聲波基本性質與傳播規(guī)律

1、聲波基本性質與傳播規(guī)律o 2.1 聲音的產生及描述方法o 2.2 聲波的疊加o2.3 聲波的頻率和噪聲頻譜o 2.4 聲源的反射、投射和衍射o 2.5 聲波的輻射o2.6 聲波在傳播過程中的衰減主要內容2.1 聲音的產生及描述方法物體的振動是產生聲音的根源。 聲源：我們把產生聲音的振動物體稱作聲源。聲源的振動聲源的振動彈性媒介彈性媒介振動振動聲波聲波空氣、固體、空氣、固體、液體液體1 聲波的產生 聲波的形成：當聲源振動時，就會引起聲源周圍彈性聲波的形成：當聲源振動時，就會引起聲源周圍彈性媒質媒質空氣分子的振動。這些振動的分子又會使其周圍空氣分子的振動。這些振動的分子又會使其周圍的空氣分子產生振

2、動。這樣，聲源產生的振動就以聲波的空氣分子產生振動。這樣，聲源產生的振動就以聲波的形式向外傳播。的形式向外傳播。 在噪聲控制工程中主要涉及在噪聲控制工程中主要涉及空氣媒質中的空氣聲空氣媒質中的空氣聲。 在空氣中，聲波是一種縱波在空氣中，聲波是一種縱波，這時媒質質點的振動方，這時媒質質點的振動方向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質點振動向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質點振動方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。聲波：這種向前推進著的空氣振動稱為聲波。聲場：有聲波傳播的空間叫聲場。聲音傳播的實質：聲音傳播是指物體振動形式的傳播。由相鄰質點間的動

3、量傳遞來完成，而不是由物質的遷移來傳播的。2 描述聲波的基本物理量o波長波長：在同一時刻，從某一個最稠密（或最稀疏）的地點到相：在同一時刻，從某一個最稠密（或最稀疏）的地點到相鄰的另一個最稠密鄰的另一個最稠密(或最稀疏）的地點之間的距離稱為聲波或最稀疏）的地點之間的距離稱為聲波的波長，的波長，(m)o周期周期：振動重復：振動重復1次的最短時間間隔稱為周期。次的最短時間間隔稱為周期。T(s)o頻率頻率：周期的倒數(shù)即單位時間內的振動次數(shù)，稱為頻率，：周期的倒數(shù)即單位時間內的振動次數(shù)，稱為頻率，f, 赫赫茲茲(Hz),1Hz=1s-1o聲速聲速：振動狀態(tài)在媒質中的傳播速度稱為聲速，：振動狀態(tài)在媒質中

4、的傳播速度稱為聲速，c(m/s)。實際計算常取實際計算常取340m/s。頻率范圍(Hz)20000聲音次2000超低頻聲 中頻聲 高頻定義聲音頻聲聲媒質名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速34413723048365351821219335342671 時聲速近似值（m/s）聲壓和聲壓級：靜態(tài)壓強 a.瞬時聲壓：某一瞬間的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時間間隔中將瞬時聲壓對時間求方均根值即得有效聲壓。聲音種類聲壓聲音種類聲壓正常人耳能聽到最弱聲2X10-5織布車間2普通說話聲（1m遠處）2X10-2柴油發(fā)動機、球磨機20公共汽車內0.2噴氣飛機起飛200日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa)

5、c. 聲壓級:該聲音的聲壓的有效值與參考聲壓的比值取以10為底的對數(shù)再乘20，即：聲壓級單位：分貝。 聲能量聲能量o聲波在媒質中傳播，一方面使媒質質點在平衡位置附近往聲波在媒質中傳播，一方面使媒質質點在平衡位置附近往復運動，產生動能；另一方面又使媒質產生了壓縮和膨脹的復運動，產生動能；另一方面又使媒質產生了壓縮和膨脹的疏密過程，使媒質具有形變的勢能。這兩部分能量之和就是疏密過程，使媒質具有形變的勢能。這兩部分能量之和就是由于聲擾動使媒質得到的聲能量，由于聲擾動使媒質得到的聲能量，以聲的波動形式傳遞出以聲的波動形式傳遞出去。去。聲波的聲能密度聲波的聲能密度聲能密度聲能密度定義：聲場中單位體積媒質

