湖大噪声控制工程讲义01噪声基础知识-2环境声学的基本概念

第二章环境声学的基本概念2.1声波的产生及描述方法2.1.1声波的产生1.声源：声音是由物体的振动而产生的，因此凡能产生声音的振动物体统称为声源。从物体的形态来分，声源可分为固体、气体、液体声源等。2.声波的形成：当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质――空气分子的振动。这些振动的分子又使其周围的空气分子产生振动。在弹性媒质中，物体的机械振动由近及远的传播过程叫声波。声波可以在空气、液体、固体中传播，但在噪声控制中主要涉及在空气中的传播。我们在此要注意：声波在空气中的传播，空气质点本身并不曾随声波一起传播，只是在它的平衡位置来回振动。故声音的传播，实质是振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。（画图说明）3.产生声音感觉的条件：（1）具有一定声能的振动（2）有传播声波的媒质（气体、固体、液体）（3）产生振动的频率必须在20-20000Hz内。2.1.2描述的物理量声音是一种波动，因此它就必然具有波的所有性质，可以用通常描述波动的物理量进行描述，通常用频率、波长、相位、声速和声压来描述。声压：当声波在空气中传播时，会形成弹性媒质（空气）的疏密相间的状态，当媒质密集时，这部分的空气压强P会比平衡状态下的静态压强P0大，当媒质稀疏时，这部分的空气压强P会比平衡状态下的静态压强P0小，即在声波的传播过程中，空气压强随着声波作周期性变化。因此可以用声扰动在空气中所产生的逾量压强p来表述声波的状态：p=P－P0，这个逾量压强p称为该点的瞬时声压，单位是帕斯卡（Pa）。区分有效声压2.相位：是指任一时刻t的质点振动状态，包括运动方向、振动位移、压强变化等，它描述质点运动状态。对于简谐振动，沿x正方向传播的平面声波一般用ωt－kχ+φ来表示，其中ω＝2лf为角频率，t为时间，k=ω/c称为波数，φ为初相位在实际使用中适当选取时间的起始值或适当选取x轴的坐标原点，使其等于0。3.波长：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（或最稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长，记为λ，单位为米。4.周期、频率：振动重复1次的最短时间间隔称为周期，记为T，单位为秒，周期的倒数，即单位时间内的振动次数，称为频率。5.声速：媒质质点在声源激发下产生的振动状态在媒质中自由传播的速度为声速，记为c，在一定的媒质中，声速与媒质的温度有关，在空气中声速与空气温度的关系是c=331.4+0.61t(m/s),t为空气媒质的温度，我们在实际应用中可以取15℃空气声速即340m/s，就能满足一般工程精度要求。声波类型和声场类型2.2.1波动方程及其几个概念在声学中，一般用声压p来描述声波，在均匀的理想流体媒质中的用小振幅声波波动方程描述声传播规律，它是一个二阶偏微分方程，是在运动方程（牛顿第二定律）、连续性方程、状态方程三个定律的基础上推导出来的。这个方程是在满足以下假设条件的基础上推导出来：假设媒质为理想流体，声波在这种媒质中传播时没有能量耗损，在媒质中不存在粘滞性；假设声扰动之前媒质宏观上是静止且均匀的，压强P0和密度ρ0都是常数。假设声传播过程媒质膨胀压缩产生的温度差不会引起媒质相邻部分发生热交换，即声传播过程为绝热过程。假设媒质中传播的是小振幅声波，即满足声压p比静态压强P0小的多；质点振动速度u比声速c小的多；质点位移ξ比声波波长λ小的多；媒质密度的相对变化远小于1，即（ρ－ρ0）/ρ0<<1。在波动方程中，声压p是空间坐标（x,y,z）和时间t的函数，记为p(x、y、z、t)，描述不同地点、不同时刻声压的变化规律。波阵面：是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。声场：空间中存在声波的区域称为声场。声线：也称为声射线，是声源发出的代表能量传播方向的直线，它与波阵面常用来描述声波的传播，当声波频率较高，传播途径中遇到的物体的几何尺寸声波波长大很多时，可以不计声波的波动特性，直接用声线来处理，后面我们谈到的声像就用声线来正理的。声阻抗率：指声场中某位置的声压与该位置的质点振动速度的比值，它代表的不是声能转化为热能，而是代表着能量从一处向另一处转移，即传播损耗。用公式表示为Zs=p/u。声波类型根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成平面声波、球面声波、柱面声波等类型。平面声波如果声源是一块无限大的平面，而且声源上每一点都处于同一相位，定义声音传播方向为x，则声场在空间的y\z两个方向是是均匀的，即声压、质点振动等物理量在垂直于x轴的同一平面上处处相等（亦即波阵面垂直于X轴），不随y、z值而变化。这时波动方程简化为我们把这种声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，叫平面声波，它的声线是相互平行的一系列直线。活塞在管中运动所辐射的声波是典型的平面声波，对于沿正x方向传播的简谐平面声波有以下三个基本公式：1）瞬时声压：p(x,t)=P0cos(ωt－kχ),P0为声压振幅2）质点振动速度：ux=U0cos(ωt－kχ)，式中U0＝P0/ρ0c为质点振动的速度振幅。3）声阻抗率：Zs=p/u＝ρ0c，只与媒质的密度和媒质中的声速有关，而与声波的频率、幅值等无关，故又称为ρ0c为媒质的特性声阻抗。（2）球面声波当声源的几何尺寸比声波波长小很多时，或测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成一个点，称为点声源（在噪声控制工程中大都声源可作为点声源来处理）。因为在各向同性的均匀媒质中，各方向上声的传播速度相等，点声源辐射声波在距声源同一距离的球面上相位处处相等，波阵面是一系列同心球面，这种声波称为球面声波。它的波动方程为：1）瞬时声压：p(r,t)=P0/r×cos(ωt－kχ),P0/r为声压振幅,随传播距离r的增加而减少，二者成反比关系。2）质点振动速度：u=U0cos(ωt－kχ)，式中U0＝P0/ρ0cr为质点振动的速度振幅。3）声阻抗率：Zs=p/u＝ρ0c，与平面声波的相同。（3）柱面声波如果声源在一个尺度上特别长，例如繁忙的公路，比较长的运输线，都可以看成是线声源实例，这类声源形成的声波波阵面是一系列同心圆柱，它的波动方程为，其中r为径向半径。2.2.3声场的类型（各声场的特点）声场可分为自由声场、半自由声场、扩散声场。1.自由声场：均匀、各向同性的流体媒质中，若声场不受边界的影响，或者声场的边界在无穷远处，这时的声场叫自由声场，理想的自由声场是不存在的，因为人们生活的空间总存在边界，当边界的影响小到可以忽略不计时，可以近似认为，如在声学研究中人工建立的全消声室。2.半自由声场：如果存在一个全反