第二章.聲波-1

1、- -第二章.聲波的根本性質(zhì)及其傳播規(guī)律A、 教學(xué)目的1.聲波的根本性質(zhì)及其傳播規(guī)律(C：理解)2.聲波傳播現(xiàn)象(B：識(shí)記)B、教學(xué)重點(diǎn)(1)聲波的根本特性 聲源；波動(dòng)；聲波的傳播特性 (2)噪聲的客觀物理量度 聲強(qiáng)、聲壓、聲功率；聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)、聲功率級(jí)；分貝相加、分貝相減、分貝平均；頻程和濾波器；頻譜和頻譜分析；噪聲的掩蔽效應(yīng)。C、教學(xué)難點(diǎn)1、聲波的傳播特性、級(jí)、頻譜、掩蔽效應(yīng)的概念2、聲波傳播的現(xiàn)象知識(shí)。D、教學(xué)用具多媒體幻燈片E、教學(xué)方法講授法、討論法F、課時(shí)安排4(6)課時(shí)G、教學(xué)過(guò)程根本概念：聲源：凡能產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體。P7縱波：媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向相一致的聲波。P

2、7橫波：媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向相互垂直的聲波。P7聲壓：聲源振動(dòng)、傳遞，會(huì)造成鄰近空氣壓強(qiáng)的起伏變化，其壓強(qiáng)的起伏變化量p，即與靜態(tài)壓強(qiáng)的差p=(P-Po)。P8頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間的振動(dòng)次數(shù)，單位赫茲Hz,1Hz=1s-1。P8振幅：振動(dòng)波離開(kāi)平衡處的最大位移。P10波陣面：音波傳播空間同一時(shí)刻相位一樣的各點(diǎn)的軌跡曲線。P10平面聲波：當(dāng)波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)的聲波。一般遠(yuǎn)離聲源的聲波近似的看作為平面聲波。P10波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面。P10波數(shù)：,其中角頻率，聲速。P10聲阻抗率：，聲壓；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；p11點(diǎn)聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸比聲波波長(zhǎng)小得多時(shí)，或者測(cè)

3、量點(diǎn)離開(kāi)聲源相當(dāng)遠(yuǎn)時(shí)，那么可以將聲源看成為一個(gè)點(diǎn)，稱為點(diǎn)聲源。P12線聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸相比聲波波長(zhǎng)不可忽略且聲源形狀可視為一條線時(shí)的聲源。P32面聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸相比聲波波長(zhǎng)不可忽略且聲源形狀可視為一個(gè)面域時(shí)的聲源。P34球面聲波：在各向同性的均勻媒質(zhì)中，從一個(gè)外表同步漲縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波，也就是在以聲源點(diǎn)為球心，以任何r值為半徑的球面上聲波的相位一樣。P12柱面聲波：波陣面是同軸圓柱面的聲波，其聲源一般可視為“線聲源。P12聲線：自聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線。在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。各向異性的媒質(zhì)中，那么有所區(qū)別。P13聲能量：聲

4、波在媒質(zhì)中傳播，一方面使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)能，另一方面又使媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹的疏密過(guò)程，使媒質(zhì)具有形變的勢(shì)能。兩局部能量之和就是聲擾動(dòng)使媒質(zhì)得到的聲能量。P13瞬時(shí)聲強(qiáng)：聲場(chǎng)中某點(diǎn)處，與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的聲能，是一矢量。P14聲強(qiáng)：對(duì)于穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，瞬時(shí)聲強(qiáng)在一定時(shí)間T內(nèi)的平均值。P14聲功率：聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總能量?；蚴菃挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的聲能。P14干預(yù)現(xiàn)象：在空間某些位置振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置振動(dòng)始終減弱，此種現(xiàn)象即為干預(yù)現(xiàn)象。P15相干波：具有一樣頻率、一樣振動(dòng)方向和恒定相位差的聲波稱為相干波。P15駐波：聲壓值PT隨空間不同