6、所含有的聲能量，單位是焦耳每立方米（J/m3) 對于在自由空間內傳播的平面聲波而言： 聲功率和聲功率級a.聲功率:聲源在單位時間內輻射的總能量，單位是瓦。意義：聲功率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。人耳能聽到的最低10-12Wb.聲功率級聲功率級單位：分貝。聲功率W與基準聲功率W0之比的常用對數(shù)聲強和聲強級：a.聲強:在聲傳播方向上單位時間內垂直通過單位面積的聲能量，稱為聲音的強度，簡稱為聲強，單位是瓦每平方米 （W/ m2）。b.聲強級:該聲音的聲強與基準聲強的比值取以10為底的對數(shù)再乘10，即：聲強級單位：分貝。2.2 聲波的疊加對于互不相干的多個噪聲源對于

7、互不相干的多個噪聲源，它們之間不會發(fā)生干涉現(xiàn)，它們之間不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。這時，空間某處的總聲壓象。這時，空間某處的總聲壓Pe為為上式表明，對于多個聲波，當各個聲波間不存在固上式表明，對于多個聲波，當各個聲波間不存在固定相位差時，其能量可以直接疊加。定相位差時，其能量可以直接疊加。o總聲壓級為：總聲壓級為： Lp = 10lg = 10lg100.1L + 100.1L (dB)o對應對應n個聲源的一般情況有：個聲源的一般情況有： Lp = 10lg(100.1L ) 【例例1】在車間某操作點分別測量兩噪聲源的聲壓級為在車間某操作點分別測量兩噪聲源的聲壓級為100分分貝和貝和95分貝，問總的聲壓

8、級是多少分貝？分貝，問總的聲壓級是多少分貝？解解：（：（1）計算法計算法2.3 2.3 聲波的頻率和噪聲的頻譜聲波的頻率和噪聲的頻譜o在噪聲控制中所研究的就是可聽聲，在噪聲控制這門學科中在噪聲控制中所研究的就是可聽聲，在噪聲控制這門學科中，通常粗略地把聲波的頻率分為三個頻段：，通常粗略地把聲波的頻率分為三個頻段：300赫以下的叫低赫以下的叫低頻聲，頻聲，3001000赫的叫中頻聲，赫的叫中頻聲，1000赫以上的叫高頻聲。赫以上的叫高頻聲。聲波頻率的概念非常重要，因為聲波頻率的概念非常重要，因為控制高頻噪聲和控制低頻控制高頻噪聲和控制低頻噪聲的技術措施存在著很大的差別噪聲的技術措施存在著很大的差

9、別。而在測量和工程設計。而在測量和工程設計中具有實用價值的是采用中具有實用價值的是采用倍頻程倍頻程的的頻率頻率劃分方法。劃分方法。 常見噪聲的頻譜圖一、倍頻程一、倍頻程o可聽聲的頻率從可聽聲的頻率從20赫到赫到20000赫，高低相差達赫，高低相差達l000倍。為了方便起倍。為了方便起見，通常把寬廣的聲頻變化范圍劃分為若干較小的段落，叫做見，通常把寬廣的聲頻變化范圍劃分為若干較小的段落，叫做頻程。頻程有上限頻率值、下限頻率值和中心頻率值，上下限頻程。頻程有上限頻率值、下限頻率值和中心頻率值，上下限頻率之差，即中間區(qū)域稱為頻程寬度，簡稱帶寬。頻率之差，即中間區(qū)域稱為頻程寬度，簡稱帶寬。從實踐中發(fā)現(xiàn)

10、，兩個不同頻率的聲音做相對比較時，起決定作用的是從實踐中發(fā)現(xiàn)，兩個不同頻率的聲音做相對比較時，起決定作用的是兩個頻率的比值，而不是它們的差值，例如，音樂中兩個頻率的比值，而不是它們的差值，例如，音樂中C調的低音調的低音6的基的基頻是頻是220Hz，中音，中音6的基頻是的基頻是440Hz，高音，高音6的基頻是的基頻是880Hz，所以，所以聽起來中音聽起來中音6比低音比低音6的音調高一倍，高音的音調高一倍，高音6比中音比中音6的音調高一倍的音調高一倍，我們稱低音，我們稱低音6和中音和中音6相差一個倍頻程，中音相差一個倍頻程，中音6和高音和高音6相差一個相差一個倍頻程，而聽起來音調提高的程度也是相同

