声波的基础知识(3学时).ppt

第二节声波的基础知识,2.1声波的产生,当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质空气分子振动，这些振动的分子又使周围的空气分子产生振动，这样声源产生的振动就以声波的形式向外传播。,以鼓面振动为例,声源弹性媒质,声波形成的必要条件,纵波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致。空气中的声波即为纵波，又称疏密波。横波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向垂直。固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。,波动,声波在空气中传播时，空气质点本身并不随声波一起传播出去，空气质点只是在它的平衡位置附近前后做纵向振动。也就是说：声音的传播实质是物体振动的传播，即传播出去的是物质运动的能量，而不是物质本身。,波动,声音是物质的一种运动形式，这种运动形式叫波动。,声波的类型,波阵面：空间中同一时刻波到达的各点可以连接成一个面，称为波阵面。,声波的类型：平面声波,当声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，就称其为平面声波。,面声源,声波的类型：球面声波,点声源,声波的类型：柱面声波,线声源,平面声波、球面声波、柱面声波都是理想的传播类型。在具体应用时可根据实际条件进行合理近似。,2.2声波的描述,波长周期频率声速,波长,相邻相位相同的质点之间的距离。,质点往复振动一次所需要的时间，称为周期。单位为秒（s）。也就是波走过一个波长所需的时间。,周期T,频率f,单位时间（1s）媒质质点振动的次数，单位为赫兹（Hz）。f=1/T每秒钟声源振动的次数越多，说明频率越高，人耳主观感觉到的音调就越高，反之越低。,可听声频率范围：2020000Hz超声次声,声速c,单位时间内波走过的路程。(m/s),C=f=/T,声速是媒质特性的函数，在不同的媒质中，声速是不相同的。,21.1时声速近似值,空气中的声速,C=331.45+0.61t（t为温度，）一般计算时，空气中的声速可取340m/s（15值）,2.3频程和频谱,噪声是复音，一个声源发出的声音往往是由很多不同频率、不同强度的成分合成的。那么，如果我们要描述一个声音，就必须把它的这些频率组份及其对应强度全部表示出来。可听声频率范围：2020000Hz实测发现：两个不同频率的声音做相对比较时，有决定意义的是它们频率的比值。,1.频程,为了研究和实用上的需要，在声学学科中，把宽广的可听声频率范围划分成若干小区间，称其为频程、频段或频带。,倍频程,把2020000Hz的声频范围，按频率倍比关系划分为11个段落。每个频带的上限频率和下限频率相差一倍。即频率比为21的频程，称它为倍频程。,倍频程,倍频程,推而广之：若频率比为，则称为2倍频程；若频率比为，则称为3倍频程；若频率比为，则称为n倍频程。,22,23,2n,倍频程,若频率比为21/3，则称为1/3倍频程。倍频程和1/3倍频程是最常用的。,倍频程的表示,某一倍频程常常由其中心频率f中表示.中心频率是上、下频率的几何平均值，简写成f。,倍频带的宽度,对含有多个频率成分的声音，我们只要关注它的各个频率及其对应的强度就可以了。一般以频率为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的线条来表示声音，这就是声音的频谱，也称频谱图。,2.频谱,频谱图,线状谱（乐音）连续谱（噪声）复合谱（有调噪声）,线状谱（乐音）,声压级，dB,f，Hz,连续谱（噪声）,复合谱（有调噪声）,频谱分析,在噪声控制中，要了解噪声的特性，往往需要详细分析它的各个频率成分和相应的强度，这也称作频谱分析。一般以倍频程或倍频程中心频率值为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的折线来表示声音的频谱。,频谱分析、频谱图,2.5声音的物理量度,声功率声压声强,1.声功率W,声功率是表示声源特性的物理量，是单位时间内声源辐射出来的总声能量，用W表示，单位是瓦，记为w。,声源声功率仅是声源总功率中以声波形式辐射出来的一小部分功率。500kw鼓风机，一般声功率只有100w；900万人同时说话，所发出的声能也只相当于一只450w的电灯在相同时间内所消耗的电能。,不同声源辐射的声功率有很大的不同,一些声源的声功率和声功率级,4107,104,102,1,10-1,10-1,10-9,声源工作情况一定时，辐射的声功率是一恒量,2.声压,以鼓面振动为例。声波在传播过程中，引起空气质点振动，致使空气密度发生变化，密集时压强超过大气压强，稀疏时则低于大气压强。,瞬时声压p：我们把声场中某点在某一瞬时，由静压P0改变到压强时，所产生的压强增量称为该点的瞬时声压p，即,p,瞬时声压是时间的函数。,有效声压pe：瞬时声压传入人耳，由于耳膜的惯性作用，分辨不出声压随时间的变化，而是一个稳定的有效值，称为有效声压。,有效声压p是瞬时声压对时间t取均方根值，即,e,对于符合正弦运动的声波，有效声压p等于声压的最大值除以，即,e,实际应用中一般所指声压，如未加说明，就是指有效声压。,声压单位,1大气压1bar=10bar,105Pa,105N/m2,106bar,1Pa,1N/m2,3.声强I,声强I：单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量，称为声强。一般用I表示，单位为。