5、位置有極大值和極小值分布的周期波。P15駐波聲場(chǎng)：駐波傳播的空間聲場(chǎng)。P15頻譜圖：以頻率f為橫軸，以聲壓p為縱軸繪出的聲音的頻率譜線圖。P16基頻：與振動(dòng)周期一樣正弦形式的頻率。P16諧波：頻率等于基頻的整數(shù)倍的正弦形式稱為諧波。P16譜密度：，其中聲壓，某頻率附近的帶寬。P16反射聲波：當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時(shí)，一局部會(huì)經(jīng)界面反射回原來(lái)的媒質(zhì)中，即為反射聲波。P17透射聲波：當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時(shí)，一局部會(huì)經(jīng)界面進(jìn)入另一種媒質(zhì)中成為透射聲波。P17級(jí)：對(duì)被量度量與基準(zhǔn)量的比值求對(duì)數(shù)，這個(gè)對(duì)數(shù)值稱為被量度量的“級(jí)。P22聲壓級(jí)：，其中：p被量度的聲壓有效值，p0基準(zhǔn)聲壓。P22聲強(qiáng)

6、級(jí)：，其中：I被量度的聲強(qiáng)，I0基準(zhǔn)聲強(qiáng)。P22聲功率級(jí)：，其中：W被量度的聲功率平均值，W0基準(zhǔn)聲功率。P23空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過(guò)程中，使一局部聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損，稱為空氣吸收。P26聲屏障：當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在密實(shí)材料形成的障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的附加衰減，這樣的障礙物稱為聲屏障。P282.1.聲波的產(chǎn)生及描述方法l 聲波的產(chǎn)生 噪聲也是聲音，其具備聲音的一切屬性，聲學(xué)理論可直接引用。聲音形成的三要素：a. 聲源一切聲音均由振動(dòng)所引起，凡發(fā)出聲音的振動(dòng)體稱為聲源。聲源可以是固體、液體或氣體，可能還有等離子體。但非所有振動(dòng)源均為聲源，例：慢慢招

7、手無(wú)聲。作為聲源的物體振動(dòng)，對(duì)其振動(dòng)頻率及振動(dòng)能量是有一定要求的，正常人耳可聽(tīng)頻范圍為2020KHz，低于20Hz為次聲，高于20 KHz為超聲。b. 傳播方法所謂振動(dòng)即指質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要使聲源振動(dòng)能傳播，形成聲音，那么要求傳播介質(zhì)是連續(xù)的且具有質(zhì)量和彈性，可解釋如下：把介質(zhì)劃為一個(gè)個(gè)相連的體積元A、B、C、D，聲源的振動(dòng)就是通過(guò)這連續(xù)的體積元傳遞出去的，由于體積元具有一定質(zhì)量，故具有慣性力的使各體積元在回到平衡位置時(shí)能繼續(xù)向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)繼續(xù)。由于體積元的彈性產(chǎn)生對(duì)抗拉伸或壓縮的彈性力使其在平衡位置附近來(lái)回地振動(dòng)。在真空中，由于介質(zhì)連續(xù)，彈性、質(zhì)量等要求均不具備，故聲音在

8、真空中不傳播。介質(zhì)連續(xù)、慣性和彈性是傳播聲音的必要條件。應(yīng)該注意，聲音傳播只是振動(dòng)形式振動(dòng)能量的傳播，介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)本身在聲波作用下并不傳播，僅在其平衡位置附近來(lái)回地振動(dòng)。從分子統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看振動(dòng)的傳播波動(dòng)機(jī)械性振動(dòng)的傳播過(guò)程機(jī)械性質(zhì)的波動(dòng)，稱為聲波。聲波涉及的空間稱為聲場(chǎng)。c. 接收器人耳噪聲控制中主要是考慮噪聲對(duì)人的影響及危害，故接收器主要指人耳。不涉及人的聲波不成其為噪聲。l 描述聲波的根本物理量當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí)，其鄰近的空氣分子受到交替的壓縮和擴(kuò)X，形成疏密相間的狀態(tài)，空氣分子時(shí)疏時(shí)密，相應(yīng)的大氣壓也變得時(shí)大時(shí)小。依次向外傳播如以下列圖所示。傳播的速度是有限的。 聲壓p、波長(zhǎng)、頻率f(Hz)、聲速

