理学第二次课 物理性污染

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,理学第二次课 物理性污染,第二节 声学根底,声波的形成,一,声波的基本物理量,二,声音的频谱,三,声音的波动方程,四,平面声波,五,球面波,六,声压级计算,七,声波的传播特性,八,声源：,振动而发出声音的物体。,声源可以是固体、液体或气体。,媒质：,传播声音的介质。,介质可以是 空气、水、固体。,声音不能在真空中传播！,声波的形成,一,Sound waves, result from the,vibration of objects,声波：声源振动带动相邻的介质质点，使之交替进展压缩和膨胀运动，由近及远向前推进的介质振动。,声波的形成,一,空气中声波是一种纵波。,纵波：,质点振动方向与声波传播方向平行的波,，,具有交替出现的密部和疏部。,横波：,质点振动方向与声波传播方向相互,垂直的波。,具有交替出现的波峰和,波谷,固体和液体中，既可能是纵波，也可能是横波。,频率,声波的基本物理量,二,波长,声速,频率,频率frequency ：每秒质点振动的次数,Hz；,媒质每秒钟振动的次数越多，其频率就越高。,周期period ：质点振动往复一次所需时间,s。,频率和周期互为倒数，即,(2-1),频率与振动圆频率的关系为,(2-2),描述声音特性的主要物理量！,波长wavelength :是两相邻波对应一样点之间的距离，即振动经过一个周期声波传播的距离，m。,波长,声速,speed of sound,:,声波在媒质中传播的速度，,m/s,。,波长,、,频率,和,声速,之间的关系为,或,(2-3),声速,气体中声速为,(2-4),式中： 媒质处于平衡态时的密度，kgm3；,媒质处于平衡态时的压强，Pa；,比热比(定压比热定容比热)。,空气 ，那么式(2-4)有如下形式,或 (2-5),一般空气中的声速近似取340ms。,声速,声速是,媒质特性,函数,液体和固体中声速表2-1,声速,媒质,声速,/ms,-1,媒质,声速,/ms,-1,媒质,声速,/ms,-1,空气,344,玻璃,3658,钢,5182,水,1372,铁,5182,硬木,4267,混凝土,3048,铅,1219,软木,3353,表,2-1,常用媒质在室温下的声速近似值,声音的频谱,三,一频程及频谱,二频谱分析,频程频带、带宽：将可听声的频率范围 20Hz20kHz按倍数变化，划分为假设干较小的频段，通常称为频程。,在噪声测量中，常用的有倍频程和1/3倍频程。,倍频程和1/3倍频程的中心频率表2-2,一频程及频谱,常用的倍频程的中心频率：,、,63,、,125,、,250,、,500,、,1000,、,2000,、,4000,、,8000,和,16000Hz,1/3,倍频程就是把上述每个频程再一分为三，,其中心频率为：,40,、,50,、,63,、,80,、,100,、,125,、,160,、,200,、,250,、,320,、,400,、,500,、,630,、,800,、,1000,、,1250,、,1600,、,2000,、,2500,、,3200,、,4000,、,5000,、,6300,、,8000,、,10000,、,12500,、,16000,小资料,频谱：组成声音的各种频率的分布图。,频谱分析：研究声音强度(声压级、声强级、,声功率级)随频率分布的规律。,频谱的形状：图2-1,二频谱分析,线状谱,连续谱,复合谱,线状谱,图2-1a,是由一些频率离散的单音形成的谱，在频谱图上是一系列竖直线段。,线状频谱可以确定单个频率处的声压。,一些乐器发出的声音和周期或连续振动的声源产生的声音的频谱是线状谱。,与振动一样的声波频率称为基频,频率等于基频整数倍的称为谐波频率。,连续谱,图2-1b,频率在频谱范围内是连续的。其声能也连续地分布在所有频率范围内，形成一条连续的曲线。,大局部噪声属于连续谱。,复合谱,图2-1c,是连续频率和离散频率组合而成的频谱，有调噪声的频谱为复合谱。,在噪声控制中，频谱图中声压级比较突出的局部及其所对应的频率是重点控制目标。,声音的波动方程,四,声波传递的规律可以用基本物理定,律来描述。,声波传递的基本方程：,（一）运动方程,（二）连续性方程,（三）物态方程,一运动方程,均匀理想流体媒质中，小振幅声波的运动方程,或,(2-13),式中,: ,瞬时声压，,Pa,；,声速，,m,s,；,时间，,s,；,拉普拉斯算符，,在直角坐标系中,式(2-13)说明，声压是空间坐标x、y、z和时间的函数;把声压与质点振动速度联系起来，反映了不同地点和不同,时刻的声压变化规律。,二连续性方程,直角坐标系中声波的连续性方程为,或,(2-14),式中,: ,媒质的静态密度，,kg,m,3,；,时间，,s,；,媒质质点速度沿,x,、,y,、,z,方向,的分量，,m,s,。,式,(2-14),反映了质点振动速度与流体密度间的关系。