《声学基本知识》PPT课件.ppt

环境噪声控制工程,Chapter2声学基础知识,2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的辐射特性,2.1声音的产生和传播,物体的振动是产生声音的根源。声源：我们把产生声音的振动物体称作声源。,2.1.2声音的产生和传播,声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。声场：有声波传播的空间叫声场。声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播。,2.2声波的描述,2.2.1描述声波的基本物理量2.2.2声音的物理量度2.2.3声波的类型,声波的特性,声波的波动性与光波的比较声波产生的条件媒质惯性和弹性真空中能否传播声波？横波与纵波（固体有切变弹性）声波通过相邻质点间动量传递来传播能量，而不是物质的迁移,声学史话（声的波动性）,人虽然知道声在空气中传播，但声的本质是什么还是众说纷坛，有人说是波，有人说是粒子，这和光学中的波动说和粒子说的争论一样。1687年牛顿在他的“原理”一书中对声波作为弹性波推导了声速的公式。但经过测量，发现计算值和实验值有较大的误差。原来牛顿认为声波传播是个等温过程，没有考虑声波变化较快，是个绝热过程。1816年拉普拉斯修改了牛顿的公式，把等温压缩系数换为绝热压缩系数，消除了理论和实验的差别。通过牛顿到拉普拉斯的工作，人们才最后确认声波是弹性波，奠定了经典声学的基础。,2.2.1描述声波的基本物理量,线性声波和非线性声波,线性声波简谐振动（位移与弹力成正比方向相反的振动），正（余）弦函数前提条件：质点振速声速质点位移波长，密度增量静态密度非线性声波不满足上面条件，比如正（余）弦波变成锯齿波,2.2.1描述声波的基本物理量,振幅,位移,位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。相位：某一时刻，某一质点的振动状态（包括质点振动的位移大小和运动方向,相位,图22声波传播的物理过程,2.2.1描述声波的基本物理量,1.周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。2.声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。,2.2.1描述声波的基本物理量,3.波长：声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波的传播距离。,2.2.1描述声波的基本物理量,4.声速：振动在媒质中传播的速度。媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度；声速会随环境的温度有一些变化。,表21.1时声速近似值（m/s）,空气中声速公式,C=331.45+0.61tt空气的摄氏温度,2.2.2声波的类型,在均匀的理想流体中的小振幅声波的波动方程为：,或,2.2.2声波的类型,波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。声线：常称为声射线，就是子声源发出的代表能量传播方向的直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。,2.2.2声波的类型,1.平面声波：声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，称其为平面声波。波前：声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。,1.平面声波：,1.平面声波：,a.波动方程：,对于简谐振动而言：,的意义,k的意义,c(声速)的意义,P0cos(t0kx0)=P0(t0+t)k(x0+x)这就要求tkx=0因为k=/c，所以,1.平面声波：,b.质点振动速度：对于简谐振动而言：,质点振动的速度振幅,1.平面声波：,c.声阻抗率：,对于平面声波而言：,媒质的特性阻抗，单位瑞利（Pas/m）,声学史话（瑞利）,瑞利勋爵的姓是斯特鲁特(18421919)，瑞利是他的封号，但我们声学界早已习惯了，提起他就说瑞利，包括瑞利盘、瑞利散射等等，反而把他的姓忘了。瑞利是集经典声学大成者，他的名著”声学理论”至今还有重大影响，声学上许多现象、原理和方法都是他发现和提出的。他多才多艺，不仅在声学上有突出贡献，对经典物理学的发展也有重大影响。瑞利多才多艺除集经典声学大成之外，他在电学、光学等其他方面还有许多重大贡献。他于1904年获得诺贝尔奖,1.平面声波：,d.声线：声源发出的代表能量传播方向的直线对于平面波是相互平行的一系列直线。处处与波阵面垂直,1.声压与声压级2.声强与声强级3.声功率与声功率级4.声能密度5.频谱和频程,2.2.2声波的物理量度,2.2.2声波的物理量度,1.声压和声压级：,静态压强不是声压幅值,1.