聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律

聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律第1頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1Chapter2

聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律

2.1

聲音的產(chǎn)生及描述方法2.2

聲波的描述2.3

聲波的傳播特性2.4

聲源的輻射特性第2頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月22.1聲音的產(chǎn)生及描述方法物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。

聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱作聲源。第3頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月32.1聲音的產(chǎn)生及描述方法聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波。聲場(chǎng)：有聲波傳播的空間叫聲場(chǎng)。聲音傳播的實(shí)質(zhì)：聲音傳播是指物體振動(dòng)形式的傳播。第4頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月42.2

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

聲波的類型第5頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月52.2.1描述聲波的基本物理量第6頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月62.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開(kāi)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。周相第7頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月72.2.1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)<2020-20000>20000聲音次<500500-2000>2000超低頻聲中頻聲高頻定義聲音頻聲聲第8頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月82.2.1描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：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(zhǎng)，或者說(shuō)聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。第9頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月92.2.1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）第10頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月101.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

聲波的物理量度第11頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月112.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)第12頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月121.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。第13頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月13

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(tīng)到最弱聲2X10-5織布車間2普通說(shuō)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日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù)(Pa)第14頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14c.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。

第15頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月152.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(guò)單位面積的聲能量，稱為聲音的強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米

。第16頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月16b.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。第17頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：第18頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月183.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量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。第19頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月19b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積第20頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。第21頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月214.聲能密度定義：聲場(chǎng)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：

第22頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月225.頻程和頻譜：a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。第23頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月23常見(jiàn)噪聲的頻譜圖第24頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月245.頻程和頻譜：b.

頻程：為方便起見(jiàn)，通常將寬廣的音頻變化范圍劃分為若干個(gè)較小的頻段，稱為頻段或頻程。第25頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月25**聲級(jí)的運(yùn)算

a.聲級(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)，第26頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月26a.聲級(jí)的疊加（公式法）

由于：代入上式：第27頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月27a.聲級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：第28頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月28a.聲級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：則：代入下式中：可得：第29頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月29a.聲級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：第30頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月30a.聲級(jí)的疊加：△Lp第31頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月31a.聲級(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)第32頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月32b.聲級(jí)的相減儀器測(cè)的噪聲聲源真實(shí)噪聲背景噪聲第33頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月33b.聲級(jí)的相減第34頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月34b.聲級(jí)的相減：

第35頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月352.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：或第36頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月362.2.2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。第37頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月372.2.2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。第38頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月381.平面聲波：第39頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月391.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：第40頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月401.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅第41頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月411.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（Pa·s/m）第42頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月421.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。第43頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月432.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。a.波動(dòng)方程：對(duì)于從球心向外傳播的簡(jiǎn)諧球面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。第44頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月442.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。第45頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月453.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(chǎng)簡(jiǎn)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。第46頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月463.柱面聲波：

b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。第47頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月472.2.2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)出的半徑線線聲源第48頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月482.3聲波的傳播特性2.3.1聲場(chǎng)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第49頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月492.3.1

聲場(chǎng)（SoundField）1.聲場(chǎng)的概念：聲場(chǎng)是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ目臻g。按聲場(chǎng)的性質(zhì)可以將聲場(chǎng)分為：自由聲場(chǎng)；擴(kuò)散聲場(chǎng)；半自由聲場(chǎng)

第50頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月502.聲場(chǎng)的分類自由聲場(chǎng):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(chǎng)稱為自由聲場(chǎng)。第51頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月51自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室第52頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月52自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室第53頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月532.聲場(chǎng)的分類擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）: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，那么這樣的聲場(chǎng)就叫做擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）。半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):第54頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月542.聲場(chǎng)的分類半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):第55頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月552.3.2聲波的反射、透射、折射piptpr第56頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月561.聲波的反射定律與折射定律入射聲波、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：第57頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月57c.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(tīng)清？第58頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月58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)？第59頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月59思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽(tīng)清？第60頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月602.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。第61頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月61a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，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：第62頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月62b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：第63頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月633.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α也與入射的方向有關(guān)。第64頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月644.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：第65頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月652.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射在聲波傳播過(guò)程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長(zhǎng)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)。第66頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月662.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：在聲波傳播過(guò)程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長(zhǎng)比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過(guò)障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。第67頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月672.聲波的衍射第68頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月682.3.4聲波的疊加

1.聲壓的疊加2.能量的疊加第69頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月692.3.4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。第70頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月70聲波的干涉現(xiàn)象第71頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月712.3.5

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）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

）第72頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月72

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。第73頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月73

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：第74頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月74

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：

將W0=10-12W、I0=10-12W代入式中便得到：

第75頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月75

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：第76頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月76

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：第77頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月77

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：第78頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月78c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無(wú)限長(zhǎng)線聲源：r0>L/π，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr0第79頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月79d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a/π≤r0<b/π,面聲源視為無(wú)限長(zhǎng)線聲源來(lái)計(jì)算。r0>b/π，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0a<b第80頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月80

2.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(guò)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(guò)程都有滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為弛豫吸收。第81頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月81

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(lái)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，m第82頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月82

2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)于不同溫度，可采用下式來(lái)估算：

與20℃相差的攝氏溫度β=4×10-6第83頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月83

3.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。第84頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月84

3.地面吸收的附加衰減聲波在厚的草地上面或穿過(guò)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)

25/100mdB。附加衰減量的近似計(jì)算公式為：聲波的頻率，Hz傳播距離，m第85頁(yè)，課件共95頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月85

3.地面吸收的附加衰減聲波穿過(guò)樹(shù)木或者森林時(shí)，不同樹(shù)林的衰減相差很大，在1000赫茲時(shí)：濃密的常綠樹(shù)樹(shù)冠23dB／100m地面上稀疏的樹(shù)干3dB／100m各種樹(shù)林平均的附加衰減大致為：第86頁(yè)，