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1、第三节第三节 声波的传播特性声波的传播特性一个噪声源发出的噪声，一般都包含一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个多个频率频率的声波；的声波；对于某噪声环境，可能同时存在对于某噪声环境，可能同时存在多个噪声多个噪声源源，每个声源都会发出各自的声波。，每个声源都会发出各自的声波。也就是说，我们在研究噪声时就会涉及到也就是说，我们在研究噪声时就会涉及到“声波的叠加声波的叠加”。3.1 3.1 声波的叠加声波的叠加波的最简单的形式就是一个频率的简谐波。波的最简单的形式就是一个频率的简谐波。噪声可以看成许多不同频率、不同强度简谐波的合成。噪声可以看成许多不同频率、不同强度简谐波的合成。pA波长简谐波声压对
2、时间和位移的函数关系是：简谐波声压对时间和位移的函数关系是：声波的叠加原理从前面我们可以知道：从前面我们可以知道：空间中某点实际上空间中某点实际上是多列简谐波共同作用的结果是多列简谐波共同作用的结果。那么，那么，这点的这点的瞬时声压瞬时声压就等于各列波在这就等于各列波在这点的瞬时声压之和点的瞬时声压之和。为了简化问题，首先讨论频率相同的两列简谐波的叠加。设声场中某点P至两声源的距离为x1、x2。则两列波在这点的瞬时声压为：p1、p2第1、2列波在P点的瞬时声压，Pa；pA1、pA2第1、2列波的声压幅值，Pa；1、2第1、2列波的初相位，即1kx1、2=kx2。xxxx如果声场中某点的x1 、
3、 x2为定值，则这两列波具有固定相位差。这种具有相同频率和固定相位差的声波称为相干波相干波，它们的叠加就是相干波叠加相干波叠加。xxxxP1P2两列相干波在空间某些地方振动始终加强，在空间某些地方振动始终减弱，这种现象称为干涉现象。一、相干波叠加一、相干波叠加对某一定点某一定点来说，kx2-kx1是一定值；对空间中不同点空间中不同点而言， kx2-kx1是不同的。在一般的噪声问题中，经常遇到在一般的噪声问题中，经常遇到多个声波，或者多个声波，或者频率不同频率不同，或者，或者相互之间相互之间并不存在固定的相位差并不存在固定的相位差，或者或者两者兼有两者兼有。怎么叠加呢？怎么叠加呢？以两列频率相同
4、频率相同，而不存在固定相位差不存在固定相位差的声波为例。同前面的过程一样：对空间中任意点来说，2- 1随时间无规变化具有具有不同频率不同频率，而有，而有固定的相位差固定的相位差或者具有或者具有不不同频率同频率，且，且并不存在固定的相位差并不存在固定的相位差的两列波，的两列波，运用上述方法，同样可得到：运用上述方法，同样可得到：因此，我们认为这些声波是互不相干不相干的。也就是说：具有相同频率相同频率，而没有固定的相位差没有固定的相位差；具有不同不同频率频率，而有固定的相位差固定的相位差或者具有不同频率不同频率，且并不存在固不存在固定的相位差定的相位差的波为不相干波不相干波。二、不相干波叠加二、不
5、相干波叠加推广到推广到n列不相干波：列不相干波：一般由几个噪声源发出的声波，或同一噪声源一般由几个噪声源发出的声波，或同一噪声源发出的不同频率的波都互不干涉，因此可以按发出的不同频率的波都互不干涉，因此可以按此规则叠加。此规则叠加。噪声的叠加原理噪声的叠加原理噪声的相加实际上是能量的相加三、噪声的叠加三、噪声的叠加写成声压级的形式：一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个频率一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个频率的声波；的声波；对于某噪声环境，可能同时存在多个噪声源，对于某噪声环境，可能同时存在多个噪声源，每个声源都会发出各自的声波。每个声源都会发出各自的声波。四、分贝的运算四、分贝的运算分贝和
