聲學(xué)基本知識(shí)

1、環(huán)境噪聲控制工程,,Chapter 2 聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),2.1 聲音的產(chǎn)生和傳播2.2 聲波的描述2.3 聲波的傳播特性2.4 聲源的輻射特性,2.1聲音的產(chǎn)生和傳播,物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。 聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱作聲源。,2.1.2 聲音的產(chǎn)生和傳播,聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波。聲場(chǎng)：有聲波傳播的空間叫聲場(chǎng)。聲音傳播的實(shí)質(zhì)：聲音傳播是指物體振動(dòng)形式的傳播。,2.2 聲波的描述,2.2.1

2、描述聲波的基本物理量2.2.2 聲音的物理量度2.2.3 聲波的類(lèi)型,2.2.1 描述聲波的基本物理量,振幅,位移,,,位移：物體離開(kāi)靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。,,,周相,2.2.1 描述聲波的基本物理量,振幅,位移,,,位移：物體離開(kāi)靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。,,,周相,2.2.1 描述聲波的基本物理量,1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)每往復(fù)一次所需要的時(shí)

3、間，單位為秒（s）。2.聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。,,,2.2.1 描述聲波的基本物理量,3.波長(zhǎng)：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長(zhǎng)，或者說(shuō)聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。,,,,2.2.1 描述聲波的基本物理量,4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會(huì)隨環(huán)境的溫度有一些變化。,,,表 21.1℃ 時(shí)聲速近似值（m/s）,1. 聲壓

4、與聲壓級(jí)2. 聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)3. 聲功率與聲功率級(jí)4. 聲能密度5. 頻譜和頻程,2.2.2 聲波的物理量度,2.2.2 聲波的物理量度,1.聲壓和聲壓級(jí)：,,靜態(tài)壓強(qiáng),,1.聲壓和聲壓級(jí),a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求方均根值即得有效聲壓。,1.聲壓和聲壓級(jí)：,日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa),c. 聲壓級(jí):該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘2

5、0，即：,1.聲壓和聲壓級(jí)：,聲壓級(jí)單位：分貝。,2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：,a.聲強(qiáng):在聲傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的聲能量，稱為聲音的強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米 。,,,b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：,,,2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：,聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。,,,,聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：,,,3.聲功率和聲功率級(jí),a.聲功率:聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，單位是瓦。意義：聲功率

6、是衡量聲源聲能量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。,,,b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系,,,球面輻射時(shí)：,,,波陣面面積,c.聲功率級(jí),,,聲功率級(jí)單位：分貝。,4.聲能密度,定義：聲場(chǎng)中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。 對(duì)于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言：,,,5.頻程和頻譜：,a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。,,,5.頻程和頻譜：,b. 頻程：為方便起見(jiàn)，通常將寬廣的音頻變化范

7、圍劃分為若干個(gè)較小的頻段，稱為頻段或頻程。,,,**級(jí)的運(yùn)算,a.級(jí)的疊加（公式法） 當(dāng)n個(gè)聲源互不干涉時(shí)：,,當(dāng)n=2時(shí)，,,a.級(jí)的疊加（公式法）,由于：,,,,代入上式：,a.級(jí)的疊加：,,當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，,表示為聲壓級(jí)：,a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：,,,令：,則：,,代入下式中：,可得：,a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：,,,令：,,a.級(jí)的疊加：,△Lp,a.級(jí)的疊加,如果Lp1比Lp2高出10dB以上，總聲壓近似等于Lp1。

8、,a.級(jí)的疊加：,,,求出總聲壓的有效值,當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：先求出瞬時(shí)聲壓,,,求出總聲壓級(jí),b.級(jí)的相減,,儀器測(cè)的噪聲,聲源真實(shí)噪聲,背景噪聲,,b.級(jí)的相減,,,b.級(jí)的相減：,,,,C.聲壓級(jí)的平均,計(jì)算公式如下：,,2.2.3 聲波的類(lèi)型,在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：,,,或,,2.2.2 聲波的類(lèi)型,波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。 根據(jù)波振面的形狀可將聲波分為不同的類(lèi)型。

9、聲線：常稱為聲射線，就是子聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。,,,2.2.2 聲波的類(lèi)型,1.平面聲波：聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱其為平面聲波。波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面稱為波前。,,,,1.平面聲波：,1.平面聲波：,a.波動(dòng)方程：,對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：,,1.平面聲波：,b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振

10、幅,,1.平面聲波：,c.聲阻抗率：,對(duì)于平面聲波而言：,媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pa·s/m）,,1.平面聲波：,d.聲線： 相互平行的一系列直線。,2.球面聲波：,波陣面是以任何值為半徑的球面。 a.波動(dòng)方程：,對(duì)于從球心向外傳播的簡(jiǎn)諧球面聲波而言：,特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。,2.球面聲波：,b.聲線： 是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。,2.球面聲波：,c.瞬時(shí)聲壓：p(r,t)=P0/r×co

