《聲學(xué)基本知識(shí)》PPT課件

1、環(huán)境噪聲控制工程Chapter 2 聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 2.1 聲音的產(chǎn)生和傳播2.2 聲波的描述2.3 聲波的傳播特性2.4 聲源的輻射特性2.1聲音的產(chǎn)生和傳播物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。 聲源：凡能產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱作聲源。2.1.2 聲音的產(chǎn)生和傳播 聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波。聲場：有聲波傳播的空間叫聲場。聲音傳播的實(shí)質(zhì):聲音的傳播是物體振動(dòng)的傳播聲音產(chǎn)生于物體的振動(dòng)并通過氣體、液體或固體以波的形式進(jìn)行傳播，聲音是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，即波動(dòng)。2.2 聲波的描述 2.2.1 描述聲波的基本物理量2.2.2 聲音的物理量度2.2.3 聲波的類型2.2.1 描述聲波的基本物理量振幅

2、位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相2.2.1 描述聲波的基本物理量1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)每往復(fù)一次所需要的時(shí)間，單位為秒（s）。2.聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。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2.2.1 描述聲波的基本物理量3.波長：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長，或者說聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。2.2.1 描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會(huì)隨環(huán)境的溫度有一些變化。媒質(zhì)名稱空氣

3、水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速3441372304836535182121933534267表 21.1 時(shí)聲速近似值（m/s）1. 聲壓與聲壓級(jí)2. 聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)3. 聲功率與聲功率級(jí)4. 聲能密度5. 頻譜和頻程2.2.2 聲波的物理量度2.2.2 聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)1.聲壓和聲壓級(jí) a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求方均根值即得有效聲壓。 1.聲壓和聲壓級(jí)：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(yuǎn)處）2X10-2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、球磨機(jī)20公共汽車內(nèi)0.2噴氣飛機(jī)起飛200日常

4、生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa)人耳感覺聽閾到痛閾的范圍是: 210-5 20 Pac. 聲壓級(jí):該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘20，即： 1.聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝。 用聲壓級(jí)表示人耳聽閾與痛閾范圍是:0 120 dB2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.聲強(qiáng):在聲傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能量，稱為聲音的強(qiáng)度，簡稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米 。b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：3.聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，單位是瓦。意義：聲功率是衡量聲源聲能

5、量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。4.聲能密度定義：聲場中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。 對(duì)于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言： 5. 聲音的頻率分析(頻程和頻譜) （1）頻段及其劃分頻段名稱頻率范圍（Hz）次聲10-420可聽聲202104超聲2104 5108特超聲5108 1012熱振動(dòng)1012 1014（2）倍頻程n 倍頻程數(shù)，正實(shí)數(shù)f1,f2任一頻程的上限和下限頻率（3）中心頻率頻程又稱頻帶。兩個(gè)聲或其他信號(hào)的頻率間的距離,是頻率的相對(duì)尺度。以高頻與低頻的率比的對(duì)數(shù)來表示。此對(duì)數(shù)通常以2為底,單位

6、稱為倍頻程(oct)。也可以以10為底的對(duì)數(shù)表示,此時(shí)單位為10倍程。 每頻程的上限與下限頻率的幾何平均值稱為該頻程的中心頻率中間8段稱為倍頻程中心頻率。將每一倍頻程再分為3份，稱為1/3倍頻程中心頻率。噪聲測量最常用的是倍頻程中心頻率和1/3倍頻程中心頻率。聲音可以分解為若干（甚至無限多）頻率分量的合成。為了測量和描述聲音頻率特性，人們使用頻譜。頻率的表示方法常用倍頻程和1/3倍頻程。倍頻程的中心頻率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz十個(gè)頻率，后一個(gè)頻率均為前一個(gè)頻率的兩倍，因此被稱為倍頻程，而且后一個(gè)頻率的頻率帶寬也是前一個(gè)頻率的兩倍。在有些更為精

7、細(xì)的要求下，將頻率更細(xì)地劃分，形成1/3倍頻程，也就是把每個(gè)倍頻程再劃分成三個(gè)頻帶，中心頻率是20、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1K、1.25K、1.6K、2K、2.5K、3.15K、4K、5K、6.3K、8K、10K、12.5K、16K、20KHz等三十個(gè)頻率，后一個(gè)頻率均為前一個(gè)頻率的21/3倍。 （5）頻譜分析：使聲音的強(qiáng)度成為頻率的函數(shù)并考察其變化規(guī)律 以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。線譜連續(xù)譜混合譜噪聲頻譜分析的目的：分析了解噪聲的成分和性質(zhì)，了解峰值噪聲在 低頻、中頻、還是高頻

