物理性污染控制第二章噪声污染及其控制第2节声学基本知识

第二节声学基础知识2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的指向性2.1声音的产生和传播物体的振动是产生声音的根源。声源：把产生声音的振动物体称作声源。点声源：声源尺寸远小于测点到声源距离时，声波以球面波形状较均匀地向各个方向辐射。线声源：如一列较长的列车；公路上长的车队等。面声源：如透过一个壁面向开阔空间传播。声波：向前推进着的振动称为声波。声场：有声波传播的空间叫声场。声音传播:声源、介质声音传播实质：是物体振动形式的传播。传播形式：空气纵波固体、液体纵波、横波2.2.1描述声波的基本物理量)2sin(ftx振幅位移位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。相位2.2声波的描述1.周期（T）：质点振动每往复一次所需要的时间，单位：秒（s）2.声波频率（f）：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位：赫兹(Hz)频率范围(Hz)2020-2000020000声音定义次声20-500500-20002000-20000超声低频声中频声高频音频声3.波长：在一列波中，偏离平衡位置的位移和速度总是相同的两个相邻质点间的距离叫做波长，或声源每振动一次，声波的传播距离。020lgePpLp4.声速（c）：振动在媒质中传播的速度。媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267室温时声速近似值（m/s）声速与温度关系气体中的声速：c＝（331.45＋0.61t／℃）m•s-1其中331.45是0度时声音在空气中速度，就是说地面上温度每升高一度，声速增加约0.61米／秒气体分子运动的快慢和温度有关系，温度越高，运动越快，传递振动越快。也就是：温度越高，声速越大。声速：固体液体气体声速是介质特性的函数，不同介质中声速不同。气体中的声速：固体分子运动：分子之间力的作用使分子在各自的平衡位置附近振动，平衡位置不能改变。由于分子间结合紧密，振动很容易从一个分子传递给另一个分子，导致声音在固体中的速度大，传播快。00pc，比热比液体分子运动：在平衡位置附近振动，但由于液体的流动性，平衡位置也可以移动。由于分子间结合也很紧密，振动也容易从一个分子传递给另一个分子，导致声音在液体中的速度较大，传播较快。气体分子运动：气体分子间距大，只有在相互碰撞时才考虑作用力。一般情况下，分子运动是自由运动，这就使气体不容易传递振动，因此，声音在气体中的速度小于液体和固体中的速度。2.2.2声波的物理量度（1）声压：受声波的传播扰动，局部空气产生压缩或膨胀，压缩的地方压强增大，膨胀的地方压强缩小，这样在原来的大气压上产生压强的变化，此压强变化称声压。)(0PPp1.声压、声压级瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值峰值声压：一定时间间隔内最大一瞬时声压值有效声压（pe）：在一定时间间隔（周期的整数倍）中，瞬时声压对时间的均方根值。电子仪器测得的声压即有效声压。TedttpTp02)(1闻阈声压：正常人耳刚能听到声音的声压。痛阈声压：刚刚引起正常人耳疼痛感觉的声音的声压。对1000Hz的声音，闻阈声压是2×10-5N·m-2，痛阈声压是20N·m-2。（2）声压级为什么要用“级”表征声音的大小？用声压绝对值表示声音强弱不方便。从闻阈声压2×10-5Pa到痛阈声压2×101Pa，声压绝对值相差100万倍。采用与基准值的相对值较方便。级的概念：1个量的级是这个量与同类基准值之比的对数，用L表示。0logXXLrr＝10时，级的单位为贝（耳），工程上常用分贝表示级，符号为dB。r＝e时，级的单位为奈培(Np),1Np＝8.686dB表达式：声压级：该声音的声压与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：a500ap210peppp；——有效声压，—基准声压，声压级单位：分贝，用dB表示。SWI某些环境下的声压和声压级环境声压（Pa）声压级（dB）锅炉排气放空，距喷口1米200140铆钉枪，大型罗茨风机63130汽车喇叭，距人1米，大型球磨机20120柴油机6.3110离心风扇0.6390公共汽车上0.2080城市噪声，街道上0.06370普通说话0.02060电风扇，微电机附近0.006350安静房间0.002040轻声耳语0.0006330树叶飘动声0.0002020农村静夜0.00006310可听0.0000200常见的声压级范围如右图所示：24rWI2.声强和声强级：（1）声强：在声波传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的平均声能量，称为声强，用I表示，单位：瓦每平方米。声压和声强都是度量声音大小、强弱的物理量。声压是用力的关系说明声音的强弱，声强是用能量的关系说明声音的强弱。I=W/A二者可以互相换算：式中：，空气密度；C，声速；02e0PIc（2）声强级：该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘以10，即：0lg10IILI212200W/m10IIIWm声强，；基准声强，声强级单位：dB。3.声功率和声功率级（1）声功率：声源在单位时间内辐射的总能量，单位：瓦。意义：声功率是衡量声源输出声能量大小的基本量，表征声源的特性，反映了声源的本质，可用于鉴定各种声源。（2）声功率级：该声音的声功率与参考声功率的比值取以10为底的对数再乘10，即：0lg10WWLW1200W;10声功率，基准声功率；。声功率级单位：dB声能密度：单位体积介质所含的声波能量，常采用一个周期内声能密度的平均值表示。202cpDe4.声能密度：区别于声强与声功率声强：单位时间单位面积的平均声能量声功率：单位时间内辐射的总的声能量5.频谱与频谱分析频谱：指组成声音的各种频率的分布图形。