9、c、周期T、質(zhì)點(diǎn)相位 ； ?？諝庵新曀伲?，其中：t空氣的攝氏溫度，。介質(zhì)不同時(shí)，如20°C以下：空氣中 c=344m/s水中 c=1450m/s鋼中 c=5000m/s聲壓：聲源振動(dòng)、傳遞，會(huì)造成鄰近空氣壓強(qiáng)的起伏變化，其壓強(qiáng)的起伏變化量p，即與靜態(tài)壓強(qiáng)的差p=(P-Po)。P8 由于人耳膜的慣性作用，并不能區(qū)分聲壓的瞬時(shí)起伏，而只是有一個(gè)穩(wěn)定的有效聲壓的響應(yīng)。l 聲波傳播的物理過(guò)程聲波傳播時(shí)，媒質(zhì)中各點(diǎn)的振動(dòng)頻率都是一樣的，但是，在同一時(shí)刻各點(diǎn)的相位不一定一樣，同點(diǎn)不同時(shí)刻也會(huì)有不同的相位。在研究中涉及到波傳遞的研究就必需研究這方面的變化，如聲波傳遞過(guò)程中的遲滯現(xiàn)象，振動(dòng)中的阻尼現(xiàn)

10、象，乃至光傳遞中的阻滯研究。這些研究包含的除了時(shí)間變量，還含有方向變化等影響變量 左圖中，當(dāng)A質(zhì)點(diǎn)處于最大壓縮狀態(tài)時(shí)，B、C、D質(zhì)點(diǎn)出的壓強(qiáng)依次減弱，這就是說(shuō)質(zhì)點(diǎn)間在振動(dòng)相位上依次落后，存在相位差。 正是由于各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在時(shí)間上有超前和滯后，才在媒質(zhì)中形成波的傳播?？梢钥闯?，距離為波長(zhǎng)的兩質(zhì)點(diǎn)間的振動(dòng)狀態(tài)是完全一樣的，只不過(guò)后者在時(shí)間上延遲了一個(gè)周期。2.2.聲波的根本類型 l 在均勻的理想流體媒質(zhì)中的小振幅聲波的波動(dòng)方程是：，其中：c聲速，t時(shí)間由上述方程得出：聲波的傳遞是三維立體，全空間傳遞的。聲波的傳遞受時(shí)間、媒質(zhì)、溫度、聲壓、波長(zhǎng)、頻率影響。具有各向同性的聲波傳遞，理論上可以定向描述

11、，既可以二維平面，或是一維/單向描述。l 如根據(jù)波面形狀時(shí)間、媒質(zhì)、波長(zhǎng)因素分析可定義平面聲波、球面聲波、柱面聲波。平面聲波：當(dāng)波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)的聲波。一般遠(yuǎn)離聲源的聲波近似的看作為平面聲波。如：管道中的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在管內(nèi)同一截面上各質(zhì)點(diǎn)將同時(shí)受到壓縮或擴(kuò)X，具有一樣的振幅和相位，這就是平面聲波。如果管道始端的活塞以正(余)弦函數(shù)的規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng)，那么稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。在均勻理想流體媒質(zhì)中，小振幅平面聲波的波動(dòng)方程為：(均勻理想流質(zhì)媒質(zhì)中：無(wú)能量耗損)如果觀察在某一確定時(shí)刻時(shí)聲波在空間沿各方向分布的情況，其波形如圖(a)所示。如果要觀察在空間定點(diǎn)位置處聲波隨時(shí)間的變化情況，其