6、分贝和分贝减分贝减分贝平均分贝平均1、分贝和例1在某测点处测得一台噪声源的声压级如下表所示，试求测点处总声压级有多少分贝?中心频率631252505001000200040008000声压级8487909596918580（1）公式法L1-L201234567891011L3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.40.3步骤步骤：(1)将求和的声压级从大到小排列将求和的声压级从大到小排列(L1 、L2， Ln ) ； (2)先求先求L1与与L2的差值：的差值：L1-L2； (3)由差值由差值L1-L2从表中查得从表中查得增值增值L (也可查曲线图也可查曲线图) (4)
7、L1+2L1+L， (5)再将再将L1+2与与L3求和，直到最后，求出总合成声压级求和，直到最后，求出总合成声压级（2）图表法例2分别测得两台机器在某测点处的声压级均为87dB，问总声压级是多少dB？计算结果说明了什么？2、分贝减除待测噪声以外，环境中其他声音总称为本底噪本底噪声声，亦称背景噪声背景噪声。在有本底噪声的环境里，被测对象的噪声是无法直接测定的，只能分别测到机器运转时的声压机器运转时的声压级级与机器停止时的本底噪声声压级。如何才能从测量结果中扣去本底噪声从测量结果中扣去本底噪声，从而得到机器真实的声压级，这就涉及到分贝“相减”的运算。设背景噪声为LpB，背景噪声和机器噪声的总声压级
8、为Lpt，机器真实的声压级为Lps。例3在某点测得机器运转时声压级为90dB,当机器停止时声压级为86dB，求机器真实的声压级。3、分贝平均应用情况：有时我们需要在同一测量面上测量好几个同一测量面上测量好几个声压值声压值，计算其平均声压级来表示该测量面上的声压级。对于一点多次测量一点多次测量的结果，也需要计算平均声压级。分贝的平均是以分贝和的公式为基础来进行计算，计算式如下：例4试求下列测量值Lp1100dB、Lp298dB、Lp395dB、Lp497dB的平均值。3.2 3.2 声波的反射、透射和折射声波的反射、透射和折射声波在传播途径中遇到两种媒质界面时，一部分声能量会在界面发生反射反射，
9、一部分声能量则透射透射到第二种媒质中去。我们假定界面离开声源较远，传播到界面的声波可看作平面声波。（实际情况中，声源一般都较远，所以在这里我们仅讨论平面波的反射、透射和折射）一、垂直入射的反射和透射一、垂直入射的反射和透射ptprpix平面声波在界面的反射和透射与媒质的声阻抗有关。1c12c2，声波在界面没有反射，而是全部透射；1c12c2，声波在界面全反射。人在空气中讲话，讲话声不能透过水面在水中传播。二、斜入射的反射和折射二、斜入射的反射和折射根据著名的斯涅耳反射和折射定律。pixprptirt两种媒质声速不同，声波将发生折射；即使是同一种媒质，两种媒质声速不同，声波将发生折射；即使是同一
10、种媒质，因某种原因引起声速分布变化，也会发生折射。因某种原因引起声速分布变化，也会发生折射。声速声速低低的媒质中声线折向法线的媒质中声线折向法线折射引起声音传播方向的改变晴朗的白天晴朗的白天夏天夜晚夏天夜晚顺风顺风逆风逆风晴朗的白天晴朗的白天c声影区声影区大气温度随高度增加而下降夏天夜晚夏天夜晚c大气温度随高度增加而上升顺风、逆风顺风、逆风风向顺风传播c逆风传播c声影区3.3 3.3 声波的绕射声波的绕射声波在传播过程中遇到障碍物（或孔洞），如声波的波长比障碍物（或孔洞）大得多时，声波能够绕过障碍物（或孔洞）的边缘，并引起声波传播方向的改变，称为声波的绕射或衍射。低频声易绕射，屏障对低频声的降
11、噪效果差。3.4 3.4 声波在传播中的衰减声波在传播中的衰减扩散衰减扩散衰减A Ad d空气吸收衰减空气吸收衰减A Aa a地面吸收衰减地面吸收衰减A Ag g屏障引起的衰减屏障引起的衰减A Ab b气象条件引起的衰减气象条件引起的衰减A Am m一、扩散衰减一、扩散衰减A AD D声源在辐射噪声时，声波向四面八方传播，波阵面随距离增加而增大，声能分散，因而声强将随传播距离的增加而衰减。这种由于波阵面扩展，而引起声强减弱的现象称为扩散衰减。1、点声源自由声场、球面波r1、Lp1r2、Lp2S点声源、自由声场、半球面波r1、Lp1r2、Lp2S点声源，距离增加一点声源，距离增加一倍，噪声衰减倍