,（三）状态,方程,根据理想气体绝热状态方程，得声波传播时的物态方程为,或,(2-15),式中,: ,瞬时声压，,Pa,；,声速，,m,s,；,时间，,s.,式,(2-15),描述了声场中瞬时声压随时间的变化与密,度随时间变化的关系。,平面声波,五,（一）声压波动方程,（二）瞬时声压和有效声压,（三）质点振动速度和声阻抗率,（四）声能密度、声强和声功率,（五）声音的声压级、声强级和声功率级,声波在传播过程中，同一时刻相位一样的轨迹称为波阵面。,波阵面与传播方向垂直的波称平面声波。,一声压波动方程,均匀波动的平面声波的声压波动方程为,2-18,式(2-18)的一般解为,2-19,式中，,、,是任意函数,代表声速向,x,正方向传播的波， 代表声速向,x,负方向传播的波。,二瞬时声压和有效声压,声压Sound Pressure :声波引起的大气压强变化，称为声压。,声场:有声波存在的区域称为声场.,瞬时声压Instant sound pressure :声场中某一瞬时的声压值。,假设声源在理想媒质中以单一频率传播，那么可看作是简谐振动，那么媒质中各质点也随着作同一频率的简谐振动。,二瞬时声压和有效声压,瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值为,(2-20),声波沿负方向传播时,2-21,式中， 声场中某位置(m)和某时间(s)时的瞬时声压，Pa；,声压幅值，Pa；,振动圆频率或角频率，rads；,波数， ；,、 相位；,初相位。,当时间一定时，瞬时声压随空间位置的变化如图,2-2(a),；,当空间位置一定时，瞬时声压随时间的变化如图,2-2(b),。,图,2-2,声压随空间位置和时间的变化曲线,二瞬时声压和有效声压,在一定时间间隔内将瞬时声压对时间求均方根值可得到有效声压，即,2-22,式中 t时间(周期的整数倍)，s。,将式2-20代入式2-22，得,2-23,二瞬时声压和有效声压,一般用电子仪器测得的声压即是有效声压。,root mean square,(rms,，均方根,),sound pressure,三质点振动速度和声阻抗率,声波沿 方向质点振动速度为,(2-25),质点振动速度幅值,(2-26),声波沿 负方向质点振动速度为,(2-27),质点振动速度幅值,(2-28),质点振动速度的有效值,(2-29),质点振动速度,u,与声速,c,不同,;,在声场中质点是以速度,u,在振动，这种振动过程中声波,是以速度,c,传播出去。,声阻抗率 或声特性阻抗：在声场中某,位置的声压与该位置质点振动的速率之比， Pasm。,或 (2-30),声阻抗率与声波频率、幅值等无关，仅与媒质密度和声速有关，是媒质固有的一个常数。当声波从一种媒质传播到另一种媒质的有效界面时，两种媒质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度。,三质点振动速度和声阻抗率,四声能密度、声强和声功率,声能密度：,单位体积媒质所含的声波能量。,声场中某点总平均声能密度为,(2-31),由式2-31可以看出，在理想媒质中，平面波的平均声能密度与距离无关，在传播范围内处处相等，这也是理想媒质的特征之一。,声强Sound intensity ：在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的平均声能量，Wm2。,理想媒质中，声强与声压的关系式,2-33,通常影响声强的因素很多。如声源辐射具有一定的指向性，声波在传播过程中会发生反射、折射、扩散衰减和被吸收等现象，这些因素都使声强随距声源距离的增加而降低，说明声强与环境有关。,四声能密度、声强和声功率,声功率W：声源单位时间内辐射的能量，,瓦(W)。,自由声场中均匀辐射声源的声功率与声强关系为,或 2-35,声功率仅是声源总功率中以声波形式辐射出来的一小局部功率。如一辆汽车在行驶中，当其速度为70km/h时，发出的汽车噪声的声功率只有数量级。,四声能密度、声强和声功率,Sound power,五声音的声压级、声强级和声功率级,声压级 ：声音的声压与基准声压之比，取以10为底的对数，再乘以20，分贝dB。表达式为,(2-36),式中， 有效声压，Pa；,基准声压， 210-5Pa。,将 210-5Pa代入上式，,(2-37),为了能够较为明显地区分和反映声压的大小程度，采用声压级来表征声压，用以衡量声音的相对强弱。,Sound Pressure,Level,声强级 ：类比声压级，声强级的定义式为,(2-38),式中， 声强， Wm2 ；,基准声压， 10-12 Pa。 Wm2,将 10-12 Pa代入式(2-38)，得,(2-39),五声音的声压级、声强级和声功率级,Sound Pressure,Level,声功率级 ：同样，声功率级定义式为,(2-40),式中， 声强， W；,基准声压， 10-12 W。,五声音的声压级、声强级和声功率级,Sound Power Level,点声源：声源的几何尺寸比声波波长小很多，或测量点离声源相当远，那么视为点声源。