声压和声压级,a.瞬时声压：某一瞬间的声压。b.有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。,1.声压和声压级：,日常生活中声音的声压数据(Pa),c.声压级:该声音的声压与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：,1.声压和声压级：,声压级单位：分贝。,2.声强和声强级：,a.声强:在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的声能量，称为声音的强度，简称为声强，单位是瓦每平方米。,b.声强级:该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘10，即：,2.声强和声强级：,声强级单位：分贝。,声压级和声强级的关系：,3.声功率和声功率级,a.声功率:声源在单位时间内辐射的总能量，单位是瓦。意义：声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理量；声功率可用于鉴定各种声源。,b.声功率与声强的关系,球面辐射时：,波阵面面积,c.声功率级,声功率级单位：分贝。,声功率级与声强级的关系,小知识,一般声源声功率实际上是很小的，如轻声耳语，声功率是0.01微瓦，客厅中小声交谈大约是1微瓦，正常谈话是50微瓦，大声洪话约0.2毫瓦，高声讲话也不过是110毫瓦一个广场上几万人齐声欢呼时的声功率大约只能点亮一盏40瓦的电灯泡。,4.声能密度,定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量。对于在自由空间内传播的平面声波而言：,5.频程和频谱：,a.频谱图：以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音的频谱图。,常见噪声的频谱图,5.频程和频谱：,b.频程：为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分为若干个较小的频段，称为频段或频程。n倍数，f-中心频率，,2.球面声波：,波阵面是以任何值为半径的球面。a.波动方程：,对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：,特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。,球面声波的特性,2.球面声波：,b.声线：是由声源点发出的半径线。,3.柱面声波：,波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.波动方程：,对于远场简谐柱面声波而言：,特点：振幅随径向距离的增加而减少，与距离的平方根成反比关系。,3.柱面声波：,b.声线：是由线声源发出的径向线。,2.2.2声波的类型,声波的类型,Chapter2声学基础知识,2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的辐射特性,2.3声波的传播特性,2.3.1声场2.3.2声波的叠加2.3.3声波的反射、透射、折射2.3.4声波的散射与衍射2.3.5声波在传播中的衰减,2.3.1声场（SoundField）,1.声场的概念：声场是指传播声波的空间。按声场的性质可以将声场分为：自由声场；扩散声场；半自由声场,2.声场的分类,自由声场:我们把可以忽略边界影响，由各向同性的均匀介质形成的声场称为自由声场。,自由声场（FreeSoundField）,消声室,自由声场（FreeSoundField）,消声室,2.声场的分类,扩散声场（混响声场）:如果室内各处的声压级几乎相等，声能密度也处处相等，那么这样的声场就叫做扩散声场（混响声场）。半自由声场(半扩散声场):,2.声场的分类,半自由声场(半扩散声场):,2.3.2声波的叠加,1.声压的叠加,如果，两个声波频率相同，振动方向相同，且存在恒定的相位差,式中x1与x2的坐标原点是由各列声波独自选定的，不一定是空间的同一位置。由叠加原理得：,由三角函数关系知：,上述分析表明，对于两个频率相同振动方向相同，相位差恒定的声波，合成声仍是一个同频率的声振动。它们之间相位差,与时间t无关，仅与空间位置有关合成声波的声压幅值PT在空间的分布随变化。在空间某些位置振动始终加强，在另一些位置振动始终减弱，此现象称为干涉现象。这种具有相同频率、恒定相位差的声波称为相干波。,相干波和驻波,相干波和驻波,当=0,2，4,时,PT为极大值，PTmax=P01+P02；在另外一些位置，当=，3，5时，PT为极小值，PTmin=P01P02，这种声压值PT随空间不同位置有极大值和极小值分布的声场，称为驻波声场。驻波的极大值和极小值分别称为波腹和波节。当P01与P02相等时，PTmax=2P01，PTmin=0，驻波现象最明显。