11、s(ωt－kχ),P0/r為聲壓振幅,隨傳播距離r的增加而減少，二者成反比關(guān)系。d.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：u=U0cos(ωt－kχ)，式中U0＝P0/ρ0cr為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅。e.聲阻抗率：Zs=p/u＝ρ0c，與平面聲波的相同。,3.柱面聲波：,波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。a.波動(dòng)方程：,對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)諧柱面聲波而言：,特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。,3.柱面聲波：,b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑

12、向線。,2.2.2聲波的類(lèi)型,聲波的類(lèi)型,Chapter 2 聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),2.1 聲音的產(chǎn)生和傳播2.2 聲波的描述2.3 聲波的傳播特性2.4 聲源的輻射特性,2.3 聲波的傳播特性,2.3.1 聲場(chǎng)2.3.2 聲波的反射、透射、折射 2.3.3 聲波的散射與衍射 2.3.4 聲波的疊加2.3.5 聲波在傳播中的衰減,2.3.1 聲場(chǎng)（Sound Field）,1.聲場(chǎng)的概念：聲場(chǎng)是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ目臻g。按聲場(chǎng)的性質(zhì)

13、可以將聲場(chǎng)分為：自由聲場(chǎng)；擴(kuò)散聲場(chǎng)；半自由聲場(chǎng),2. 聲場(chǎng)的分類(lèi),自由聲場(chǎng):我們把可以忽略邊界影響，由各向同性的均勻介質(zhì)形成的聲場(chǎng)稱為自由聲場(chǎng)。 理想的自由聲場(chǎng)是不存在的，因?yàn)槿藗兩畹目臻g總存在邊界，當(dāng)邊界的影響小到可以忽略不計(jì)時(shí)，可以近似認(rèn)為，如在聲學(xué)研究中人工建立的全消聲室。,自由聲場(chǎng)（Free Sound Field）,消聲室,2. 聲場(chǎng)的分類(lèi),擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)） :如果室內(nèi)各處的聲壓級(jí)幾乎相等，聲能密度也

14、處處相等，那么這樣的聲場(chǎng)就叫做擴(kuò)散聲場(chǎng)。 聲波在室內(nèi)等封閉空間內(nèi)傳播時(shí)，存在許多反射面，聲波經(jīng)過(guò)壁面和室內(nèi)物體多次反射，不斷改變傳播方向，使室內(nèi)聲的傳播完全處于無(wú)規(guī)狀態(tài)。如果在室內(nèi)任何一點(diǎn)，各個(gè)方向傳來(lái)的聲波幾率相等，聲音的相位無(wú)規(guī)，,2. 聲場(chǎng)的分類(lèi),半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)): 如果存在一個(gè)全反射面，反射面上方不存在邊界的影響，則稱為半自由聲場(chǎng)。,2.3.2聲波的反射、透射、折射,aθ,,,pi,pt,pr,1.聲波的反

15、射定律與折射定律,aθ,,,入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿足Snell定律：,a.反射定律：,b.折射定律：,c.與折射定律有關(guān)的討論,由折射定律可知：聲波的折射是由聲速?zèng)Q定的。,2.反射系數(shù)和透射系數(shù),a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。聲壓的透射系數(shù)為透射聲壓與入射聲壓的比值。,,,a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù),在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：,,,,

16、,,,可以導(dǎo)出：,b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：,,,3. 吸聲系數(shù),定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱為吸聲系數(shù)。,,rp 的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入射的方向有關(guān)。,4.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù),當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：,,,,,,聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：,2.3.3 聲波的散射與衍射,1.聲波的散射在聲波傳播過(guò)程中

17、，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長(zhǎng)差不多，則當(dāng)聲波入射時(shí)，就產(chǎn)生各個(gè)方向的反射，這種現(xiàn)象稱為散射。聲波的散射既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)。,2.3.3 聲波的散射與衍射,2.聲波的衍射： 在聲波傳播過(guò)程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長(zhǎng)比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過(guò)障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。,2.聲波的衍射,2.3.4 聲波的疊加,1.聲壓的疊加2.能量的疊加,

18、,,,,,2.3.4聲波的疊加,3.聲波的干涉現(xiàn)象:兩列波的頻率相同，振動(dòng)方向相同和具有恒定相位差的聲波，合成聲仍是同一頻率的振動(dòng)，在空間某一些位置的振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置的振動(dòng)始終減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源。,,,,,聲波的干涉現(xiàn)象,2.3.5 聲波在傳播中的衰減,1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa）3.地面吸收的附

19、加衰減（Ag）4.聲屏障衰減（Ab）5.氣象條件的影響（Am ）,1.擴(kuò)散引起的衰減,擴(kuò)散衰減的定義：由于波陣面的擴(kuò)展而引起的聲強(qiáng)隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。,,1.擴(kuò)散引起的衰減,根據(jù)聲強(qiáng)的定義：,,波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)可表示為：,1.擴(kuò)散引起的衰減,,,,由于：,將W0=10-12 W、I0=10-12 W/m2代入式中便得到：,1.擴(kuò)散引起的衰減,,,,因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可表示為：,a.平面聲源