12、，噪声衰减6dB6dB2、线声源lPr公路络绎不绝行驶汽车的噪声、火车噪声、输送管道的噪声都可看做线声源r1、Lp1r2、Lp2线声源，距离增加一线声源，距离增加一倍，噪声衰减倍，噪声衰减3dB3dBrl无限长线声源lPr3、面声源Prab平面波不随距离衰减，也就是说距离面声源近处，声压级不衰减。二、空气吸收衰减二、空气吸收衰减A AA A声波在空气中传播，由于空气中相邻质点的运动速度不同，而产生粘滞力粘滞力，使声能转变为热能；声波传播时，空气产生压缩和膨胀的变化，相应的出现温度的升高和降低，温度梯度温度梯度的出现，将以热传导方式发生热交换，声能转变为热能；空气中主要成分是双原子分子的氧和氮，
13、一定状态下，分子的平动能、转动能和振动能处于一种平衡状态，当有声扰动时，这三种能量发生变化，打破原来的平衡，建立新的平衡，这需要一定的时间，此种由原来的平衡到建立新平衡的过程，称为热弛豫热弛豫过程，热弛豫过程将使声能耗散。空气衰减与空气的温度、湿度和声波的频率有关。声压衰减常数见表。三、地面吸收衰减三、地面吸收衰减A AG G当声波沿地面长距离传播时，会受到各种复杂的地面条件的影响。开阔的平地、大片的草地、灌木树丛、丘陵、河谷等均会对声波传播产生附加衰减。当地面是非刚性表面时，地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距离(3050m)其衰减可忽略，而在70m以上应于以考虑。四、屏障引起的衰减四、
14、屏障引起的衰减A AB B声波遇到屏障时会产生反射、透射和衍射三种传播现象；屏障的作用就是阻止直达声的传播，隔绝透射声，并使衍射声有足够的衰减。衰减值计算具体见第五章声屏障相关内容五、气象条件引起的衰减五、气象条件引起的衰减A AM M 雨、雪、雾等对声波的散射会引起声能的衰减。但这种因数引起的衰减量很小，大约每1000 m衰减小到0.5dB，因此可以忽略不计。P1点到P2点声压级衰减值为：例空气相对湿度为20、气温20oC。距点声源20m处，测得噪声在500Hz和4000Hz的声压级均为100dB。问距声源120m、800m处，两频率的声压级各为多少?解： 频 率 (Hz)5004000 到
15、声源距离 (m)2012080020120800 Lp1 (dB)100/100/扩散衰减20lg(r2/r1) (dB)/15.5632.04/15.5632.04空气吸收衰减常数 (dB/m)/0.00270.0027/0.0670.067空气吸收衰减(r2-r1) (dB)/0.272.11/6.752.26 Lp2 (dB)/84.1765.49/77.7415.7离声源较近的地方，扩散衰减占主导地位；离声源较远处，空气吸收使高频声衰减很快，低频声衰减不明显。低频噪声能传播到较远的地方，会在很大范围内形成噪声污染，故对低频噪声要给予充分注意。3.5 3.5 声源的指向性声源的指向性当声
16、源尺寸大于或接近声波波长时，声源当声源尺寸大于或接近声波波长时，声源就不是点声源，这样的声源可视为许多点就不是点声源，这样的声源可视为许多点声源叠加组成。声源叠加组成。这种情况下，声源在各方向辐射的声压这种情况下，声源在各方向辐射的声压（或声强）不相同，这种声源为指向性声（或声强）不相同，这种声源为指向性声源。源。声源的指向性声源的指向性声源的指向性与频率有关，频率越高，指声源的指向性与频率有关，频率越高，指向性越强。向性越强。声源的指向性可用声源的指向性可用指向性图指向性图表示，它是通表示，它是通过声源中心的指定平面内，某频率下各方过声源中心的指定平面内，某频率下各方向声压级的向声压级的极坐标极坐标。S声源的指向性声源的指向性指向性因数指向性因数Q：声场中某点的声强，：声场中某点的声强，与与声功率声功率相同的点声源相同的点声源在在相同距离相同距离同同心球辐射面上的声强之比。心球辐射面上的声强之比。已知声场的声已知声场的声源声功率源声功率指某点到声源指某点到声源的距离的距离指向性指数指向性指数DI指向性指数指向性指数DIDI：声场：声场中某点的声压级与声中某点的声压级与声功率相同的点声源在功率相同的点声源在相同距离同心球辐射相同距离同心球辐射面上的声压级之差。面上的声压级之差。