,相干波和驻波,声波的干涉现象:两列波的频率相同，振动方向相同和具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象。能产生干涉现象的声波称为相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源。,声波的干涉现象,相干波和驻波能量的叠加,2.不相干声波能量的叠加,频率互不相同，或者相互之间并不存在固定的相位差或者是两者兼有，也就是说，这些声波是互不相干的。,这样，对于空间定点不再是固定的常值，而是随时间作无规变化，叠加后的合成声场不会出现驻波现象。且由于,2.不相干声波能量的叠加,人耳及声学仪器是一段时间的平均,2.不相干声波能量的叠加,不能用瞬时值计算,*级的运算,a.级的叠加（公式法）当n个声源互不干涉时：,当n=2时，,能量叠加原理,a.级的叠加（公式法）,由于：,代入上式：,a.级的叠加：,当n个声源时，,表示为声压级：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,则：,代入下式中：,可得：,a.级的叠加（查表、图法）：,令：,a.级的叠加：,Lp,a.级的叠加：,求出总声压的有效值,当n个声源发生干涉时：先求出瞬时声压,求出总声压级,b.级的相减,仪器测的噪声,声源真实噪声,背景噪声,小问题,有n个相同的声源，各个声源产生的声压级均为Lp,求n个声源同时发声的总声压级,答案,n=1LpT=70dBn=2LpT=73dBn=5LpT=77dBn=10LpT=80dBn=100LpT=90dB,2.3.3声波的反射、透射、折射1.当声波垂直入射时的反射系数和透射系数,分界面是相当薄的一层，在分界面两边的声压是连续相等的：p1=p2两种媒质在各面密切接触，界面两边媒质质点的法向振动速度也应该连续相等，即u1=u2,在媒质中的声压将在媒质中沿x正方向传播的入射平面声波表示为:,在媒质中仅有透射声波，故,相应的质点振动速度,在x=0界面处。声压连续和质点振动速度连续，故有:,当声波垂直入射时，声压的反射系数和透射系数可以表示为：,声压的反射系数的定义为反射声压幅值与入射声压幅值的比值。,声压的透射系数为透射声压幅值与入射声压幅值的比值。,声强的反射系数和透射系数可以表示为：,rI+I=1,当1c12c2时，媒质比媒质“硬”些。若1c1l,(a)(b)图213（a）声偶极子（b）指向性图,代入可得,从而有,为了描述声源的辐射特性随方向的变化，定义指向性因数：,其中，P为声功率为w的实际声源在距离r处方向的均方声压，Ps是声功率仍为w的无指向性声源在距离r处的均方声压。对于声偶极子,所以对于同样源强Q，声偶极子产生的声源比点声源的声压要小得多，因此声偶极子的辐射效率很差,2.7.3线声源,线声源（linesource）亦称“柱面声源”。由一线状或由无数与互不相干的点声源组成的线状声源，在自由声场条件下，其辐射声能均匀分布于以线源为轴心的圆柱面上，均可视为线声源。如铁路轨道、车流量很大的交通干线等。根据实验情况，可分为无限长线声源和有限长线声源。铁路噪声在近场可视为线声源，而远场又近似于点声源。,2.7.3线声源,连续性,离散性,r0,r1,r0,rn,连续分布的线声源,单位长度声功率为w，线声源上dx段的声功率dW=wdx,它对距离r1的P点声压平方的贡献为,dx=rd,当线声源无限长或P点靠近线源中部且r0远小于线源之长度时，,声压级为,Lw为单位长度声功率级,当P点距声源的距离r0远大于声源的长度l时，即r0l,则=21很小，由图25可得知有r1l，r1r0，因此=l/r0，上式变为,这正是点声源在半自由空间辐射的声压公式，说明“点声源”是相对的,离散分布无限长线声源,设每个声源的声功率为W，相邻两声源间距离为d，见图214（b）。在距离为r0的P点，第n个声源对P点声压平方的贡献为,对于双曲余切函数可取两种近似值：,因此有,这说明，在dr0的情况下，只有最靠近的一个声源起作用，其余声源可被忽略，这时在有限的近距离内，如同单个点声源以球面波形式传播,(1),（2）当,即观察点P距离声源比相邻两声源间距d大得多时，,coth(r0/d)，,因此有,即声压平方与离声源的距离成反比。当传播距离从r01至r02时，声压级或声强级的衰减量为,此式也适用于连续分布线声源。因此，线声源的距离衰减,2.4声源的辐射特性,声源的指向性：声源发出的声波，在各个方向上的声压分布并不一定相同，这种随方向分布的不均匀性，称为声源的指向性。指向性因数：在离声源中心不同距离处，测量球面上各点的声强，求得所有方向上的平均声强，将某一方向上得声强与其相比就是该方向的指向性因数：,2.4声源的辐射特性,考虑到声源的指向性，需要对声压级的计算公式进行修正，自由声场中在某一方向上的声压级公式可表示为：,DI是指指向性因数，,2.4声源的辐射特性,声源的指向性与声源的尺寸有关。声源的指向性与频率相关。(上式计算时要分频段计算，然后各频段声压级相加得到总声压级）,几种典型声源的辐射特性,