频谱分析：对噪声源发出声音的声压级（声强级、声功率级）在各频率的分布特性进行分析，考察频谱特征。这种对噪声频谱特征的分析叫做频谱分析。频谱图：以频率为横坐标，声压级（声强级、声功率级）为纵坐标，描述噪声强度与频谱关系的图。外弦a1(440Hz)空弦音内弦d1(293.67Hz)空弦音二胡声音的频谱图声音频谱类型：线状谱：一系列离散频率的纯音组成的频谱，频谱图是离散的竖直线段。[一些乐器的声音、周期或间断振动的声源产生的声音。]与振动相同的声波频率称为基频；频率等于基频整数倍的称为谐波频率。连续谱：声能连续分布在宽广的频率范围内，形成一条连续的曲线谱线。[大部分噪声属于连续谱。]线状谱连续谱复合谱复合谱：既有连续声音频谱，又有离散线谱。听起来有明显的音调，称为有调噪声。在噪音控制中，频谱图中声压级较突出的部分及其所对应的频率是重点控制的目标。常见噪声的频谱图频程：为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分为若干个较小的频段，称为频程、频带或带宽。两个不同频率的声音作相对比较，有决定意义的是两个频率的比值，而不是它们的差值。nff212n倍频程f1、f2—频程的上限频率和下限频率021fffffnn)212(各倍频程的中心频率：f1－f2=Δf,称为带宽n=1，倍频程；n=2，2倍频程；n=1/3，1/3倍频程。6.总声压级的计算【自学P19-22】6.总声压级的计算（1）声强级和声功率级的相加：声强和声功率表征的是能量，由于能量可以相加，所以，总声强或总声功率可以由各声源的代数相加得到，然后计算声强级和声功率级。0010lg10lgi0010lg10lgiIIILII【自学P19-22】（2）声压级的相加n个声源互不干涉(p24)222212...npppp几种声音同时发生，则总的声压级不是各声压级的简单算术和，而是按照能量的叠加规律，即压力的平方进行叠加。代入上式：12n0.10.10.1220101010pppLLLpp（）0lg20ppLp0.122010pLpp2010lgppLp（）12ni20.10.10.120n0.1i110lg10lg10101010lg10ppppLLLpLpLp''12n,10lgnppppppLLLLLL若则P20例题1-2(展示用EXCEL解题2-2）21pppLLL令：110.10.110lg1010pppLLLpL120.10.110lg1010ppLLpL则：pppLLL12代入下式：得：计算噪声值的图解方法1'0.110lg110pLppLL令：110.10.110lg1010pppLLLpL1'ppLLLpLL1.0'101lg10分贝和的增值表：声压级差△Lp增值△L’p0312.522.131.841.551.261.070.880.690.5100.411、120.313、140.2150.1△Lp△Lp’课本p20-21图表法计算总声压级1.把要相加的分贝值从大到小排列，按由大到小的顺序进行计算；2.用第一个分贝值减第二个分贝值，得△Lp；3.由△Lp查上图或上表得△L’p，然后按下式计算出第一、二个分贝值之和；4.用第一、二个分贝和之值再与第三个分贝值相加，依次加下去。1'ppLLL例:某车间四台机床单独运转时声压级分别为97dB、95dB、100dB、80dB，试求车间内合成声压级。解一、计算法niLiL11010lg10总1080101001095109710101010lg10=102.6dB10097△L’p=1.8101.895△L’p=0.8102.680△L’p=0.1102.7解二:查表法计算时先将声压级从大到小排列，再按由大到小的顺序进行计算。合成声压级P总≈102.7dB(3)声压级相减用仪器测出的声源的声压级实际上是声源与背景噪声的总声压级。所以在有背景噪声的环境中，声源的声压级无法直接测得，只能根据总声压级和背景声压级求得。0.10.110lg1010pBpSLLpL0.10.110lg1010ppBSLLpL仪器测量噪声声源真实噪声背景噪声in0.1i110lg10pLpL由得波阵面（波的基本几何形状）：指空间同一时刻相位相同的各点组成的轨迹曲线。根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。声线：常称为声射线，就是子声源发出的代表能量传播方向的直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。2.2.3声波的类型平面波：面声源形成的声波，如活塞在气缸中推拉球面波：点声源形成的声波，波阵面为同心球面柱面波：波阵面为同轴柱面。声压振幅沿轴向分布均匀，沿径向与距轴的距离平方根成反比声波的类型类型波阵面声线声源类型平面声波垂直于传播方向的平面相互平行的直线平面声源球面声波以任何值为半径的球面点声源发出的半径线点声源柱面声波同轴圆柱面线声源发出的半径线线声源1.平面声波：a.波动方程：222221tpcxp对于简谐振动而言：00,cos(),cos()pxtPtkxpxtPtkx正向传播负向传播b.质点振动速度：对于简谐振动而言：0cos()/xAAAuutkxupc质点振动的速度幅值c.声阻抗率：upZs/对于平面声波而言：000/sZpuc单位（Pa·s/m）声场中某位置的声压与该位置质点振动速率之比声阻抗率仅与介质密度和声速有关，是介质固有的常数;两种介质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度。u-振动速率c-波速d.声线：相互平行的一系列直线2.球面声波波阵面是以任何值为半径的同心球面。a.波动方程：22222)(1)(trpcrrp对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：球面声波振幅（A/r）随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。)cos()/(),(krwtrAtrpb.声线：是由