8、段，為噪聲控制提供依據(jù)*級(jí)的運(yùn)算 a.級(jí)的疊加（公式法） 當(dāng)n個(gè)聲源互不干涉時(shí)：當(dāng)n=2時(shí)，a.級(jí)的疊加（公式法） 由于：代入上式：a.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）： 令：則：代入下式中：可得：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）： 令：a.級(jí)的疊加：Lpa.級(jí)的疊加： 求出總聲壓的有效值當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：先求出瞬時(shí)聲壓求出總聲壓級(jí)b.級(jí)的相減儀器測的噪聲聲源真實(shí)噪聲背景噪聲b.級(jí)的相減b.級(jí)的相減： （1）按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)與波動(dòng)傳播方向的關(guān)系分：橫波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)和波動(dòng)的傳播方向相垂直的聲波?？v波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)和波動(dòng)的傳播方向相一致的聲波。 在本課程中，主要討

9、論聲波在空氣的傳播，空氣具有體積彈性，聲波在空 氣中主要以縱波形式傳播。（2）按波陣面分：波陣面：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其相位相同的各點(diǎn)連成的面稱為波陣面 球面波：波陣面為以聲源為中心的同心球面平面波：波陣面與傳播方向垂直的波柱面波：波陣面是同軸柱面的波 （3）按介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的連續(xù)性分：連續(xù)波：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)均作連續(xù)不斷地振動(dòng)。脈沖波：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)均作單個(gè)的或間歇的脈沖運(yùn)動(dòng)。 2.2.3 聲波的類型聲波的波動(dòng)方程1 目的：為了定量地研究聲波在介質(zhì)中傳播的規(guī)律，就必須首先了解介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)這些物理量(聲壓、密度、振動(dòng)速度)之間的基本關(guān)系，從而推導(dǎo)出描述介質(zhì)聲場中物理量的

10、波動(dòng)方程式 。2 方法：為了確定聲壓、密度、振動(dòng)速度三個(gè)物理量之間關(guān)系，我們從物理概念出發(fā)來建立各變量間相互關(guān)系的方程式，這三個(gè)方程式是：1).運(yùn)動(dòng)方程（牛頓第二定律的應(yīng)用）給出了p和u之間的關(guān)系。2).連續(xù)性方程質(zhì)量不滅定律的應(yīng)用）給出了u和（密度）之間的關(guān)系。3).物態(tài)方程（絕熱壓縮定律的應(yīng)用）一給出了p和之間的關(guān)系。 聯(lián)立以上三個(gè)方程，即可求出波動(dòng)方程-p、u和對(duì)時(shí)間空間坐標(biāo)的偏微分方程式。從而建立聲波的波動(dòng)方程。 3 方程的基本假設(shè)1).介質(zhì)是理想介質(zhì)，即不考慮介質(zhì)的粘滯阻力和熱交換，因而假設(shè)在聲波的傳播過 程中沒有能量的損耗，介質(zhì)對(duì)聲能沒有吸收。由于假?zèng)]過程進(jìn)行得很怏，因此可 以認(rèn)為

11、介質(zhì)體積發(fā)生形變時(shí)沒有熱交換，即為絕熱過程。2).假設(shè)聲波是小振幅聲波，即滿足： 聲壓P比大氣壓Po要小得很多，即 P Po 質(zhì)點(diǎn)的位移比波長要小得很多，即 ； 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度u比聲速c要小得很多，即 u c， 介質(zhì)密度的相對(duì)變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，即3).介質(zhì)在宏觀上處于靜止?fàn)顟B(tài)，并忽略介質(zhì)體元本身的自重作用。 上述假設(shè)總稱為理想流體介質(zhì)小振幅假定。在實(shí)際情況下，這些是很容易滿足的滿足其中一個(gè)，其它的也就滿足了。 運(yùn)動(dòng)方程連續(xù)性方程物態(tài)方程消去p、u、中任意兩個(gè)可得聲壓波動(dòng)方程在三維直角坐標(biāo)系中：在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：或在球坐標(biāo)系中：在圓柱坐標(biāo)系中：在直角坐標(biāo)系中：半徑方向角極

12、角圓柱截面直徑Z軸坐標(biāo)方向角聲波的類型波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。 根據(jù)波振面的形狀可將聲波分為不同的類型。聲線：常稱為聲射線，就是子聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。2.2.3 聲波的類型1.平面聲波：聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱其為平面聲波。波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面稱為波前。1.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡諧振動(dòng)而言：1.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：對(duì)于簡諧振動(dòng)而言：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅1.平面聲波：c.聲阻抗率：對(duì)于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pas/m）1.平

