声学原理绪论

11声学基础声学基础蒋伟康蒋伟康Email:[e-mail]上海交通大学机械与动力工程学院振动、冲击、噪声研究所2声学基础声学基础1绪论2声波的基本性质3管道声学4声波的辐射5声波的接收与散射6室内声学3第第11章章绪绪论论声学基础声学基础1.1声与噪声的概念1.2声学发展历史1.3声学研究范畴1.4课程内容1.5参考书目4第1章绪论›声：–声音的世界：自然界中的声音,音乐，语言，噪声–波动现象，曾发生过波动说和粒子说的争论–声波：在弹性媒质中传播的扰动–声音：人耳可听声–声源——媒质——受者–物体振动——媒质传播——听觉器官或传感器产生反应–一种物质波，需要媒质（光波，无线电波为电磁波）›噪声的定义：–生理学：不需要的声音。（与时、人、环境、目的有关）–物理学：不协调音为噪声，协调音为乐音。–噪声：频率、声强不同声波的无规则组合。–噪声：对人起作用的不愉快声。人——声1.1声与噪声的概念25第1章绪论1.1声与噪声的概念›研究声波的产生、传播、接收和效应的科学,关于声音的学问›应用声学科学原理改造人类的物质环境声学（Acoustic）61.2声学发展历史灿烂的古代声学•最早的声音研究：自然声音、人类声音、语言、音乐、乐器，房间声学特性•声波和水波的类比，共振、天坛•古代乐器，编钟，调音•乐律：三分损益法第1章绪论7经典声学发展史›人们常将18，19世纪欧洲的声学发展称之为经典声学›这里主要从经典声学对声音的产生，传播和接收三方面的研究分别来介绍18，19世纪这近200多年的历史中，这些伟大的科学家们对声音的探索和认识第1章绪论1.2声学发展历史8声音的产生›通常认为最早研究乐器声音起源的人是希腊哲学家彼得格拉斯Pythagoras›他发现当把两根拉直的弦底部扎牢时，高音是从短的那根弦发出的第1章绪论1.2声学发展历史39声音的产生›意大利的伽利略(GalileoGalilei)在17世纪初作了单摆及弦的研究，得到单摆的周期及弦的振动发声特性。›发现钟摆的周期与振幅无关，而只依赖于决定振动频率的悬线长度，强调了频率的重要性。›发现弦振动频率依赖于弦的长度，紧绷度和密度第1章绪论1.2声学发展历史10声音的产生›法国人IssacBeeckman(1588-1637)早在1618年证明了他关于基频和谐频之间的关系的想法，并给出了它的特征参量第1章绪论1.2声学发展历史11声音的产生›彻底解决基频和谐频之间关系的是法国人索沃JosephSauveur(1653-1716)›发现了拍音，意识到两个基频稍有不同的风琴管一起发生时产生节拍的重要性，并用人耳听起来相差半音的两个风琴管计算基频。›1700年，利用弦的振动实验计算出一个给定伸展弦的频率›第一个提出“Acoustic”的名词第1章绪论1.2声学发展历史12声音的产生›英国数学家泰勒于1713年提出泰勒无穷级数定理›经典声学的发展离不开数学理论的突飞猛进，正是无穷级数泰勒定理的发明，我们才可以第一次给出振动弦的严格动态解。第1章绪论1.2声学发展历史413声音的产生›法国人达朗贝尔d’Alembert通常被誉为第一个以我们现在所参考的行波方程的形式，于1747年给出振动弦的部分差分方程。他也得到了行波在弦两端传播时的通解第1章绪论1.2声学发展历史14声音的产生›伟大的数学家拉格朗日Lagrange于1759年在给都灵学院的一篇内容广博的论文中，采用了一种与众不同的弦问题解法，他假定弦是数量有限且空间和质量相等的元段连接而成的，这些元段都来自于没有质量的伸展弦。第1章绪论1.2声学发展历史15声音的产生›对管中声传播的研究中最富盛名的是瑞士著名数学家欧拉Euler，当时的Euler年仅20岁，关于管道的意义的本质特征的研究水平实际已达到了现在的水平。›不仅如此，Euler在棒、膜的振动方程的建立与求解也有很多建树›1850年，基尔霍夫G.R.Kirchhoff求得板的严格解第1章绪论1.2声学发展历史16声音的产生›由重叠定理的提示用正余弦的无穷级数来表示振动弦的初始形状，在18世纪中叶的数学水平下是很困难的。›傅立叶Fourier在他的分析理论中，提出了对声学发展具有巨大价值的序列扩展理论，上述问题才变得有可能解决。第1章绪论1.2声学发展历史517声音的产生›声音的产生剩下的历史，从很大程度上来说就是电声学的发展，瑞利Rayleigh和他的继承者们对此作出了巨大贡献第1章绪论1.2声学发展历史18声音的传播›最早记录显示，大家认为声音在空气中的传播是通过空气的运动实现的。›亚里士多德Aristotle认为声音是压缩空气产生的，无确切的声波概念，他和助手都认为空气不是整个沿传播方向流动的，这个使得当时科学界很难理解第1章绪论1.2声学发展历史19声音的传播›1660年，波意略利用气泵抽取空气，发现声音强度明显变小，由此推断空气是声传播的一种媒介。第1章绪论1.2声学发展历史20声音的传播›确认了空气是声传播的媒介后，问题产生了：声传播速度是多少？第1章绪论1.2声学发展历史621声音的传播›1808年,法国人Biot通过控制时间的方式测量了铁管中声速。›1826年，瑞典人Colladon在日内瓦湖测量了水中声速：1435m/s第1章绪论1.2声学发展历史22声音的传播›声与水波比拟历史悠久，第一个基于声的波动理论的数学理论研究由牛顿Newton完成。