11、的倍頻程，而聽起來音調提高的程度也是相同的(即提高即提高“八度音程八度音程”)。低音。低音6和高音和高音6相差兩個倍頻程。相差兩個倍頻程。頻程和頻譜：b. 頻程：為方便起見，通常將寬廣的音頻變化范圍劃分為若干個較小的頻段，稱為頻段或頻程。f1 -下限截止頻率；f2 -上下限截止頻率；f -中心頻率；f -頻帶寬 在噪聲控制中，對頻率作相對比較的單位叫在噪聲控制中，對頻率作相對比較的單位叫倍頻程倍頻程，兩，兩個頻率相差個頻率相差2個倍頻程意味著其頻率之比個倍頻程意味著其頻率之比22，相差，相差3個倍頻個倍頻程意味著兩個頻率之比為程意味著兩個頻率之比為23，依此類推。，依此類推。 在噪聲測量中，通

12、用的倍頻程有在噪聲測量中，通用的倍頻程有n1時的時的11倍頻程，簡倍頻程，簡稱倍頻程；有稱倍頻程；有n12時的時的12倍頻程；有倍頻程；有n13時的時的13倍頻程等。倍頻程等。2.4 聲波的反射、投射和衍射聲波在傳播過程中會遇到各種各樣的障礙物，如固體聲波在傳播過程中會遇到各種各樣的障礙物，如固體的、液體的和氣體的等。當聲波從一種媒質進入另一的、液體的和氣體的等。當聲波從一種媒質進入另一種媒質時，后一種媒質就是一種障礙物。障礙物會使種媒質時，后一種媒質就是一種障礙物。障礙物會使聲波發(fā)生反射、透射和衍射。聲波發(fā)生反射、透射和衍射。o當聲波入射到兩種媒質的界面時，一部分會經(jīng)界面反射返當聲波入射到兩

13、種媒質的界面時，一部分會經(jīng)界面反射返回到原來的媒質中稱為回到原來的媒質中稱為反射聲波反射聲波，一部分將進入另一種媒，一部分將進入另一種媒質中成為質中成為透射聲波透射聲波。聲波的反射聲波的反射o以平面聲波為例，入射聲波以平面聲波為例，入射聲波pi垂直入射到媒質垂直入射到媒質和媒和媒質質的分界面的分界面x=0上（圖上（圖2-6）。由于界面的反射，在媒）。由于界面的反射，在媒質質I中除了入射聲波中除了入射聲波pi以外，還有反射聲波以外，還有反射聲波pr，這樣，這樣，媒質，媒質I中的總聲壓為兩個波的疊加：中的總聲壓為兩個波的疊加：p1pipr，而，而在第二媒質中只有透射聲波在第二媒質中只有透射聲波pt

14、，所以媒質，所以媒質中總聲壓中總聲壓p2pt 。1c12c2ptxopipr圖圖2-6 2-6 平面聲波正入射到兩種媒質的分界面平面聲波正入射到兩種媒質的分界面 當平面聲波斜入射于兩媒質的界面時，如圖當平面聲波斜入射于兩媒質的界面時，如圖2-7所示，所示，入射聲波入射聲波pi與界面法向成與界面法向成i角入射到界面上，這時角入射到界面上，這時反射波反射波pr與法向成與法向成r角，在第二個媒質中，透射聲波角，在第二個媒質中，透射聲波pt與法向成與法向成t角，透射聲波與入射聲波不再保持同一角，透射聲波與入射聲波不再保持同一傳播方向，形成聲波的折射。傳播方向，形成聲波的折射。 這時，入射聲波、反射聲波