12、波形如圖(b)所示：如上例中的活塞偏離平衡位置的距離 ：聲速是聲音或者說(shuō)是聲波振幅的傳播速度，也是聲能量的傳遞速度。而聲阻抗中的指媒介質(zhì)點(diǎn)的上下振動(dòng)速度。(P10)式中：稱為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅，單位：帕(斯卡)秒每米(Pas/m)。球面聲波：在各向同性的均勻媒質(zhì)中，從一個(gè)外表同步漲縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波，也就是在以聲源點(diǎn)為球心，以任何r值為半徑的球面上聲波的相位一樣。其波動(dòng)方程為：(r為球半徑)柱面聲波：波陣面是同軸圓柱面的聲波，其聲源一般可視為“線聲源。最簡(jiǎn)單的柱面聲波聲場(chǎng)與坐標(biāo)系的角度和軸向長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與徑向半徑r相關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)諧柱面聲波有： ，可見(jiàn)，隨徑向距離增加，聲壓振幅減少，且與距離

13、平方根成反比。上述介紹均為理想狀態(tài)，實(shí)際中可視情況近似點(diǎn)聲源、線聲源處理。2.3.聲波的疊加前面討論的各類聲波都是只包含單個(gè)頻率的簡(jiǎn)諧聲波。而實(shí)際遇到的聲場(chǎng)，如談話聲、音樂(lè)聲、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)聲等，不只含有一個(gè)頻率或只有一個(gè)聲源。這樣就涉及到聲的疊加原理，各聲源所激起的聲波可在同一媒質(zhì)中獨(dú)立地傳播，在各個(gè)波的交疊區(qū)域，各質(zhì)點(diǎn)的聲振動(dòng)是各個(gè)波在該點(diǎn)激起的更復(fù)雜的復(fù)合振動(dòng)。在處理聲波的反射問(wèn)題時(shí)也會(huì)用到疊加原理。 聲波的疊加屬于能量的疊加：即按照能量疊加原那么進(jìn)展聲波聲壓的疊加。 聲波的能量主要包括了媒質(zhì)的傳遞過(guò)程中的粒子動(dòng)能與粒子間相對(duì)的勢(shì)能。 當(dāng)為瞬時(shí)聲壓時(shí)，由于方向矢量的忽略，可視為聲壓的直接相加，

14、即： 有效聲壓的加合：當(dāng)非瞬時(shí)聲壓，需考慮振動(dòng)方向等時(shí)，那么必須考慮矢量加和，按照能量加和原那么進(jìn)展加和。參見(jiàn)聲能密度：類同于：能量加和：如聲能密度的加和，即從能量角度考慮，合成后總聲場(chǎng)的聲能密度：其中：，時(shí)的特例l 不相干聲波：在一般的噪聲問(wèn)題中，經(jīng)常遇到的多個(gè)聲波或者是頻率互不一樣，或者是相互之間并不存在固定的相位差，或者是兩者兼有，也就是說(shuō)，這些聲波是互不相干的。這樣對(duì)于空間某定點(diǎn)，不再是固定的常值，而是隨時(shí)間做無(wú)規(guī)變化，疊加后的合成聲場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。2.4.聲波的反射、透射、折射和衍射聲波在空間傳播時(shí)會(huì)遇到各種障礙物，或者遇到兩種媒質(zhì)的界面。這時(shí)，依據(jù)障礙物的形狀和大小，會(huì)產(chǎn)生聲波

15、的反射、透射、折射和衍射。聲波的這些特點(diǎn)與光波相近。反射聲波：當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時(shí)，一局部會(huì)經(jīng)界面反射回原來(lái)的媒質(zhì)中，即為反射聲波(P17) 。另一局部會(huì)經(jīng)界面進(jìn)入另一種媒質(zhì)中成為透射聲波。(P17)以平面聲波為例: 入射聲波pi垂直入射到媒質(zhì)I和媒質(zhì)的分界面，媒質(zhì)I的特性阻抗為，媒質(zhì)的特性阻抗為，分界面位于處。所謂的分界面是相當(dāng)薄的一層，因此在分界面兩邊的聲壓是連續(xù)相等的：且因?yàn)閮煞N媒質(zhì)在界面密切接觸，界面兩邊媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的法向振動(dòng)速度也應(yīng)該連續(xù)相等，即： 將在媒質(zhì)I中沿正x方向傳播的入射平面聲波表示為：其中 當(dāng)入射到x=0處的分界面時(shí)，在媒質(zhì)I中產(chǎn)生沿負(fù)x方向傳播的反射波，在媒質(zhì)中產(chǎn)生

