聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律

聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)聲波的產(chǎn)生及其描述第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一.聲波的產(chǎn)生1.聲源第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六2.聲波的形成聲源的振動引起其周圍彈性媒質(zhì)的振動而產(chǎn)生聲波.

聲波可以在空氣.液體和固體中傳播.

在空氣中,聲波是縱波.

在固體和液體中既可能存在聲波的縱波，也可能存在橫波.第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六注意:

縱波和橫波都是通過相鄰質(zhì)點(diǎn)間的動量傳遞來傳播能量的，而不是由物質(zhì)的遷移來傳播能量的。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.描述聲波的基本物理量1.波長2.周期3.頻率4.聲速第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)聲波的基本類型一般常用聲壓來描述聲波,根據(jù)聲波傳播時波陣面的形狀不同可以將聲波分成:(1)平面聲波(2)球面聲波(3)柱面聲波第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一.平面聲波當(dāng)聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時,就稱其為平面聲波.波陣面是指空間同一時刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線.通常可以將各種遠(yuǎn)離聲源的聲波近似的看成平面聲波.第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.球面聲波聲源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長時,或者測量點(diǎn)離聲源相當(dāng)遠(yuǎn)時,可以將聲源看成一個點(diǎn),稱為點(diǎn)聲源.在各相同性的均勻媒質(zhì)中，從一個表面同步脹縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波是球面聲波,也就是在以聲源為球心,以任何R值為半徑的球面上聲波的相位相同.球面聲波的一個重要特點(diǎn):振幅隨傳播距離R的增加而減少，二者成反比關(guān)系.第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.柱面聲波波陣面是同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波,其聲源可看作”線聲源”.柱面聲波的振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比.第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六四.聲線聲線也叫聲射線,是自聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線.在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線.當(dāng)聲頻率較高,傳播途徑中遇到的物體的幾何尺寸比聲波波長大很多時,可以不計聲波的波動特性,直接用聲線來處理.第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六五.聲能量.聲強(qiáng).聲功率1.聲能量聲波使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動,產(chǎn)生動能;其又使媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹的疏密過程,使媒質(zhì)具有變形的勢能,這兩部分能量之和就是由于聲擾動使媒質(zhì)得到的聲能量.

聲場中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量稱為聲能密度.第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六2.聲強(qiáng)聲場中某點(diǎn)處與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積上在單位時間內(nèi)通過的聲能稱為瞬時聲強(qiáng),對于穩(wěn)態(tài)聲場,聲強(qiáng)是指瞬時聲強(qiáng)在一定時間T內(nèi)的平均值.第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.聲功率將單位時間內(nèi)通過某一面積的聲能稱為聲功率或者聲能通量.

聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射的總能量稱為聲源功率.第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié).聲波的疊加一.相干波當(dāng)有兩個以上的聲源同時存在，其聲波頻率相同，振動方向相同且存在恒定的相位差,則其合成的聲波的在空間某些位置振動始終加強(qiáng),在另一些位置振動始終減弱，此現(xiàn)象稱為干涉現(xiàn)象.

這種具有相同頻率相同振動方向和恒定相位差的聲波稱為相干波.第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.駐波當(dāng)幾個聲源合成的聲波的聲壓值隨空間不同位置有極大值和極小值分布的周期波為駐波,其聲場稱為駐波聲場.

駐波的極大值和極小值分別稱為波腹和波節(jié).第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.不相干波幾個聲源產(chǎn)生的聲波在頻率上不同,或者不存在固定的相位差,則稱為不相干波.

不相干波疊加后的合成聲場不會出現(xiàn)駐波現(xiàn)象.第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六四.聲音的頻譜實(shí)際生活中的聲音都不會是單個頻率的純音,一般是由不同頻率組合而成的復(fù)合聲.

以頻率為橫軸,以聲壓為縱軸,可以繪出聲音的頻譜圖.

對于周期振動的聲源，其產(chǎn)生的聲音是線狀譜,對于線狀譜聲音可以確定單個頻率處的聲壓.第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第四節(jié).聲波的傳播聲波在空間傳播的過程中會遇到各種障礙物或者不同媒質(zhì)的界面,這就會產(chǎn)生聲波的反射.透射.折射和衍射現(xiàn)象.

聲波的這些特性與光波十分相近.第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一.垂直入射聲波的發(fā)射和透射當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時,一部分會經(jīng)界面反射返回到原來的媒質(zhì)中，稱為反射波,一部分將進(jìn)入另一種媒質(zhì)中稱為投射波.示例見圖2-6第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.斜入射聲波的入射.反射和折射當(dāng)聲波傾斜入射于兩媒質(zhì)的界面時,會產(chǎn)生聲波的反射和折射.反射波與法向成Qr角,在第二個媒質(zhì)中,透射聲波與法向成Qt角,投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。入射聲波.反射聲波與折射聲波的傳播方向滿足Snell定律反射定律:Qi=Qr折射定律:sinQi/sinQr=c1/c2第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.聲波的散射與衍射如果障礙物的表面很粗糙或者其大小與波長差不多,入射聲波就會想各個方向散射.總聲場是由入射聲波與散射聲波疊加而成的.對于低頻情況,在障礙物背面散射波很弱,總聲場基本等于入射聲波產(chǎn)生的聲場，即入射聲波能夠繞過障礙物傳到其背面形成聲波的衍射.

波長越大,衍射現(xiàn)象越明顯.第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六四.聲像當(dāng)聲波頻率較高,傳播途徑中遇到的障礙物的幾何尺寸相對于聲波波長大很多時,可以不考慮聲波的波動特性,直接用直線來討論聲傳播問題.