20、的擴(kuò)散衰減,當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)：,,,,因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減：,b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減,點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為：,,,,因此從r1處傳播到r2處時(shí)的發(fā)散衰減：,c.線聲源的擴(kuò)散衰減,r0≤L/π，線聲源視為無(wú)限長(zhǎng)線聲源：r0>L/π，線聲源視為點(diǎn)聲源。,,,,,L,,,A,r0,d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減,r0≤a /π，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a /π≤r0b /π，面聲

21、源視為點(diǎn)聲源。,,,L,,,a,,,,b,,A,r0,a<b,2.空氣吸收引起的附加衰減,空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過(guò)程中，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，稱為空氣吸收。這種吸收稱為經(jīng)典吸收。弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)時(shí)存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時(shí)要發(fā)生能量交換。能量交換的過(guò)程都有滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為弛豫吸收。,,2.空氣吸收引起的附加衰減,對(duì)于噪聲控制工程，

22、可以采用下面的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算空氣吸收衰減。在20℃時(shí)：,,,聲波的頻率，Hz,相對(duì)濕度,傳播距離，m,2.空氣吸收引起的附加衰減,對(duì)于不同溫度，可采用下式來(lái)估算：,,,與20℃相差的攝氏溫度,3.地面吸收的附加衰減,當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r(shí)：地面吸收將會(huì)對(duì)聲傳播產(chǎn)生附加衰減，但短距離（30-50m）其衰減可以忽略，而在70m以上應(yīng)予以考慮。,,3.地面吸收的附加衰減,聲波在厚的草地上面或穿過(guò)灌木叢傳播時(shí)，在頻率為1000Hz時(shí)的附

23、加衰減較大，可高達(dá) 25/100m dB。附加衰減量的近似計(jì)算公式為：,,聲波的頻率，Hz,3.地面吸收的附加衰減,聲波穿過(guò)樹(shù)木或者森林時(shí)，不同樹(shù)林的衰減相差很大，在1000赫茲時(shí)：濃密的常綠樹(shù)樹(shù)冠 23 dB／100m地面上稀疏的樹(shù)干 3 dB／100m各種樹(shù)林平均的附加衰減大致為：,,4.聲屏障衰減,當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在密實(shí)材料形成的障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的附加衰減，這樣的障礙物稱為

24、聲屏障。,4.聲屏障衰減,聲波遇到屏障時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、透射和衍射三種傳播現(xiàn)象。屏障的作用：阻擋直達(dá)聲的傳播，隔絕透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減。,4.聲屏障衰減,聲屏障的附加衰減與聲源及接收點(diǎn)相對(duì)屏障的位置、聲屏障的高度及結(jié)構(gòu)以及聲波的頻率密切相關(guān)。,5.氣象條件的影響,雨、雪、露等對(duì)聲波的散射會(huì)引起聲能的衰減。但這種因素引起的衰減量很小，大約每1000m衰減不到0.5dB，因此可以忽略不計(jì)。風(fēng)和溫度梯度對(duì)聲波傳播的影響

25、很大。,為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽(tīng)清？,為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？,當(dāng)大氣在垂直方向存在溫度梯度時(shí)，會(huì)引起聲波的折射。夜晚許多地方都存在逆溫，這時(shí)大氣溫度隨高度增高而增高，由知，聲速隨之增大，折射角也在增大，即聲波傳。播方向向地面彎曲；而在晴朗的白天，氣溫通常隨高度增高而降低，聲速隨之減小，折射角也在減小，聲波傳播方向向上彎曲，地面上形成一定的聲影區(qū)，如圖說(shuō)明。風(fēng)也會(huì)引起聲波的折射，當(dāng)有風(fēng)時(shí)，實(shí)際聲速c應(yīng)是無(wú)風(fēng)時(shí)的聲

26、速與風(fēng)速的矢量和，即，而風(fēng)速一般隨高度的增加而增大，所以，順風(fēng)時(shí)實(shí)際聲速隨高度增加而增大，即聲線向地面彎曲；逆風(fēng)時(shí)實(shí)際聲速隨高度增加而減小，即聲線向上彎曲，地面上形成一定的聲影區(qū)。,,解釋,2.4聲源的輻射特性,聲源的指向性：聲源發(fā)出的聲波，在各個(gè)方向上的聲壓分布并不一定相同，這種隨方向分布的不均勻性，稱為聲源的指向性。指向性因數(shù)：在離聲源中心不同距離處，測(cè)量球面上各點(diǎn)的聲強(qiáng)，求得所有方向上的平均聲強(qiáng)，將某一方向上得聲強(qiáng)與其相比就是該