1℃时声速近似值（m/s）第10页，课件共95页，创作于2023年2月101.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5.频谱和频程2.2.2

声波的物理量度第11页，课件共95页，创作于2023年2月112.2.2声波的物理量度1.声压和声压级：静态压强第12页，课件共95页，创作于2023年2月121.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。第13页，课件共95页，创作于2023年2月13

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0.2喷气飞机起飞200日常生活中声音的声压数据(Pa)第14页，课件共95页，创作于2023年2月14c.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：

1.声压和声压级：声压级单位：分贝。

第15页，课件共95页，创作于2023年2月152.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，单位是瓦每平方米

。第16页，课件共95页，创作于2023年2月16b.声强级:该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘10，即：2.声强和声强级：声强级单位：分贝。第17页，课件共95页，创作于2023年2月17声压级和声强级的关系：第18页，课件共95页，创作于2023年2月183.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。第19页，课件共95页，创作于2023年2月19b.声功率与声强的关系球面辐射时：波阵面面积第20页，课件共95页，创作于2023年2月20c.声功率级声功率级单位：分贝。第21页，课件共95页，创作于2023年2月214.声能密度定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量。

对于在自由空间内传播的平面声波而言：

第22页，课件共95页，创作于2023年2月225.频程和频谱：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。第23页，课件共95页，创作于2023年2月23常见噪声的频谱图第24页，课件共95页，创作于2023年2月245.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。第25页，课件共95页，创作于2023年2月25**声级的运算

a.声级的叠加（公式法）当n个声源互不干涉时：当n=2时，第26页，课件共95页，创作于2023年2月26a.声级的叠加（公式法）

由于：代入上式：第27页，课件共95页，创作于2023年2月27a.声级的叠加：当n个声源时，表示为声压级：第28页，课件共95页，创作于2023年2月28a.声级的叠加（查表、图法）：

令：则：代入下式中：可得：第29页，课件共95页，创作于2023年2月29a.声级的叠加（查表、图法）：

令：第30页，课件共95页，创作于2023年2月30a.声级的叠加：△Lp第31页，课件共95页，创作于2023年2月31a.声级的叠加：

求出总声压的有效值当n个声源发生干涉时：先求出瞬时声压求出总声压级第32页，课件共95页，创作于2023年2月32b.声级的相减仪器测的噪声声源真实噪声背景噪声第33页，课件共95页，创作于2023年2月33b.声级的相减第34页，课件共95页，创作于2023年2月34b.声级的相减：

第35页，课件共95页，创作于2023年2月352.2.3声波的类型在均匀的理想流体中的小振幅声波的波动方程为：或第36页，课件共95页，创作于2023年2月362.2.2声波的类型波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。声线：常称为声射线，就是自声源发出的代表能量传播方向的直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。第37页，课件共95页，创作于2023年2月372.2.2声波的类型1.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。波前：声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。第38页，课件共95页，创作于2023年2月381.平面声波：第39页，课件共95页，创作于2023年2月391.平面声波：a.波动方程：对于简谐振动而言：第40页，课件共95页，创作于2023年2月401.平面声波：b.质点振动速度：对于简谐振动而言：质点振动的速度振幅第41页，课件共95页，创作于2023年2月411.平面声波：c.声阻抗率：对于平面声波而言：媒质的特性阻抗，单位（Pa·s/m）第42页，课件共95页，创作于2023年2月421.平面声波：d.声线：相互平行的一系列直线。第43页，课件共95页，创作于2023年2月432.球面声波：波阵面是以任何值为半径的球面。a.波动方程：对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。第44页，课件共95页，创作于2023年2月442.球面声波：b.声线：是由声源点发出的半径线。第45页，课件共95页，创作于2023年2月453.柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.波动方程：对于远场简谐柱面声波而言：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。第46页，课件共95页，创作于2023年2月463.柱面声波：

b.声线：是由线声源发出的径向线。第47页，课件共95页，创作于2023年2月472.2.2声波的类型

声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第48页，课件共95页，创作于2023年2月482.3声波的传播特性2.3.1声场2.3.2声波的反射、透射、折射

