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1、第二节声学基础知识 2 1声音的产生和传播2 2声波的描述2 3声波的传播特性2 4声源的指向性 2 1声音的产生和传播 物体的振动是产生声音的根源 声源 把产生声音的振动物体称作声源 点声源 声源尺寸远小于测点到声源距离时 声波以球面波形状较均匀地向各个方向辐射 线声源 如一列较长的列车 公路上长的车队等 面声源 如透过一个壁面向开阔空间传播 声波 向前推进着的振动称为声波 声场 有声波传播的空间叫声场 声音传播 声源 介质声音传播实质 是物体振动形式的传播 传播形式 空气纵波 固体 液体纵波 横波 2 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
2、叫振幅 振幅的大小决定了声音的大小 相位 2 2声波的描述 1 周期 T 质点振动每往复一次所需要的时间 单位 秒 s 2 声波频率 f 一秒钟内媒质质点振动的次数 单位 赫兹 Hz 3 波长 在一列波中 偏离平衡位置的位移和速度总是相同的两个相邻质点间的距离叫做波长 或声源每振动一次 声波的传播距离 4 声速 c 振动在媒质中传播的速度 室温时声速近似值 m s 声速与温度关系 气体中的声速 c 331 45 0 61t m s 1其中331 45是0度时声音在空气中速度 就是说地面上温度每升高一度 声速增加约0 61米 秒气体分子运动的快慢和温度有关系 温度越高 运动越快 传递振动越快 也
3、就是 温度越高 声速越大 声速 固体 液体 气体 声速是介质特性的函数 不同介质中声速不同 气体中的声速 固体分子运动 分子之间力的作用使分子在各自的平衡位置附近振动 平衡位置不能改变 由于分子间结合紧密 振动很容易从一个分子传递给另一个分子 导致声音在固体中的速度大 传播快 液体分子运动 在平衡位置附近振动 但由于液体的流动性 平衡位置也可以移动 由于分子间结合也很紧密 振动也容易从一个分子传递给另一个分子 导致声音在液体中的速度较大 传播较快 气体分子运动 气体分子间距大 只有在相互碰撞时才考虑作用力 一般情况下 分子运动是自由运动 这就使气体不容易传递振动 因此 声音在气体中的速度小于液
4、体和固体中的速度 2 2 2声波的物理量度 1 声压 受声波的传播扰动 局部空气产生压缩或膨胀 压缩的地方压强增大 膨胀的地方压强缩小 这样在原来的大气压上产生压强的变化 此压强变化称声压 1 声压 声压级 瞬时声压 声场中某一瞬时的声压值峰值声压 一定时间间隔内最大一瞬时声压值有效声压 pe 在一定时间间隔 周期的整数倍 中 瞬时声压对时间的均方根值 电子仪器测得的声压即有效声压 闻阈声压 正常人耳刚能听到声音的声压 痛阈声压 刚刚引起正常人耳疼痛感觉的声音的声压 对1000Hz的声音 闻阈声压是2 10 5N m 2 痛阈声压是20N m 2 2 声压级 为什么要用 级 表征声音的大小 用
5、声压绝对值表示声音强弱不方便 从闻阈声压2 10 5Pa到痛阈声压2 101Pa 声压绝对值相差100万倍 采用与基准值的相对值较方便 级的概念 1个量的级是这个量与同类基准值之比的对数 用L表示 r 10时 级的单位为贝 耳 工程上常用分贝表示级 符号为dB r e时 级的单位为奈培 Np 1Np 8 686dB 表达式 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 声压级单位 分贝 用dB表示 某些环境下的声压和声压级 常见的声压级范围如右图所示 2 声强和声强级 1 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 称为声强 用I表示 单位 瓦每平方米
6、声压和声强都是度量声音大小 强弱的物理量 声压是用力的关系说明声音的强弱 声强是用能量的关系说明声音的强弱 I W A 二者可以互相换算 式中 空气密度 C 声速 2 声强级 该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘以10 即 声强级单位 dB 3 声功率和声功率级 1 声功率 声源在单位时间内辐射的总能量 单位 瓦 意义 声功率是衡量声源输出声能量大小的基本量 表征声源的特性 反映了声源的本质 可用于鉴定各种声源 声功率与声强的关系 球面辐射时 波阵面面积 声强与声功率都衡量声波的能量声强随距声源距离的增加而降低 与环境有关声功率是不变量 反映了声源的本质 2 声功率级 该声音的声
7、功率与参考声功率的比值取以10为底的对数再乘10 即 声功率级单位 dB 声能密度 单位体积介质所含的声波能量 常采用一个周期内声能密度的平均值表示 4 声能密度 区别于声强与声功率声强 单位时间单位面积的平均声能量声功率 单位时间内辐射的总的声能量 5 频谱与频谱分析 频谱 指组成声音的各种频率的分布图形 频谱分析 对噪声源发出声音的声压级 声强级 声功率级 在各频率的分布特性进行分析 考察频谱特征 这种对噪声频谱特征的分析叫做频谱分析 频谱图 以频率为横坐标 声压级 声强级 声功率级 为纵坐标 描述噪声强度与频谱关系的图 外弦a1 440Hz 空弦音 内弦d1 293 67Hz 空弦音 二
8、胡声音的频谱图 声音频谱类型 线状谱 一系列离散频率的纯音组成的频谱 频谱图是离散的竖直线段 一些乐器的声音 周期或间断振动的声源产生的声音 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 声能连续分布在宽广的频率范围内 形成一条连续的曲线谱线 大部分噪声属于连续谱 线状谱 连续谱 复合谱 复合谱 既有连续声音频谱 又有离散线谱 听起来有明显的音调 称为有调噪声 在噪音控制中 频谱图中声压级较突出的部分及其所对应的频率是重点控制的目标 常见噪声的频谱图 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 称为频程 频带或带宽 两个不同频率的声音作相对比较