,W/m2,平面声波的声强,在理想媒质中，平面声波的声强与离开声源的距离无关,柱面波的声强,在理想媒质中，柱面声波的声强随离开声源中心的距离增加，按反比规律衰减。,球面声波的声强,自由空间,在理想媒质中，球面声波声强随离开声源距离的增加，按平方反比规律衰减。,球面声波的声强,半自由空间,平均声能密度,平均声能密度：为单位媒质具有的平均动能和平均势能之和，即：,声波在不同弹性媒质中传播时，与之密切相关是媒质密度及声速。声阻抗率或声特性阻抗Zs，单位：Pa.s/m,声强与声能密度的关系,媒质体积为V声波从x1运动到x2，经过时间t。垂直于x方向的截面为S，厚度为x，,声强与声能密度的关系,t时间内通过截面S的声能量。,声强与声能密度的关系,由声强的定义有：,声强与声压的关系,4.声压级、声强级和声功率级,大量实测显示：一定频率的声波，其强度存在上、下两个限值。在下限以下，人耳听不到声音，一般称下限值为听阈值。在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，上限值为痛阈值。频率不同，上、下限值不同。,空气中传播的声波，在1000Hz时，正常人耳的听阈声压为，痛阈声压是20Pa。对应的听阈声强，痛阈声强为。,210-5Pa,10-12w/m2,1w/m2,对人的听觉来说，从听阈到痛阈所感觉到的声音的强弱变化范围非常宽。若用声压和声强的绝对值来衡量声音的强弱是很不方便的，而且要实现一定精确的测量也很难，因此引进“级”的概念，用它来衡量声音的相对强弱。级在声学中的单位为分贝，记作dB。,声压级,1000Hz对应的听阈声压,声压级,例2-1：当声压级增大20dB时，问声压是原来的多少倍？,一些噪声源或噪声环境的声压和声压级,声强级,1000Hz对应的听阈声强,声功率级,1000Hz对应的听阈声功率,声强级与声压级的关系,声强级与声压级的关系,b值与声特性阻抗有关，因此其值与气温、气压有关。,20时不同海拔高度的修正值b,声功率级与声强级的关系,在自由声场中，均匀辐射的声源W=IS。因此有：LW=10lg(W/W0)=10lg(IS/I0S0)=10lg(I/I0)+10lg(S/S0)=LI+10lgS,点声源、自由声场、球面波,点声源、半自由声场、半球面波,一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个频率的声波；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。也就是说，我们在研究噪声时就会涉及到“声波的叠加”。,2.6声波的叠加,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。,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：空间中某点实际上是多列简谐波共同作用的结果。那么，这点的瞬时声压就等于各列波在这点的瞬时声压之和。,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。,如果声场中某点的x1、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，它们的叠加就是相干波叠加。,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,对某一定点来说，kx2-kx1是一定值，对空间中不同点而言，kx2-kx1是一变量，所以cos(kx2-kx1)是周期函数。,在一般的噪声问题中，经常遇到多个声波，或者频率不同，或者相互之间并不存在固定的相位差，或者两者兼有。怎么叠加呢？,以两列频率相同，而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,具有不同频率，而有固定的相位差或者具有不同频率，且并不存在固定的相位差的两列波，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的。也就是说：具有相同频率，而没有固定的相位差；具有不同频率，而有固定的相位差或者具有不同频率，且并不存在固定的相位差的波为不相干波。,二、不相干波叠加,推广到n列不相干波：,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，因此可以按此规则叠加。,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,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的声波；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。,2.7分贝的运算,分贝和分贝减分贝平均,一、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?,1、公式法,步骤：(1)将求和的声压级从大到小排列(L1、L2，Ln)；(2)先求L1与L2的差值：L1-L2；(3)由差值L1-L2从表中查得增值L(也可查曲线图)(4)L1+2L1+L，(5)再将L1+2与L3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？,二、分贝减,除待测噪声以外，环境中其他声音总称为本底噪声，亦称背景噪声。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。,三、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。,