15、與折射聲波的傳播方這時，入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應滿足向應滿足Snell定律，即：定律，即：1c12c2pttOpipr圖圖2-7聲波的折射聲波的折射ir折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒質中的聲速之比折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒質中的聲速之比這表明若兩種媒質的聲速不同，聲波傳入媒質這表明若兩種媒質的聲速不同，聲波傳入媒質時方向就要改變。當時方向就要改變。當c2c1時會存在某個時會存在某個i值，值， ie=arcsin(c1/c2)使得使得t=/2。即當聲波以大于。即當聲波以大于ie的入射角入射時，聲波不能進入媒質的入射角入射時，聲波不能進入

16、媒質中從而形成聲波的全反射。中從而形成聲波的全反射。 理論和實驗研究證明，當兩種介質的聲阻抗率接近時，即理論和實驗研究證明，當兩種介質的聲阻抗率接近時，即1c1 2c2 ，聲波幾乎全部由第一種介質進入第二種介質，聲波幾乎全部由第一種介質進入第二種介質，全部透射過去；當?shù)诙N介質聲阻抗率遠遠大于第一，全部透射過去；當?shù)诙N介質聲阻抗率遠遠大于第一種介質聲阻抗率時，即種介質聲阻抗率時，即2c2 1c1 ，聲波大部分都會被反，聲波大部分都會被反射回去，透射到第二種介質的聲波能量是很少的。射回去，透射到第二種介質的聲波能量是很少的。 在噪聲控制工程中，經(jīng)常利用不同材料所具有的不同特在噪聲控制工程中，經(jīng)

17、常利用不同材料所具有的不同特性阻抗，使聲波在不同材料的界面上產生反射，從而達性阻抗，使聲波在不同材料的界面上產生反射，從而達到控制噪聲傳播的目的。如用兩種或多種不同材料粘結到控制噪聲傳播的目的。如用兩種或多種不同材料粘結成多層隔聲板，在各層間形成分界面，各界面形成反射成多層隔聲板，在各層間形成分界面，各界面形成反射。 因此，對于相同厚度的隔聲板，多層隔聲板比單層隔聲效果因此，對于相同厚度的隔聲板，多層隔聲板比單層隔聲效果好。好。聲波的衍射聲波的衍射 聲波傳播過程中，如果遇到的障礙物或者帶有小孔的障板聲波傳播過程中，如果遇到的障礙物或者帶有小孔的障板時，如障礙物的尺寸或孔的大小與波長差不多，則聲

18、波能時，如障礙物的尺寸或孔的大小與波長差不多，則聲波能夠繞過障礙物或小孔的邊緣前進，并引起傳播方向的改變夠繞過障礙物或小孔的邊緣前進，并引起傳播方向的改變，稱為聲波的，稱為聲波的衍射衍射。2.5 聲波的輻射o 聲源的指向性：聲源發(fā)出的聲波，在各個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。o 指向性因數(shù)指向性因數(shù)：在離聲源中心不同距離處，測量球面上各點的聲強，求得所有方向上的平均聲強，將某一方向上得聲強與其相比就是該方向的指向性因數(shù)：o 考慮到聲源的指向性，需要對聲壓級的計算公式進行修正，自由聲場中在某一方向上的聲壓級公式可表示為：DI是指向性指數(shù)，2.6 聲波在

19、傳播過程中的衰減o 1.擴散引起的衰減（Ad）o 2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa）o 3.地面吸收的附加衰減（Ag）o 4.聲屏障衰減（Ab）o 5.氣象條件的影響（Am ）1.擴散引起的衰減擴散衰減的定義擴散衰減的定義：由于波陣面的擴展而引起的聲強隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴散衰減。2.空氣吸收引起的附加衰減o 空氣吸收：聲波在空氣中傳播時，因空氣的粘滯性和熱傳導，在壓縮和膨脹過程中，使一部分聲能轉化為熱能而損耗，稱為空氣吸收。這種吸收稱為經(jīng)典吸收。o 弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉動或振動時存在固有頻率，當聲波的頻率接近這些頻率時要發(fā)生能量交換。能量交換的過程都有滯后現(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o 對于噪聲控制工程，可以采用下面的半經(jīng)驗公式來估算空氣吸收衰減。在20時： 聲波的頻率，Hz相對濕度傳播距離，m2.空氣吸收引起的附加衰減o 對于不同溫度，可采用下式來估算：