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1、环境噪声控制工程高永华高永华Chapter 2 声学根底知识声学根底知识 o2.1 声音的产生和传播声音的产生和传播o2.2 声波的描画声波的描画o2.3 声波的传播特性声波的传播特性o2.4 声源的辐射特性声源的辐射特性2.1声音的产生和传播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。声音传播的本质：声音传播是指物体振动方式的传播。2.2 声波的描画声波的描画 o2.2.1 描画声波的根本物理量描画声波的根本物理量o2.2.2 声音的物
2、理量度声音的物理量度o2.2.3 声波的类型声波的类型2.2.1 描画声波的根本物理量2.2.1 描画声波的根本物理量振幅位移位移：物体分开静止位置的间隔称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决议了声音的大小。周相2.2.1 描画声波的根本物理量振幅位移位移：物体分开静止位置的间隔称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决议了声音的大小。周相2.2.1 描画声波的根本物理量1.1.周期：周期：质点振动每往复一次所需求的时间，单位为秒质点振动每往复一次所需求的时间，单位为秒s s。2.2.声波频率：声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)(Hz
3、)。频率范围(Hz)20000声音次2000超低频声 中频声 高频定义声音频声声2.2.1 描画声波的根本物理量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，声波的传播间隔。2.2.1 描画声波的根本物理量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。媒质称号空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3442304836535182121933534267表 21.1 时声速近似值m/so1. 声压与声压级o2. 声强与声强级o3. 声功率与声功率级o4. 声能密度o5. 频谱和频程2.2.2 声波的物理量度
4、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：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)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:在声传播方向上单位时间内垂直经过单位面积的声能量，称为声音的强度，简称为声强
5、，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根本物理量；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。 对于在自在空间内传播的平面声波而言： 5.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。常见噪声的频谱图5.频程和频谱：b. 频程：为方便起
6、见，通常将广大的音频变化范围划分为假设干个较小的频段，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：那么：代入下式中：可得：a.级的叠加查表、图法： 令：a.级的叠加：LpLpa.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：级的相减： 2.2.3 声波的类型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o波阵面:是指空
7、间同一时辰相位一样的各点的轨迹曲线。o 根据波振面的外形可将声波分为不同的类型。o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：声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。1.1.平面声波：平面声波：1.1.平面声波：平面声波：a.动摇方程：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/m1.平面声波：d
8、.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.动摇方程：对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：特点：振幅随传播间隔的添加而减少，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。3.柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.动摇方程：对于远场简谐柱面声波而言：特点：振幅随径向间隔的添加而减少，与间隔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
9、同轴圆柱面线声源发出的半径线 线声源Chapter 2 声学根底知识声学根底知识 o2.1 声音的产生和传播声音的产生和传播o2.2 声波的描画声波的描画o2.3 声波的传播特性声波的传播特性o2.4 声源的辐射特性声源的辐射特性2.3 声波的传播特性声波的传播特性o2.3.1 声场声场o2.3.2 声波的反射、透射、折射声波的反射、透射、折射 o2.3.3 声波的散射与衍射声波的散射与衍射 o2.3.4 声波的叠加声波的叠加o2.3.5 声波在传播中的衰减声波在传播中的衰减2.3.1 2.3.1 声场声场Sound FieldSound Field1.声场的概念：声场是指传播声波的空间。按声
10、场的性质可以将声场分为：自在声场；分散声场；半自在声场 2. 声场的分类自在声场自在声场: :我们把可以忽略边境影响，由各向同性的均匀我们把可以忽略边境影响，由各向同性的均匀介质构成的声场称为自在声场。介质构成的声场称为自在声场。自在声场Free Sound Field消声室自在声场Free Sound Field消声室2. 声场的分类分散声场混响声场 :假设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分散声场混响声场。半自在声场(半分散声场):2. 声场的分类半自在声场(半分散声场):2.3.2声波的反射、透射、折射apiptpr1.声波的反射定律与折射定律a入射声波、
