噪声与振动控制1

噪声振动控制技术主讲：宋雷鸣北方交通大学本课程的主要内容及安排：１噪声控制技术１声学基本原理２噪声评价与测量３噪声控制技术本课程的主要内容及安排本课程的主要内容及安排噪声与振动概述1基本内容2振动噪声的研究方法波动声学几何声学统计能量分析本课程的主要内容及安排主要内容：１声学基本原理２噪声评价与测量３噪声控制技术第一部分：噪声控制技术主要内容：１声学基本原理２噪声评价与测量３噪声控制技术第一章：声音的基本性质1.1.1声音的产生声源介质a第一节：基本概念第一部分噪声控制技术声音产生的必要条件？声音波及的区域，称为声场1.1.2描述声音的基本物理量声音传播的基本方式：c幅值-声压频率相位声线速度大小音的高低初始状况方向传播的快与慢a第一章：声音的基本性质b声场：b各物理量之间的关系：1.1.3处理声学问题的基本方法波动声学几何声学(射线声学法）能量声学1波动声学法：可以说是进行声学各学科研究的最基本的和最重要的方法，其使用分子的或微粒的模型来描述波传播。一般的偏好是微粒模型，一个微粒是一个流体体积，它大到足以容纳几百万个分子，小到足以使密度、压力和温度为常数。第一章：声音的基本性质2射线声学法：通常使用在大距离户外和水下的环境中，用以描述大距离上波的传播，例如大气中用射线族来描述声波的传播和不均匀性，但必须对温度梯度和风等的影响加以考虑。在大距离上，最好用射线示踪法，因为它们近似并简化了的波动法。即所谓的统计能量分析（SEA），是用能量传递描述声波的传播，来处理声学问题的方法，它以统计量为参数，快速和有效地解答复杂结构的声振问题，该方法在的工业噪声和振动问题的分析方面，正在迅速的普及。3能量声学：第一章：声音的基本性质第二节：基本声学定律1.2.1概述压强P、质点的运动速度U、介质密度ρ温度T（1）气体是理想的气体。（2）系统为线性系统。（3）流体各项均匀（4）流体为非粘性等1、与声的传播有关的四个主要变量：2、对于声在流体中的传播做以下几个假设：第一章：声音的基本性质（1）连续性或质量守恒（2）动量守恒，（3）状态热力学方程。3、声在媒质中传播遵循如下的几个基本关系：1.2.2、质量守恒质量守恒方程（连续性）提供了密度和微粒速度之间的关系，即表示流体运动和压缩之间的关系。1单元的质量是ρAdx2流进单元体积的质量为(ρμA)X3流出单元体积的质量为（ρμA）X+dxdxxxAAt)()(Adx)(第一章：声音的基本性质0)(xtx0t动量守恒提供了压力、密度和微粒速度之间的关系。1.2.3、动量守恒PSppps)(tuVPSdxSVtuxp对于线性系统：又：则有：第一章：声音的基本性质dtxpux写成积分形式：00kzpjypixpktujtuituzyx推广到三维：1.2.4、状态热力学方程状态热力学方程将流体的压强、密度和温度联系起来对于理想的气体有：KRTprpp)(00因此理想气体的状态绝热方程为：第一章：声音的基本性质1.2.5波动方程将质量守恒方程、动量守恒方程和状态方程联立起来，可综合得到声学中更为重要的关系式波动方程。22222021tpctpBp212100pBc其中：rrpp00rPP由于：则有：第一章：声音的基本性质21rPc则有声速的表达式：第三节：平面声波的传播1.3.1声波的基本类型平面声波球面声波1.3.2平面声波2222222221tpczpypxp波动方程：第一章：声音的基本性质222221tpcxP可简化为：设X=0原点处的声压为：wtptpcos),0(0解可得声波沿X方向的传播规律：]cos[),(0cxtPtxp上面的解也可以采用如下的方法获得：当具有幅值为P0的平面声波沿X方向传播时，声场中任一点A的声压幅值也应当是P0，同样A点处的声波频率也是f，但A点处的相位却比O点落后了。A点的声波是由O点传递来的，若传播所需时间为t’，那么在t时刻A点的声压是（t-t’）时刻的0点的声压，即有：)](cos[),(,0ttPtxp第一章：声音的基本性质cxt'而：)](cos[),(0cxtPtxp则有：kxtPtxpcos),(0进而有：2ck令：),(),(txutxPZa声阻抗：第一章：声音的基本性质对于平面声波：cZa0对于非平面声波的波型，声阻抗率通常为复量，声压波动与微粒速度并不总是同相位，即波散射1.3.3声强、能量密度和声功率1、声强(soundintensity)定义为通过垂直于声传播方向之单位面积的能量流率，根据基本的动力学原理，功率=力×速度，则声过程的瞬时功率为uFw单位法向面积的功率为瞬时声强矢量I：puSuFI第一章：声音的基本性质流经单位面积的瞬时功率之时间平均为平均声强矢量I，此处：dtupTIT01对于沿正X方向传播的平面波：)cos(),(0kxtptxp)cos(),(0kxtcptxucpcpIrmse02022由此可得平均声强矢量I：2、声能密度(energydensity)：为空间每单位体积的声能第一章：声音的基本性质当体积从V0变化到V，势能就有变化。