16、沿正x方向傳播的透射聲波，分別表示為：其中 在媒質(zhì)I中的聲壓：在媒質(zhì)中的聲壓：相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度:在媒質(zhì)I中的振動(dòng)速度：在媒質(zhì)中的振動(dòng)速度：在x=0處, 質(zhì)點(diǎn)聲壓和振動(dòng)速度連續(xù),那么有: 由邊界條件式可得以下衡量指標(biāo)系數(shù).專業(yè)衡量指標(biāo)為聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù):專業(yè)衡量指標(biāo)為聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù):驗(yàn)證說(shuō)明符合能量守恒定律。l 斜入射聲波的聲學(xué)特性：A.入射聲波、反射聲波、折射聲波滿足Snell定律：說(shuō)明聲速和方向等時(shí)變化的關(guān)聯(lián)性。B.邊界條件截面垂直方向的一致性。C吸聲系數(shù)：入射聲波在界面上失去的聲能含透射聲能與入射聲能之比。說(shuō)明：斜入射會(huì)造成聲能損失，即吸聲系數(shù)與方向相關(guān)。l 聲波的散射

17、與衍射 障礙物的外表粗糙時(shí)(主要存在外表起伏與聲波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí))，或者障礙物的大小與聲波波長(zhǎng)差不多時(shí)，入射聲波會(huì)向各個(gè)方向散射，此時(shí)，障礙物周圍的聲場(chǎng)是由入射聲波和散射聲波疊加而成。散射聲波的圖形主要受傳遞方向與障礙物形狀的影響。 當(dāng)入射聲波繞過(guò)障礙物傳導(dǎo)其反面形成聲波的傳遞，即稱為聲波的衍射。一般，聲波越長(zhǎng)，這種現(xiàn)象越明顯。聲波波長(zhǎng)較短時(shí)，或聲波頻率較高(聲速一定)時(shí)衍射現(xiàn)象較弱。l 聲像a 聲波頻率較高時(shí)，聲波的反射性能突出，可采用聲像處理方法進(jìn)展聲波的聲壓計(jì)算，從而到達(dá)簡(jiǎn)化復(fù)雜聲源的聲傳遞問(wèn)題。使得某點(diǎn)(書(shū)中是R點(diǎn))的聲壓視為實(shí)際點(diǎn)聲源球面與虛聲源的球面聲波之和。b 反射面為剛性界面時(shí)，虛

18、聲源的強(qiáng)度應(yīng)乘以反射系數(shù)。2.5.級(jí)的概念日常生活中，正常說(shuō)話聲的聲功率為10-5W，而火箭發(fā)射時(shí)的聲功率高達(dá)109W；夜深人靜時(shí)，聲壓級(jí)可為30dB左右，而日常街面上聲壓級(jí)可達(dá)6090dB，甚至更高。一句話，聲音的能量變化范圍很廣。而剛剛提到的級(jí)概念即指：對(duì)被量度量與基準(zhǔn)量的比值求對(duì)數(shù)，這個(gè)對(duì)數(shù)值稱為被量度量的“級(jí)。P22以10為底，那么級(jí)的單位為貝爾(B)，如拆分10檔，那么級(jí)的單位為分貝(dB)；如果以e=2.71828為底，那么級(jí)的單位為奈培(Np)：l 聲壓級(jí)：用表示，定義為： d B式中：p被量度的聲壓的有效值；p0基準(zhǔn)聲壓，為20Pa，即2310-5Pa，也即正常青年耳朵剛能聽(tīng)到的1000Hz純音的聲壓值。常識(shí)：人耳的分辨能力為0.5dB。正常情況下，令人疼痛的聲壓級(jí)為120dB。l 聲功率級(jí)：用表示，定義為： d B式中：W被量度的聲功率的平均值； W0基準(zhǔn)聲功率，即10-12W；l 聲強(qiáng)級(jí)：用表示，定義為