入射波遇到障礙物表面而產(chǎn)生反射，反射波可看成從一個虛聲源發(fā)出的，此虛聲源稱為該聲源的聲像.第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第五節(jié)級的概念日常生活中人們遇到的聲音的強(qiáng)度變化范圍非常寬,對于這么廣闊范圍的能量變化，直接使用聲功率和聲壓的數(shù)值來表示很不方便;另外人耳對聲音強(qiáng)度的感覺并不正比于其強(qiáng)度的絕對值,而是更接近于正比于其對數(shù)值.因此要使用對數(shù)標(biāo)度(級的概念).第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一.分貝的定義用對數(shù)標(biāo)度時必須先選定基準(zhǔn)量(參考量),然后對被量度量與基準(zhǔn)量的比值求對數(shù)，這個對數(shù)值稱為被量度量的”級”,如果所取對數(shù)是以10為底,則級的單位為貝爾,其1/10稱為分貝.若所取對數(shù)是以e為底,則級的單位稱為奈培奈培與分貝的關(guān)系:1Np=8.686dB第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二、噪聲的物理量度（一）聲壓和聲壓級（二）聲功率和聲強(qiáng)（三）聲功率級和聲強(qiáng)級第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（一）聲壓和聲壓級聲波是疏密波，在空氣中傳播時，它使空氣時而變密——壓強(qiáng)增高；時而變稀——壓強(qiáng)降低。這種在大氣壓力上起伏的部分就是聲壓。聲壓是衡量聲音大小的尺度，通常用p來表示，單位為Pa。聲學(xué)上普遍使用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓，稱為聲壓級，其定義是聲壓平方和1000Hz純音的聽閾聲壓平方比值的對數(shù)，單位是貝爾。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（二）聲功率和聲強(qiáng)聲功率是描述聲源性質(zhì)的物理量，聲功率反映的是單位時間內(nèi)聲源向外輻射的總能量聲強(qiáng)與聲壓幅值的平方成正比，聲強(qiáng)還與傳聲媒質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)

第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（三）聲功率級和聲強(qiáng)級以1pW為基準(zhǔn)，定義聲功率級為式中Lw——聲功率級，單位為dB。聲強(qiáng)級是以1000Hz純音的聽閾聲強(qiáng)值1pW/m2為基準(zhǔn)定義的，即

第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.級的疊加進(jìn)行級的疊加時要進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算.具體見課本P24的公式2-42不相干的兩個相同聲壓級的疊加是增加3分貝.若Lp1比Lp2高出10分貝以上,則總聲壓近似等于Lp1.第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六注意:若兩個聲源發(fā)出的是相干波,這時應(yīng)先由公式2-20求出瞬時聲壓,再由瞬時聲壓求出總聲壓的有效值,然后根據(jù)定義求出總聲壓級.第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六四.級的相減在噪聲測量時往往受到外界噪聲的干擾,需要從總聲壓級中扣除設(shè)備停止運(yùn)行時的背景噪聲聲壓級,這就是級的相減.注意:級的相減是聲能量相減.第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第六節(jié).聲波在傳播中的衰減聲波在傳播過程中引起的衰減包括:聲能隨距離的發(fā)散傳播引起的衰減Ad空氣吸收引起的衰減Aa地面吸收引起的衰減Ag屏障引起的衰減Ab氣象條件引起的衰減Am第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六一.聲能隨距離的發(fā)散傳播引起的衰減Ad聲波從聲源想周圍空間傳播時會產(chǎn)生發(fā)散在自由聲場中，當(dāng)聲功率不變時,則聲強(qiáng)與距離的平方成反比的規(guī)律減小.從距離R1傳播到R2時的發(fā)散衰減為:第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.空氣吸收的附加衰減Aa聲波在空氣中傳播時,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.當(dāng)聲波的頻率接近空氣分子轉(zhuǎn)動或振動的固有頻率時,會發(fā)生能量交換，能量交換的過程都有滯后的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為弛豫吸收.第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.地面吸收引起的衰減Ag當(dāng)聲波沿地面?zhèn)鞑r,會受到各種復(fù)雜的地面條件的影響而產(chǎn)生附加衰減.短距離(30-50米)其衰減可以忽略，在70米以上則不能忽略.不同的地面情況引起的聲波衰減是不同的近似計算公式為:Ag1=(0.18lgf-0.31)df:頻率d:傳播距離第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六四.聲屏障引起的衰減Ab當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在障礙物時會產(chǎn)生顯著的附加衰減,這樣的障礙物稱為聲屏障.聲波遇到聲屏障時會產(chǎn)生反射.透射和衍射現(xiàn)象,聲屏障的作用就是阻止直達(dá)聲的傳播,隔絕透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減.第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六五.氣象條件引起的衰減Am

雨.雪.霧等對聲波的散射會引起聲能的衰減,但影響較小,大約1000米衰減不到0.5dB.風(fēng)和溫度梯度對聲波傳播的影響很大第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第七節(jié).聲源的輻射一.點(diǎn)聲源可看作點(diǎn)聲源的條件：聲波波長遠(yuǎn)大于聲源半徑。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六二.聲偶極子兩個相距很近的點(diǎn)聲源,他們的振動幅值相同，但是相位相反，由這兩個點(diǎn)聲源構(gòu)成的合成聲源稱為聲偶極子.聲偶極子產(chǎn)生的聲壓在空間的分布有很強(qiáng)的方向性.在聲偶極子軸線方向cosQ的絕對值=1,聲壓最大，在垂直軸線的中線方向cosQ=0,聲壓為0.第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六對于同樣源強(qiáng)Q,聲偶極子產(chǎn)生的聲源比點(diǎn)聲源的聲壓要小得多，聲輻射功率正比于聲壓幅值的平方,因此聲偶極子的輻射效率很差.第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六三.線