它为：VVPdVU0VmdVVmd2dpPVdVdPrPVdV00则可得到单位体积的势能为：02202022cprPpVU因：则有：进而：21rPcrPP第一章：声音的基本性质002prc其中：空间单位体积的声能量为单位体积的动能和势能之和，因此有单位体积的瞬时能量,即能量密度为：20200cpVUVTD平均声能密度为：20202022)(1cpdtctpTDeT因此有声能密度和声强之间的关系为：cID第一章：声音的基本性质一般情况下，声压和声强随着离开声源的距离增大而减小，并且是环境的函数。声源的声功率是声源的基本特性，其与距声源的距离无关。声功率(soundpower)为垂直于测量面的声强与测量面面积的乘积，可以表达为：SIdsW1.3.4、声波的叠加：声波的叠加原理：各声源激起的声波可在同一媒质中独立地传播，而在各个波的交叠区域，各点的声振动是各个波在该点激起的更复杂的复合振动。第一章：声音的基本性质设声场中存在P1，P2…，Pn，n个独立声波，在某点的声压其总声压按叠加原理为：niinppppp121......在不同条件下的叠加原理描述：a频率相同，相位差恒定：)cos(),cos(222111tPptPp2221112,2rkrrkr其中：)cos()cos()cos(221121tPtPtPpppr总声压：第一章：声音的基本性质式中：221122111122122212coscossinsintan)cos(2PPPPPPPPPr两个频率相同的声波，合成后仍是同频率的简谐波，其声压幅值为Pr，对于不同的地点，相位差=1不相同，Pr在空间分布也不相同，当=1=0，±2π，±4π……时，Pr为最大值Prmax=P1+P2，在另外的位置，当=±π，±3π，±5π，……时，Pr为最小值Prmin=P1-P2,这种Pr随着空间不同位置有极大值和极小值声压分布的声场，称驻波声场。当P1和P2相等时，Prmax=2P1，Prmin=0，驻波现象最明显，驻波的极大值和极小值分别微微波腹和波节。第一章：声音的基本性质)(2)()(121221rrtt由于这两列波频率相同，所以它们之间的相位差：从能量上来看有：)cos(2122121cPPT22222cP22112cP其中：第一章：声音的基本性质在一般的噪声环境下，所遇到的声波频率不同，或不存在固定的相位差，或者两者兼有，在此情况下将不会在出现驻波，由于相位差是随时间变化的量而人对声音的感觉是一段时间内的平均，经平均后有：0cos10dtTT21T则有：22212eeePPP即：b频率相同，相位差不固定：c频率不同，相位差不固定：)cos()cos(22211121tPtPpppT当两列声波的相位差不固定时，合成声压为：第一章：声音的基本性质)cos()cos(2)](2cos)(2cos[21)(212211212222112122212ttPPtPtPPPPT则有：进行平均后可得：22212eeePPP1.3.5声波的反射、折射和透射ⅠⅡiprptp11c22ca、边界条件0x当：21pp21uu有：1、反射和透射第一章：声音的基本性质b、在介质中有：triPPPtriUUU进一步有声压反射系数、声压透射系数：11221122ccccPPrirp1122222cccPPip声强反射系数、声强透射系数：2112211222)()(ccccPPrirI第一章：声音的基本性质21122112222211)(4)(ccccPPcciI1）对声压透射系数和声强透射系数进行分析，结果如何？2）为什么在水中不易听到岸上的讲话?2、声的折射当平面声波不是垂直入射于两介质交界面时，就会产生折射：ⅠⅡ11c22cirtri21sinsinccti问题:为什么在风天会出现顺风声音传得远的现象?第一章：声音的基本性质第四节球面声波1、定义点声源在各向同行的均匀媒质中发声时，波向各个方向传播，在同一半径的球面上声波相位相同，波阵面是一系列球面，这样的声波是球面波。2、球面声波的描述2222222221tpczpypxp波动方程：22222)),((1)),((ttrrpcrtrrp球面波动方程：第一章：声音的基本性质解方程：)cos(),(krtrAtrp特点：声压的幅值随半径的变化而变化3、质点的振动速度：dtxpux由运动方程：)cos(1112krtkrrAcur则有，质点的振动速度：其中：kr/1tan1kr当：有：)cos(1krtrAcur第一章：声音的基本性质进而有：0011PcrAcu而声强为：cPcIerA22)(21总结:球面声波在远场与平面声波具有近似性.4、声线与声象简介注意：几何声学忽略了声的波动性，一般要求声波的频率较高时才使用。第一章：声音的基本性质第五节典型声源大多数实际工程中的声源如汽车，家用电器等都可以简化为简单的声源模型，或几种简单的声源模型合成而成。因此分析典型声源的基本特性对理解实际生活中的噪声特性具有重要的意义。通常的典型声源包括：单极子声源、偶极子声源、同相点声源、四极子声源、柱形线声源等。1.5.1、单极子(monopole)声源（点声源）单极子声源指的是球面形声源，其向球面周围辐射声波并且声波的强度与距球面的距离有关。22222)),((1)),((ttrrpcrtrrp第一章：声音的基本性质假设声源表面沿法向振动，速度为：wtUuacos0则解此方程可空间任一点的声压为：)cos(),(krtrAtrp其中：，a为声源的半径。220)(1)(kakacaUA质点的振动速度：)cos(1112krtkrrAcur进而有声阻抗：22222200111rkkrir