华南理工环境科学课件02第二章 第二节 噪声基础2011

第二章噪声污染及其控制第一节概述第二节声学基础第三节噪声的评价和标准第四节噪声控制技术——吸声第五节噪声控制技术——隔声第六节噪声控制技术——消声第七节噪声控制技术——有源噪声控制简介

第二节声学基础

声波的形成一

声波的基本物理量二

声音的频谱三

声音的波动方程四

平面声波五

球面波六

声压级计算七

声波的传播特性八声源：振动而发出声音的物体。

声源可以是固体、液体或气体。

媒质：传播声音的介质。

介质可以是空气、水、固体。声音不能在真空中传播！！！

声波的形成一

声波：声源振动带动相邻的介质质点，使之交替进行压缩和膨胀运动，由近及远向前推进的介质振动。

声波的形成一空气中声波是一种纵波。

纵波：质点振动方向与声波传播方向平行的波，具有交替出现的密部和疏部。

横波：质点振动方向与声波传播方向相互垂直的波。具有交替出现的波峰和波谷

固体和液体中，既可能是纵波，也可能是横波。频率

声波的基本物理量二波长

声速

频率

频率（）：每秒质点振动的次数,Hz；媒质每秒钟振动的次数越多，其频率就越高。周期（）：质点振动往复一次所需时间,s。频率和周期互为倒数，即

(2-1)频率与振动圆频率的关系为

(2-2)

描述声音特性的主要物理量！波长:是两相邻波对应相同点之间的距离，即振动经过一个周期声波传播的距离，m。波长

声速:声波在媒质中传播的速度，m/s。波长、频率和声速之间的关系为或(2-3)声速

气体中声速为(2-4)

式中：——媒质处于平衡态时的密度，kg／m3；

——媒质处于平衡态时的压强，Pa；——比热比(＝定压比热／定容比热)。空气

=1.4，则式(2-4)有如下形式或(2-5)一般空气中的声速近似取340m／s。

声速

声速是媒质特性函数液体和固体中声速（表2-1）

声速

媒质

声速/m·s-1

媒质声速/m·s-1媒质声速/m·s-1空气344玻璃3658钢5182水1372铁5182硬木4267混凝土3048铅1219软木3353表2-1常用媒质在室温下的声速近似值

声音的频谱三

（一）频程及频谱（二）频谱分析

频程（频带、带宽）：将可听声的频率范围（20Hz～20kHz）按倍数变化，划分为若干较小的频段，通常称为频程。在噪声测量中，常用的有倍频程和1/3倍频程。倍频程和1/3倍频程的中心频率（表2-2）

（一）频程及频谱

常用的倍频程的中心频率：31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000和16000Hz1/3倍频程就是把上述每个频程再一分为三，其中心频率为：40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3200、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000

小资料

频谱：组成声音的各种频率的分布图。

频谱分析：研究声音强度(声压级、声强级、

声功率级)随频率分布的规律。频谱的形状：（图2-1）

（二）频谱分析线状谱连续谱复合谱线状谱图2-1（a）是由一些频率离散的单音形成的谱，在频谱图上是一系列竖直线段。线状频谱可以确定单个频率处的声压。一些乐器发出的声音和周期或间断振动的声源产生的声音的频谱是线状谱。与振动相同的声波频率称为基频频率等于基频整数倍的称为谐波频率。

连续谱图2-1（b）频率在频谱范围内是连续的。其声能也连续地分布在所有频率范围内，形成一条连续的曲线。大部分噪声属于连续谱。

复合谱图2-1（c）是连续频率和离散频率组合而成的频谱，有调噪声的频谱为复合谱。在噪声控制中，频谱图中声压级比较突出的部分及其所对应的频率是重点控制目标。

声音的波动方程四

声波传递的规律可以用基本物理定律来描述。

声波传递的基本方程：（一）运动方程（二）连续性方程（三）物态方程（一）运动方程均匀理想流体媒质中，小振幅声波的运动方程

或(2-13)式中:——瞬时声压，Pa；——声速，m／s；——时间，s；——拉普拉斯算符，在直角坐标系中式(2-13)表明，声压p是空间坐标（x、y、z）和时间t的函数;把声压与质点振动速度联系起来，反映了不同地点和不同时刻的声压变化规律。（二）连续性方程直角坐标系中声波的连续性方程为

