声学基本知识

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1、环境噪声控制工程,Chapter 2 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 声源的辐射特性,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： 我们把产生声音的振动物体称作声源。,2.1.2 声音的产生和传播,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。,2.2 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,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。,周相,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，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.2.1 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)。,2.2.1 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。,2.2.1 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

3、速会随环境的温度有一些变化。,表 21.1 时声速近似值（m/s）,1. 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,2.2.2 声波的物理量度,1.声压和声压级：,静态压强,1.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。,1.声压和声压级：,日常生活中声音的声压数据 (Pa),c. 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。,2.声强和声强级：,a.声强: 在声传播方

4、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 。,b.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。,声压级和声强级的关系：,3.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。,b.声功率与声强的关系,球面辐射时：,波阵面面积,c.声功率级,声功率级单位：分贝。,4.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：,5.频程和频谱：,a.

5、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。,5.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。,*级的运算,a.级的叠加（公式法） 当n个声源互不干涉时：,当n=2时，,a.级的叠加（公式法）,由于：,代入上式：,a.级的叠加：,当n个声源时，,表示为声压级：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,则：,代入下式中：,可得：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,a.级的叠加：,Lp,a.级的叠加,如果Lp1比Lp2高出10dB以上，总声压近似等于Lp1。,a.级的叠加：,求出总声压的有效值,当n个声源发生干涉时：

6、先求出瞬时声压,求出总声压级,b.级的相减,仪器测 的噪声,声源真实噪声,背景噪声,b.级的相减,b.级的相减：,C.声压级的平均,计算公式如下：,2.2.3 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,2.2.2 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。,2.2.2 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

7、最前沿的波阵面称为波前。,1.平面声波：,1.平面声波：,a.波动方程：,对于简谐振动而言：,1.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,1.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（Pas/m）,1.平面声波：,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。,2.球面声波：,b.声线： 是由声源点发出的半径线。,2.球面声波：,c.瞬时声压：p(r,t)=P0/rcos(tk),P0/r为声

8、压振幅,随传播距离r的增加而减少，二者成反比关系。 d.质点振动速度：u=U0cos(tk)，式中U0P0/0cr为质点振动的速度振幅。 e.声阻抗率：Zs=p/u0c，与平面声波的相同。,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。,3.柱面声波：,b.声线：是由线声源发出的径向线。,2.2.2声波的类型,声波的类型,Chapter 2 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 声源的辐射特性,2.3 声波的传播特性,2.3.1

9、 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,2.3.1 声场（Sound Field）,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,2. 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。 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。,自由声场（Free Sound Field）,消声室,2. 声场的分类,扩散

10、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。 声波在室内等封闭空间内传播时，存在许多反射面，声波经过壁面和室内物体多次反射，不断改变传播方向，使室内声的传播完全处于无规状态。如果在室内任何一点，各个方向传来的声波几率相等，声音的相位无规，,2. 声场的分类,半自由声场(半扩散声场): 如果存在一个全反射面，反射面上方不存在边界的影响，则称为半自由声场。,2.3.2声波的反射、透射、折射,a,pi,pt,pr,1.声波的反射定律与折射定律,a,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：

11、,c.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。,2.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。,a.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：,b.声强的反射系数和透射系数：,3. 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，因此也与入射的方向有关。,4.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

12、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：,2.3.3 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。,2.3.3 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。,2.声波的衍射,2.3.4 声波的叠加,1.声压的叠加 2.能量的叠加,2.3.4声波的叠加,3.声波的干涉现象: 两列波的频率

13、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。,声波的干涉现象,2.3.5 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 ）,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。,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

14、表示为：,1.扩散引起的衰减,由于：,将W0=10-12 W、I0=10-12 W/m2代入式中便得到：,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：,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：,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：,c.线声源的扩散衰减,r0L/，线声源视为无限长线声源： r0L/，线声源视为点声源。,L,A,r0,d.矩形面声源的扩散衰减,r0a /，声源辐射平面声波，声压不衰减。 a /r0b /，面声源视为点声源。,L,a,b,A

15、,r0,ab,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。,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,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,3.地面吸收的附加衰减,当地面是非

16、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。,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 25/100m dB。 附加衰减量的近似计算公式为：,声波的频率，Hz,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 23 dB100m 地面上稀疏的树干 3 dB100m 各种树林平均的附加衰减大致为：,4.声屏障衰减,当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时 会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。,4.声屏障衰减,声波遇到屏