2.3.3声波的散射与衍射

2.3.4声波的叠加2.3.5声波在传播中的衰减第49页，课件共95页，创作于2023年2月492.3.1

声场（SoundField）1.声场的概念：声场是指传播声波的空间。按声场的性质可以将声场分为：自由声场；扩散声场；半自由声场

第50页，课件共95页，创作于2023年2月502.声场的分类自由声场:我们把可以忽略边界影响，由各向同性的均匀介质形成的声场称为自由声场。第51页，课件共95页，创作于2023年2月51自由声场（FreeSoundField）消声室第52页，课件共95页，创作于2023年2月52自由声场（FreeSoundField）消声室第53页，课件共95页，创作于2023年2月532.声场的分类扩散声场（混响声场）:如果室内各处的声压级几乎相等，声能密度也处处相等，那么这样的声场就叫做扩散声场（混响声场）。半自由声场(半扩散声场):第54页，课件共95页，创作于2023年2月542.声场的分类半自由声场(半扩散声场):第55页，课件共95页，创作于2023年2月552.3.2声波的反射、透射、折射piptpr第56页，课件共95页，创作于2023年2月561.声波的反射定律与折射定律入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足Snell定律：a.反射定律：b.折射定律：第57页，课件共95页，创作于2023年2月57c.与折射定律有关的讨论由折射定律可知：声波的折射是由声速决定的。思考题：1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？2.为什么逆风传播的声音难以听清？第58页，课件共95页，创作于2023年2月58思考题1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？第59页，课件共95页，创作于2023年2月59思考题2.为什么逆风传播的声音难以听清？第60页，课件共95页，创作于2023年2月602.反射系数和透射系数a.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。声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。第61页，课件共95页，创作于2023年2月61a.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质点速度应该连续，即：可以导出：第62页，课件共95页，创作于2023年2月62b.声强的反射系数和透射系数：第63页，课件共95页，创作于2023年2月633.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。rp

的数值与入射方向有关，因此α也与入射的方向有关。第64页，课件共95页，创作于2023年2月644.当声波垂直入射时的反射系数和透射系数

当声波垂直入射时，声压的反射系数和透射系数可以表示为：声强的反射系数和透射系数可以表示为：第65页，课件共95页，创作于2023年2月652.3.3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。声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。第66页，课件共95页，创作于2023年2月662.3.3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。第67页，课件共95页，创作于2023年2月672.声波的衍射第68页，课件共95页，创作于2023年2月682.3.4声波的叠加

1.声压的叠加2.能量的叠加第69页，课件共95页，创作于2023年2月692.3.4声波的叠加

3.声波的干涉现象:两列波的频率相同，振动方向相同和具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象。能产生干涉现象的声波称为相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源。第70页，课件共95页，创作于2023年2月70声波的干涉现象第71页，课件共95页，创作于2023年2月712.3.5

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

）第72页，课件共95页，创作于2023年2月72

1.扩散引起的衰减扩散衰减的定义：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。第73页，课件共95页，创作于2023年2月73

1.扩散引起的衰减根据声强的定义：波阵面面积为S处的声强级可表示为：第74页，课件共95页，创作于2023年2月74

1.扩散引起的衰减由于：

将W0=10-12W、I0=10-12W代入式中便得到：

第75页，课件共95页，创作于2023年2月75

1.扩散引起的衰减因此从S1处传播到S2处时的发散衰减可表示为：第76页，课件共95页，创作于2023年2月76

a.平面声源的扩散衰减当平面声源辐射平面波时：

因此从S1处传播到S2处时的发散衰减：第77页，课件共95页，创作于2023年2月77

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：

因此从r1处传播到r2处时的发散衰减：第78页，课件共95页，创作于2023年2月78c.线声源的扩散衰减r0≤L/π，线声源视为无限长线声源：r0>L/π，线声源视为点声源。LAr0第79页，课件共95页，创作于2023年2月79d.矩形面声源的扩散衰减r0≤a/π，声源辐射平面声波，声压不衰减。a/π≤r0<b/π,面声源视为无限长线声源来计算。r0>b/π，面声源视为点声源。LabAr0a<b第80页，课件共95页，创作于2023年2月80

2.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。第81页，课件共95页，创作于2023年2月81

2.空气吸收引起的附加衰减对于噪声控制工程，可以采用下面的半经验公式来估算空气吸收衰减。在20℃时：

声波的频率，Hz相对湿度传播距离，m第82页，课件共95页，创作于2023年2月82

2.空气吸收引起的附加衰减对于不同温度，可采用下式来估算：

与20℃相差的摄氏温度β=4×10-6第83页，课件共95页，创作于2023年2月83

3.地面吸收的附加衰减当地面是非刚性表面时：地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距离（30-50m）其衰减可以忽略，而在70m以上应予以考虑。第84页，课件共95页，创作于2023年2月84

3.地面吸收的附加衰减声波在厚的草地上面或穿过灌木丛传播时，在频率为1000Hz时的附加衰减较大，可高达

25/100mdB。附加衰减量的近似计算公式为：声波的频率，Hz传播距离，m第85页，课件共95页，创作于2023年2月85

3.地面吸收的附加衰减声波穿过树木或者森林时，不同树林的衰减相差很大，在1000赫兹时：浓密的常绿树树冠23dB／100m地面上稀疏的树干3dB／100m各种树林平均的附加衰减大致为：第86页，