,球面声波：在各向同性均匀媒质中，点声源声波向各方向传播的速度相等，形成以声源为中心的一系列同心球面，这样的波称为球面波。,球面波,六,球面波声压与半径 和时间 的函数关系为,(2-41),球面波,六,式中， ， 为球面波的振幅，与半径 成反,比，即离声源越远，声音越小；,A,称为声源辐射声波能力常数，与声源几何尺寸和振动速度幅值有关，对一定的点声源，其为常数。,球面波质点振动速度,(2-43),式中，媒质质点振动速度幅值为,(2-44),球面波,六,式(2-44)说明，球面波与平面波不一样，振动速度幅值不是一个常数，而与波的传播距离成反比。,声压级计算,七,声能量可以代数相加,假设干声源在某点的总声功率为,假设干声源在某点的总声强,声压不能直接相加,几个噪声源同时存在时，通常要计算声场中某点,的总声压级，有时还需要计算一个噪声源发出各种,频率声波的总声压级。下面讨论声压级的计算。,声压级计算,七,一声压级相加,二声压级相减,三声压级平均,总声压级,(2-51),假设 ,那么,(2-52),式中， 总声压级，dB；,在某点各声源产生的声压级或一个声级,某频率下的声压级，dB；,声压级的总个数。,一声压级相加,令 、 、 为总声压和各声源声压，那么,(2-49),根据声压级的定义有 代入上式，得,(2-50),等式两边取对数，并经整理得总声压级,(2-51),一声压级相加：式2-51,一声压级相加,【,例,2-1,】,有,7,台机器工作时，每台在某测点,处的声压级都是,92dB,，求该点的总声压级。,解：根据式,(2-52),(dB),【,例,2-2,】,在某测点处测得一台噪声源的声,压级如下表所示，试求测点处的总声压级。,解：根据式,(2-51),(dB),中心频率,/Hz,63,125,250,500,1000,2000,4000,8000,声压级,/dB,84,87,90,95,96,91,85,80,设两声压级 和 ，且 ，,- ，那么 = ,代入式 (2-51)，那么有,设，,那么，总声压级即可按下式计算,(2-53),由一系列的 ，可得一系列对应的 ，其值见表2-3和图2-4。,【,图、表法,】,计算总声压级的,【,图、表法,】,若声源太多,式,(2-51),计算总声压级较麻烦，通,过式,(2-51),得到相关图（图,2-4,）和表（表,2-3,）可简便计算。,表,2-3,分贝和的附加值,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,、,12,13,、,14,15,以上,3,2.5,2.1,1.8,1.5,1.2,1.0,0.8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,图,2-4,分贝相加曲线,(1)把要相加的分贝值从大到小排列，按由大到小的顺序进展计算；,(2)用第1个分贝值减第2个分贝值得 ；,(3)由 查图2-4或表2-3得 ，然后按,计算出第1、2个分贝值之和；,(4)用第1、2个分贝和之值再与第3个分贝值相加，依次加下去，直到两分贝之差大于10分贝，可停顿相加，此时得到的分贝和即为所求。,【,图、表法,】,计算总声压级的步骤,很多情况下，由于存在背景噪声，被测,对象的噪声级无法直接测定，只能测到,它们合成的噪声级。此时，要确定被测,对象的声压级，可从测得的总声级中减,去背景噪声级后得出。,二声压级相减,假设设背景噪声为 、背景噪声和被测对象的总声压级为 、被测对象真实的声压级为 ，那么,2-55,二声压级相减,【例2-3】两台机器工作时，在某点测得声压级为,80dB，其中一台停顿工作后，在该点测得的声压级,为76dB，求停顿工作的机器单独工作时在该点的声,压级。,解： =80, =76,由式(2-55)得,(dB),【,图、表法,】,声压级相减简便计算。,表 2-4 分贝“相减的修正值,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,6.9,4.4,3,2.3,1.7,1.3,1,0.8,0.6,0.45,0.34,图,2-5,分贝相减计算图,【,图、表法,】,声压级相减简便计算的,假设设修正值 ,将式2-53、式2-54代入并整理，得,(2-56),由上式可以看出， 由可测量的 和LpB 的差值计算得到，这时 按式 即可求出。图2-4和表2-5表示出 与 LpB 各差值所对应的修正值 。,【例2-5】在某点测得机器运转时声压级为90dB，,当机器停顿时声压级为86dB，求机器真实的声压级。,解：，背景噪声为86dB，机器和背景噪声叠加的声压级为90dB。用图2-5或表2-6计算，那么, 90 864 (dB),查图2-4或表2-5，得 =2.3，那么机器真实的声压级为,=90 2.387.7 (dB),三声压级平均,计算平均声压级的目的,计算指向性指数,一点屡次测量的结果,计算公式,或 (2-57),谢谢大家！,