9、有决定意义的是两个频率的比值 而不是它们的差值 n倍频程 f1 f2 频程的上限频率和下限频率 各倍频程的中心频率 f1 f2 f 称为带宽 n 1 倍频程 n 2 2倍频程 n 1 3 1 3倍频程 6 总声压级的计算 自学P19 22 6 总声压级的计算 1 声强级和声功率级的相加 声强和声功率表征的是能量 由于能量可以相加 所以 总声强或总声功率可以由各声源的代数相加得到 然后计算声强级和声功率级 自学P19 22 2 声压级的相加 n个声源互不干涉 p24 几种声音同时发生 则总的声压级不是各声压级的简单算术和 而是按照能量的叠加规律 即压力的平方进行叠加 代入上式 P20例题1 2
10、展示用EXCEL解题2 2 令 则 代入下式 得 计算噪声值的图解方法 令 分贝和的增值表 Lp Lp 课本p20 21 图表法计算总声压级 把要相加的分贝值从大到小排列 按由大到小的顺序进行计算 用第一个分贝值减第二个分贝值 得 Lp 由 Lp查上图或上表得 L p 然后按下式计算出第一 二个分贝值之和 用第一 二个分贝和之值再与第三个分贝值相加 依次加下去 例 某车间四台机床单独运转时声压级分别为97dB 95dB 100dB 80dB 试求车间内合成声压级 解一 计算法 102 6dB 解二 查表法 计算时先将声压级从大到小排列 再按由大到小的顺序进行计算 合成声压级P总 102 7dB
11、 3 声压级相减 用仪器测出的声源的声压级实际上是声源与背景噪声的总声压级 所以在有背景噪声的环境中 声源的声压级无法直接测得 只能根据总声压级和背景声压级求得 仪器测量噪声 声源真实噪声 背景噪声 由 得 波阵面 波的基本几何形状 指空间同一时刻相位相同的各点组成的轨迹曲线 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 就是子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 2 2 3声波的类型 平面波 面声源形成的声波 如活塞在气缸中推拉球面波 点声源形成的声波 波阵面为同心球面柱面波 波阵面为同轴柱面 声压振幅沿轴向分布
12、均匀 沿径向与距轴的距离平方根成反比 声波的类型 1 平面声波 a 波动方程 对于简谐振动而言 正向传播 负向传播 b 质点振动速度 对于简谐振动而言 质点振动的速度幅值 c 声阻抗率 对于平面声波而言 单位 Pa s m 声场中某位置的声压与该位置质点振动速率之比 声阻抗率仅与介质密度和声速有关 是介质固有的常数 两种介质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度 u 振动速率c 波速 d 声线 相互平行的一系列直线 2 球面声波 波阵面是以任何值为半径的同心球面 a 波动方程 对于从球心向外传播的简谐球面声波而言 球面声波振幅 A r 随传播距离的增加而减少 二者成反比关系 b 声线 是由声源点
13、发出的半径线 3 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 对远场简谐柱面声波而言 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 b 声线 是由线声源发出的径向线 回顾 声压 声强 声功率声压级 声强级 声功率级频谱和频谱分析频程声波的类型 平面波 球面波 柱面波 2 3声波的传播特性 2 3 1声波的反射 透射 折射2 3 2声波的散射 衍射 干涉2 3 3声波的叠加2 3 4声波在传播中的衰减 2 3 1声波的反射 透射 折射 发生在不同介质界面 垂直入射声波 发生反射和透射斜入射声波 发生反射和折射 1 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
14、传播方向应该满足Snell定律 a 反射定律 b 折射定律 c 与折射定律有关的讨论 由折射定律可知 声波的折射由声速决定全反射 t 90 折射波沿界面传播 思考 p27 1 为什么声音在晚上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 2 反射系数和透射系数 a 声压的反射系数和透射系数反射系数 反射声压与入射声压的比值 透射系数 透射声压与入射声压的比值 3 吸声系数 定义 入射声波在界面上失去的声能 包括透射到介质2中去的声能 与入射声能之比 rp的数值与入射方向有关 因此 也与入射的方向有关 2 3 2声波的散射 衍射 干涉 1 声波的散射 声波传播过程中 遇到的障碍物表
15、面较粗糙或障碍物的大小与波长差不多 则声波入射时 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 又与入射声波的波长有关 波长较短的波被散射得多 2 声波的衍射 声波传播过程中遇到障碍物或孔洞时 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不改变传播方向 这种现象称为声波的衍射 两列波频率 振动方向相同且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 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 两列频率相同 无固定相位差的声波 或者频率不同 相位差固定的两列波
16、 或者有无规则变化相位差的两列波 都不产生干涉现象 称为不相干波 不产生干涉现象的声源称为不相干声源 3 声波的干涉现象 声波的干涉现象 4 声波的叠加相干声波的叠加 1 声压的叠加 2 能量的叠加 不相干声波的叠加 1 声压的叠加 2 能量 平均声能密度 的叠加 2 3 3声波在传播中的衰减 声波在介质中传播时 由于扩散 吸收 散射等原因 离开声源的距离增加 声音逐渐减弱 1 扩散引起的衰减 扩散衰减 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 声波的扩散衰减与声源的形状有关 a 点声源的扩散衰减 点声源辐射的一般为球面波 声压从r1处传播到r2处时的发散衰减 b 线声源的扩散衰减 r0 L 声源视为无限长线声源 r0 L 线声源视为点声源 c 矩形面声源的扩散衰减 r0 a 声源辐射平面声波 声压不衰减 a r0b 面声源视为点声源 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 空气分子在一定状态下 平均能 转动能和振动能处于一种平衡状