或

(2-14)

式中:

——媒质的静态密度，kg／m3；

——时间，s；——媒质质点速度沿x、y、z方向的分量，m／s。式(2-14)反映了质点振动速度与流体密度间的关系。（三）状态方程根据理想气体绝热状态方程，得声波传播时的物态方程为

或(2-15)式中:——瞬时声压，Pa；——声速，m／s；——时间，s.式(2-15)描述了声场中瞬时声压随时间的变化与密度随时间变化的关系。

平面声波五（一）声压波动方程（二）瞬时声压和有效声压（三）质点振动速度和声阻抗率（四）声能密度、声强和声功率（五）声音的声压级、声强级和声功率级声波在传播过程中，同一时刻相位相同的轨迹称为波阵面。波阵面与传播方向垂直的波称平面声波。（一）声压波动方程

均匀波动的平面声波的声压波动方程为

（2-18）式(2-18)的一般解为

（2-19）式中，、是任意函数,

代表声速向x

正方向传播的波，代表声速向x负方向传播的波。（二）瞬时声压和有效声压声压:声波引起的大气压强变化，称为声压。声场:有声波存在的区域称为声场.瞬时声压:声场中某一瞬时的声压值。若声源在理想媒质中以单一频率传播，则可看作是简谐振动，那么媒质中各质点也随着作同一频率的简谐振动。

（二）瞬时声压和有效声压瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值为

(2-20)声波沿负方向传播时

（2-21）式中，——声场中某位置(m)和某时间(s)时的瞬时声压，Pa；——声压幅值，Pa；

ω——振动圆频率或角频率，rad／s；

——波数，；、——相位；

——初相位。当时间一定时，瞬时声压随空间位置的变化如图2-2(a)；当空间位置一定时，瞬时声压随时间的变化如图2-2(b)。

图2-2声压随空间位置和时间的变化曲线（二）瞬时声压和有效声压在一定时间间隔内将瞬时声压对时间求均方根值可得到有效声压，即

（2-22）式中t——时间(周期的整数倍)，s。将式（2-20）代入式（2-22），得

（2-23）（二）瞬时声压和有效声压

一般用电子仪器测得的声压即是有效声压。（三）质点振动速度和声阻抗率

声波沿方向质点振动速度为(2-25)质点振动速度幅值(2-26)

声波沿负方向质点振动速度为(2-27)质点振动速度幅值(2-28)质点振动速度的有效值(2-29)注意：质点振动速度u与声速c不同;在声场中质点是以速度u在振动，这种振动过程中声波是以速度c传播出去。声阻抗率

（或声特性阻抗）：在声场中某位置的声压与该位置质点振动的速率之比，Pa·s／m。或(2-30)声阻抗率与声波频率、幅值等无关，仅与媒质密度和声速有关，是媒质固有的一个常数。当声波从一种媒质传播到另一种媒质的有效界面时，两种媒质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度。（三）质点振动速度和声阻抗率

（四）声能密度、声强和声功率

声能密度：单位体积媒质所含的声波能量。声场中某点总平均声能密度为(2-31)

由式（2-31）可以看出，在理想媒质中，平面波的平均声能密度与距离无关，在传播范围内处处相等，这也是理想媒质的特征之一。声强（）：在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的平均声能量，W／m2。理想媒质中，声强与声压的关系式

（2-33）通常影响声强的因素很多。如声源辐射具有一定的指向性，声波在传播过程中会发生反射、折射、扩散衰减和被吸收等现象，这些因素都使声强随距声源距离的增加而降低，说明声强与环境