11、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：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议的。思索题：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？思索题1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？思索题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o在边境上，两面的声压与法向的质点速度应该延续，即：可以导出：b.声强的反射系数和透射系数：3. 吸声
12、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 2.3.3 声波的散射与衍射声波的散射与衍射o1.声波的散射o在声波传播过程中，遇到的妨碍物外表较粗糙或者妨碍物的大小与波长差不多，那么当声波入射时，就产生各个方向的反射，这种景象称为散射。o声波的散射既与妨碍物的外形有关，又与入射声波的频率有关。 2.3.3 声波的散射与衍射o2.声波的衍射：o 在声波
13、传播过程中，遇到的妨碍物或孔洞时，假设声波的波长比妨碍物尺寸大得多，声波会绕过妨碍物而使传播方向改动，这种景象称为声波的衍射。2.声波的衍射2.3.4 声波的叠加 o1.声压的叠加o2.能量的叠加2.3.4声波的叠加 3.声波的干涉景象:两列波的频率一样，振动方向一样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一直加强，在另一些位置的振动一直减弱，这种景象称为声波的干涉景象。能产生干涉景象的声波称为相关波，产生干涉景象的声源称为相关声源。 声波的干涉景象声波的干涉景象2.3.5 声波在传播中的衰减声波在传播中的衰减o1.分散引起的衰减Ado2.空气吸收引起的附加衰减
14、 Aao3.地面吸收的附加衰减Ago4.声屏障衰减Abo5.气候条件的影响Am 1.分散引起的衰减分散衰减的定义：分散衰减的定义：由于波阵面的扩展而引起的声强随间隔而减由于波阵面的扩展而引起的声强随间隔而减弱的景象称为分散衰减。弱的景象称为分散衰减。1.分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： 1.分散引起的衰减由于： 将W0=10-12 W、I0=10-12 W代入式中便得到： 1.分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.平面声源的分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.点声源的分散衰减点声源辐射的普通为球面
15、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.线声源的分散衰减or0L/，线声源视为无限长线声源：or0L/，线声源视为点声源。LAr0d.矩形面声源的分散衰减r0a /，声源辐射平面声波，声压不衰减。a /r0b /，面声源视为点声源。LabAr0ab2.空气吸收引起的附加衰减o空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在紧缩和膨胀过程中，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。o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景象，这种景象称为弛豫吸收。2
16、.空气吸收引起的附加衰减o对于噪声控制工程，可以采用下面的半阅历公式来估算空气吸收衰减。在20时：o 声波的频率，Hz相对湿度传播间隔，m2.空气吸收引起的附加衰减o对于不同温度，可采用下式来估算： 与20相差的摄氏温度=410-63.地面吸收的附加衰减当地面是非刚性外表时：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以上应予以思索。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传播间隔，m3.地面吸收的附加衰减声波穿过树木或者森林时
17、，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纳点之间存在密实资料构成的妨碍物时会产生显著的附加衰减，这样的妨碍物称为声屏障。4.声屏障衰减声波遇到屏障时会产生反射、透射和衍射三种传播景象。屏障的作用：阻挠直达声的传播，隔绝透射声，并使衍射声有足够的衰减。声屏障的附加衰减与声源及接纳点相对屏障的位置、声屏障的高度及构造以及声波的频率亲密相关。4.声屏障衰减声屏障的附加衰减与声源及接纳点相对屏障的位置、声屏障的高度及构造以及声波的频率亲密相关。5.气候条件的影响o雨、雪、露等
18、对声波的散射会引起声能的衰减。但这种要素引起的衰减量很小，大约每1000m衰减不到0.5dB，因此可以忽略不计。o风和温度梯度对声波传播的影响很大。为什么逆风传播的声音难以听清？为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？2.4声源的辐射特性o声源的指向性：声源发出的声波，在各个方向上的声压分布并不一定一样，这种随方向分布的不均匀性，称为声源的指向性。o指向性因数：在离声源中心不同间隔处，丈量球面上各点的声强，求得一切方向上的平均声强，将某一方向上得声强与其相比就是该方向的指向性因数：2.4声源的辐射特性o思索到声源的指向性，需求对声压级的计算公式进展修正，自在声场中在某一方向上的声压级公式可表示为：DI是指指向性因数，2.4 声源的辐射特性o声源的指向性与声源的尺寸有关。o声源的指向性与频率相关。几种典型声源的辐射特性声源类型 辐射特性声压空间分布辐射效率点声源无指向性均匀高 线声源有一定的指向性声偶极子有很强的方向性不均匀低平面声源复杂的指向性分布