13、面聲波：d.聲線：也稱聲射線,指自聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線.在平面聲波中,聲線表示相互平行的一系列直線。2.球面聲波：波陣面是以任何r值為半徑的球面。 a.波動(dòng)方程：對(duì)于從球心向外傳播的簡諧球面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨傳播距離r的增加而減少，二者成反比關(guān)系。2.球面聲波：b.聲線： 是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。3.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。a.波動(dòng)方程：對(duì)于遠(yuǎn)場簡諧柱面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。3.柱面聲波： b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。2.2.2聲波的類型 聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳播方向的平面相

14、互平行的直線 平面聲源球面聲波以任何值為半徑的球面由聲源發(fā)出的半徑線 點(diǎn)聲源柱面聲波同軸圓柱面線聲源發(fā)出的半徑線 線聲源2.3 聲波的傳播特性2.3.1 聲場2.3.2 聲波的反射、透射、折射 2.3.3 聲波的散射與衍射 2.3.4 聲波的疊加2.3.5 聲波在傳播中的衰減2.3.1 聲場（Sound Field）1.聲場的概念：聲場是指傳播聲波的空間。按聲場的性質(zhì)可以將聲場分為：自由聲場；擴(kuò)散聲場；半自由聲場 2. 聲場的分類自由聲場:我們把可以忽略邊界影響，由各向同性的均勻介質(zhì)形成的聲場稱為自由聲場。2. 聲場的分類擴(kuò)散聲場（混響聲場） :如果室內(nèi)各處的聲壓級(jí)幾乎相等，聲能密度也處處相等

15、，那么這樣的聲場就叫做擴(kuò)散聲場（混響聲場）。半自由聲場(半擴(kuò)散聲場):2. 聲場的分類半自由聲場(半擴(kuò)散聲場):聲波的反射、透射、折射apiptpr1.聲波的反射定律與折射定律a入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿足Snell定律：a.反射定律：b.折射定律：c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：聲波的折射是由聲速?zèng)Q定的。思考題：1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？2.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。聲壓的透射系數(shù)為透射聲壓與入射聲壓的比值。a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上

16、，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：可以導(dǎo)出：b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：3. 吸聲系數(shù)定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱為吸聲系數(shù)。 rp 的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此也與入射的方向有關(guān)。4.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù) 當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：2.3.3 聲波的散射與衍射1.聲波的散射在聲波傳播過程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長差不多，則當(dāng)聲波入射時(shí)，就產(chǎn)生各個(gè)方向的反射，這種現(xiàn)象稱為散射。聲波的散射既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)

17、。 2.3.3 聲波的散射與衍射2.聲波的衍射： 在聲波傳播過程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。2.3.4 聲波的疊加 1.聲壓的疊加2.能量的疊加2.3.4聲波的疊加 3.聲波的干涉現(xiàn)象:兩列波的頻率相同，振動(dòng)方向相同和具有恒定相位差的聲波，合成聲仍是同一頻率的振動(dòng)，在空間某一些位置的振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置的振動(dòng)始終減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源。 2.3.5 聲波在傳播中的衰減1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa

18、）3.地面吸收的附加衰減（Ag）4.聲屏障衰減（Ab）5.氣象條件的影響（Am ）1.擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)散衰減的定義：由于波陣面的擴(kuò)展而引起的聲強(qiáng)隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)可表示為： 1.擴(kuò)散引起的衰減由于： 將W0=10-12 W、I0=10-12 W代入式中便得到： 1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可表示為：a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)： 因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減：b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為： 因此從r1處傳播到r2處時(shí)的發(fā)散衰減：c.線聲源

19、的擴(kuò)散衰減r0L/，線聲源視為無限長線聲源：r0L/，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr0d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0a /，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a /r0b /，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0ab2.空氣吸收引起的附加衰減空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過程中，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，稱為空氣吸收。這種吸收稱為經(jīng)典吸收。弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)時(shí)存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時(shí)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對(duì)于噪聲控制工程，可以采用下面的半經(jīng)驗(yàn)公式來估算空氣吸收衰減。在20時(shí)： 聲波的頻率，Hz相對(duì)濕度傳播距離，m2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)于不同溫度，可采用下式來估算： 與20相差的攝氏溫度=410-63.地面吸收的附加衰減當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r(shí)：地面吸收將會(huì)對(duì)聲傳播產(chǎn)生附加衰減，但短距離（30-50m）其衰減可以忽略，而在70m以上應(yīng)予以考慮。3.地面吸收的附加衰減聲波在厚的草地上面或穿過灌木叢傳播時(shí)，在頻率為1000Hz時(shí)的附加衰減較大，可高達(dá) 25/100m dB。附加衰減量的近似計(jì)算公式為：聲波的頻率，Hz傳播距離，m3.地面吸收的附加衰減聲波穿過樹木或者森林時(shí)，不同樹林的衰減相差很大，在1000赫茲時(shí)：濃