›他于1867年在著作《自然哲学的数学原理》中表述：声在传播过程中引起介质振动，这个振动会使临近的媒质振动，这样不断延续下去›牛顿声速公式：《自然哲学的数学原理》书中推导出声速等于大气压力与密度之比的平方根，288m/s第1章绪论1.2声学发展历史23声音的传播›可以清晰的看到，没有流体中声波波动方程的建立和解答，声传播的问题就无法解决›达朗贝尔第一个于1747年推导出波动方程(波动中某量的二阶时间微商等于同一量的二阶空间微商乘以声速平方)，并得到方程通解。他认为该公式可用于声波，但没有获得多少细节，最终还是由欧拉解决了这个问题›欧拉于1759年在柏林学会的3篇论文建立了空气中声波波动理论的基础›根据同一时期都灵学会的记载，拉格朗日修正了牛顿的理论也得到了类似的结论第1章绪论1.2声学发展历史24声音的传播›直到1817年法国大数学家拉普拉斯Laplace指出，牛顿和拉格朗日在采用恒温过程中的空气体积弹性模量不正确，导致声速公式错误，由于声波中压力变化非常快，不能达到热平衡，声波中空气压缩和稀疏变化应满足绝热过程假设，推导出正确的声速公式：›130年的时间才解决了声速公式00/cPcγ=第1章绪论1.2声学发展历史725声音的传播›18世纪末和19世纪的前25年间在连续介质中声波的理论取得了巨大进步，大部分以达朗贝尔于1747年发现的声波方程通解为基础。›1820年，法国数学家泊松Poisson攻克了关于压缩性波在三维流体介质中传播的很多难题，及开管、闭管声传播的严格解。›德国物理学家赫姆霍兹Helmholtz在1860年对问题做了更加全面的分析。第1章绪论1.2声学发展历史26声音的接收›在过去的一个世纪里，已经有许多详细阐述的对人耳的解剖研究，人耳的听觉机制已经被研究的非常透彻，然而，目前为止，还是没有形成一套完整的可接受的听觉理论›在现代精神物理学领域，究竟人类是如何听见声音的仍然是一个令人困惑的问题。第1章绪论1.2声学发展历史27声音的接收›法国物理学家萨瓦F.Savart(1971-1841)用风机和旋转齿轮在1830年做了一系列研究，确定人耳听觉频率范围8-24000。›欧姆(G.S.Ohm,1878-1854)，著名的电流定律创立者,1843年第一个提出听觉理论，指出一个乐音具有基波和谐波，谐波结构决定乐音的音色。人耳听音时就像谐波分析器一样，把任何复杂音按声音的基波和各谐波分解。›随后，西倍(S.L.W.A.Seebek)，毕奥(J.B.Biot)，科尼希(K.R.Koenig)，托普勒(A.Topeler)进行了相关研究。第1章绪论1.2声学发展历史28声音的接收›19世纪最伟大的贡献不容置疑的当属物理学家H.V.Helmholtz，其研究结果发表于1862年出版的伟大著作《音的感知》›他提出耳内机构的详细理论，即共鸣理论，指出耳蜗的基底膜各部分对传入耳朵声音的不同频率发生共振。›在研究期间，他发明了著名的赫姆霍兹共鸣器，在现代声学研究和应用领域被广泛应用›其开拓性研究为听觉领域研究铺平了道路第1章绪论1.2声学发展历史829声音的接收›因在封闭空间，如房间，教堂，剧院里人耳对声音的接收已称为普遍途径，促进了室内声学或建筑声学的迅速发展。›人们很早就认识到在一些房间里不能获得满意的听音效果，而通过一些扩音设备克服这些困难。›现代建筑声学的定量研究始于物理学家塞宾Sabine，他于1900年发现了室内混响时间随房间体积和内部吸声性能变化的规律，使得应用声学知识知道建筑设计成为可能。第1章绪论1.2声学发展历史30经典声学的结束›英国物理学家LordRayleigh在1877年出版的长达1000页的巨著《声的理论》象征着经典声学时代的结束,和现代声学时代的到来。›他的成果是伫立于物理学文献的一座丰碑。›该书的第二版于1894年和1896年之间问世后，当时科学界断言声学作为物理学的一个分支已彻底完善，问题都解决了。第1章绪论1.2声学发展历史31现代声学：20世纪大发展›学科发展¾水声学、海洋声学¾电声学、热声学¾超声医疗、检测、处理¾建筑声学，噪声控制¾语言声学，生理声学和心理声学¾非线性声学、瞬态声学¾计算声学第1章绪论1.2声学发展历史321.3声学研究的范畴›声的产生:振动与共振、流、热›声的传播:媒质、反射与透射、声管、散射›声的接收：人耳、传感器›声的效应：听觉反映、烦恼、伤害、破坏›声的控制：声能量、声环境、声品质›声的利用：声、声信息第1章绪论9331.4课程内容›声的基本性质¾声压基本概念，理想流体媒质波动方程，平面声波性质，声场中能量概念，声压级与声强级，响度级，声波反射、折射、投射及干涉，隔声›管道中的声传播特性¾均匀有限长管，突变截面管，扩张管，共振消声器，声波导管理论›声源模型和声辐射特性¾单极子、偶极子、点源阵列、平面活塞辐射器，赫姆霍茨积分方程›室内声学¾波动理论，统计理论，混响等第1章绪论34参考书目›杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础，南京大学出版社,2001›张海澜.理论声学，高等教育出版社，2007年›何祚镛,赵玉芳.声学理论基础,国防工业出版社,1981›P.M.莫尔斯、K.U.英格特著，理论声学(上、下两册)，科学出版社(1984、1986)。›马大猷.现代声学理论基础,科学出版社,2004第1章绪论