声学基本概念课件

2 声学基本概念l声压l声波动方程 l声阻抗l声强 声功率 l声级 分贝l响度 响度级2 声学基本概念声压12.1 声压2.1.1 声与声波声与声波l 声波是弹性介质中变化的压力、应力或质点运动等的传播，是物质波。真空中没有声波。l 在气体、液体中的声波为纵波。在固体中除了有纵波外（P波），还有横波（S波），在固体表面上还有表面波（瑞利波）。【本课主要涉及空气中的声波】l连续介质模型：把流体看作是由大量连续质点组成的物体，质点间没有间隙。质点在受力时可以移动，质点运动服从物质守恒定律和牛顿运动定律。声波就是质点运动的传播。l质点包含大量分子，在尺度上比分子大得多，但比宏观物体小得多。【这里的质点是有尺度的，不同于数学上的点（尺度为零）】。2.1 声压2.1.1 声与声波 声波是弹性介质中变化的压力22.1.2 声压声压l瞬时声压定义：无声扰动时的静止大气压力有声扰动时的大气压力l 由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量可以间接求得质点速度等其他物理量，所以声压已成为目前人们最为普遍采用的描述声波性质的物理量。l有效声压定义：2.1.2 声压瞬时声压定义：无声扰动时的静止大气压力有声3l 如果 ，则 l 声压为标量，声压的大小反映了声波的强弱。l 声压的单位为Pa(帕)，有时也用bar(巴)作单位，1 bar=100kPa1标准大气压：1.01325105Pa 人耳可听阈(1kHz)：210-5Pa 正常话音：0.05-0.1Pa 飞机发动机(5m)：200Pa 如果 42.2 声波动方程2.2.1 一维声波的波动方程一维声波的波动方程l设质点振动与声波传播在x方向，在与其垂直的y、z方向，质点运动相同。l基本假设：媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性。媒质在宏观上是静止的，没有声扰动时，即初速度为零。声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的。媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量。l波动方程依赖的三个基础物理定律：牛顿第二定律质量守恒定律描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。2.2 声波动方程2.2.1 一维声波的波动方程设质点振动与52.2.1 一维声波的波动方程（续）一维声波的波动方程（续）l波动方程：为小信号下的声速 空气中声速：331m/S(0C)，声速随温度的变化 331.6+0.6tC；水中声速：1480m/S(20C)2.2.1 一维声波的波动方程（续）波动方程：为小信号下的声62.2.2 三三维声波的波动方程维声波的波动方程或 其中2.2.2 三维声波的波动方程或 其中72.2.3 波动方程的解波动方程的解 可以证明：一维波动方程的解是：其中，“+”号代表沿-x方向传播的平面波，“-”号代表沿x方向传播的平面波。沿x方向传播的正弦波可写作：其中 称为波数 或 2.2.3 波动方程的解 可以证明：一维波动方程的解是：其中82.3 声阻抗率 声阻抗 特性阻抗2.3.1 声阻抗率声阻抗率把声压、振速用复数表示为定义声阻抗率为声阻率声抗率2.3 声阻抗率 声阻抗 特性阻抗2.3.1 声阻抗率把声压92.3.2 声阻抗声阻抗在一个通过声波的面积S上，可定义其声阻抗为 声阻声抗2.3.3 特性阻抗特性阻抗可以证明：在自由行波的情况下，为振速）同相，即 为介质的特性阻抗为静态空气的密度。定义 其中2.3.2 声阻抗在一个通过声波的面积S上，可定义其声阻抗为102.4 声强 声功率 2.4.1 声能量密度声能量密度 声能量密度：单位体积里的声能量。平均声能量密度：2.4 声强 声功率 2.4.1 声能量密度 声能量密度：单112.4.2 声功率声功率 单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S的平均声能量，单位为：W。2.4.3 声强声强 通过垂直于声传播方向的单位面积上的声能量，单位为W/m2 2.4.2 声功率 单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S122.5 声级 分贝2.5.1 背景背景 l 声振动的能量范围极其广阔。人们通常讲话的声功率约只有10-5W，强力火箭的噪声声功率可高达109W，两者相差十几个数量级。l 人耳对声音主观上产生的“响度感觉”并不是正比于强度的绝对值，而是更近于与强度的对数成正比。基于这两方面的原因，在声学中普遍使用对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声强级。其单位常用dB(分贝)表示。2.5 声级 分贝2.5.1 背景 声振动的能量范围极其广132.5.2 声压级声压级 声压级定义：2.5.3 声强级声强级 声强级定义:待测声压的有效值参考声压，一般取为210-5Pa待测声强的有效值参考声强，一般取为10-12Pa/m2声强级与声压级的关系:2.5.2 声压级 声压级定义：2.5.3 声强级 声强级14声压级举例声压级（dB）举例140喷气发动机（25m外）120痛阀，喷气飞机起飞（100m外）120摇摆音乐110摩托车加速（5m外）100风铲（2m外）90载重汽车旁，吵闹工厂80吵闹街道交通70商业办公室60谈话50安静的饭馆40图书馆、客厅30卧室20风吹树叶10人的呼吸声（3m外）0最好的听阀声压级举例声压级（dB）举例140喷气发动机（25m外）1152.6 响度 响度级 人耳对声音强度的感受不但与声波强度的对数近于成正比，而且与声波的频率也有关。实用上为了定量地确定某一声音的“响”的程度，把它和另一个标准的声音(通常为1KHz纯音)相比较，调节1KHz纯音的声压级，使它和所研究的声音听起来同样“响”，这时1KHz纯音的声压级就被定义为该声音的响度响度级。响度级的单位为方。例如，当1KHz纯音的声压级为80 dB时与某一扬声器发出的声音听起来同样地响，那么不管扬声器声音的声压级为多少，它的响度级被认为是80方。按照以上规定，显然对1KHz的纯音，其以分贝计的声强级与以方计的响度级数值上是相等的。2.6 响度 响度级 人耳对声音强度的感受不但与声16等响曲线等响曲线 等响曲线 17思考题与习题思考题与习题 2-1 在20的空气里，有一平面声波，已知其声压级为74dB，试求其有效声压、平均声能量密度与声强。2-2 欲在声级为120 dB的噪声环境中通电话，假设耳机在加一定电功率时在耳腔中能产生110 dB的声压，如果在耳机外加上的耳罩能隔掉20 dB噪声。此时在耳腔中通话信号声压比噪声大多少倍?2-3 已知两声压幅度之比为2，5，10，100，求它们声压级之差。2-4 已知两声压级之差为1dB，3dB，6dB，10 dB，求声压幅值之比。2-5 某测试环境本底噪声声压级40dB，若被测声源在某位置上产生声压级70 dB，试问旦于该位置上的传声器接收到的总声压级为多少?如本底噪声也为70dB，总声压级又为多少?思考题与习题 2-1 在20的空气里，有一平面声波，已18思考题与习题（续）思考题与习题（续）2-6 房间内有n个人各自无关地朗读，假如每个人单独朗时在某位置均产生人L1(dB)的声音，那么n个人同时朗读时在该位置上总声压级应为多少？2-7 在一信号与噪声共存的声场中，已知信号加噪声的总声压级为L，假设还已知本底噪声声压级L2，它们的声压级差为此：L2L-L2，证明这时信号声压级比总声压级L低：思考题与习题（续）2-6 房间内有n个人各自无关地朗读19