水声学原理PPT---第一章1

2020/4/7第一章声学基础1第一讲主要内容第一章声学基础•声学基础知识（了解）•波动方程的导出（了解）•声场中的能量关系（了解）•波动方程的解（重点）•平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射（重点）•群速度和相速度平面声波球面声波柱面声波2020/4/7第一章声学基础21、声学基础知识声学是研究声音的产生、传播、接收、作用和处理再现的一门学科。•现代声学研究的范围：10-4～1014Hz•人所能听到的声音范围：低频的范围在16~32Hz之间，人与人之间颇有出入，但高频出入更大，而且随着年岁增加，高频极限不断降低。现在标准一般定在20～20KHz之间常识:2020/4/7第一章声学基础31、声学基础知识•正常听觉阈限是10-12W/m2声动率鼓膜的平均面积是0.66cm2，能够使人感觉到声音的强度是6.6×10-17W;•声音响0.1s就可以认出，认出声音的能量是6.6×10-18J•第一个提出听觉理论的是欧姆。他于1843年指出一个音乐具有基波和谐波，谐波结构决定音乐的音色。常识:2020/4/7第一章声学基础41、声学基础知识①声波的基本原理声波的物理本质：声波是弹性介质(气体、液体和固体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。2020/4/7第一章声学基础51、声学基础知识①声波的基本原理质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动，在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级），但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体中的一个点，静止，在受力时可以运动2020/4/7第一章声学基础61、声学基础知识①声波的基本原理声波的产生：声源在弹性介质中的振动引起介质中出现声波产生声波的条件是:·有作机械振动的物体——声源；·有能够传播机械震动的介质——弹性介质。比如说俯在钢轨上能听到远方驶来的列车的声音，潜入水中能听到远处行驶的机动船的声音等等声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。2020/4/7第一章声学基础71、声学基础知识①声波的基本原理声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)•20Hz以下的振动称为次声•高于20kHz的振动称为超声•20Hz至20kHz的声振称为音频声横波与纵波：•流体介质中，声波表现为压缩波（CompressionalWave），即纵波•在固体中既有纵波也有横波（切变波-ShearWave)2020/4/7第一章声学基础81、声学基础知识①声波的基本原理声波的分类：•按频率可分为：次声、可听声和超声•按波阵面几何形状可分为：平面声波、柱面声波和球面声波•按质点振动情况可分为：纵波和横波2020/4/7第一章声学基础91、声学基础知识②声波的描述声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波在介质中传播有一定速度，称为声速。声场：声波所及的区域。时称为远场，时称为近场。rr2020/4/7第一章声学基础101、声学基础知识②声波的描述声压：声压是由于声场的存在而使介质产生的压强变化（它是压强）。0(,,,)(,,,)(,,,)(Pascal)pxyztPxyztPxyzt其中P(x,y,z,t)─介质中存在声波时某点的压强，P0(x,y,z,t)─介质中无声波时该点的压强，p(x,y,z,t)─声场中某瞬时的声压；若p(x,y,z,t)0，则说明介质被压缩，p(x,y,z,t)0，则说明介质稀疏。2020/4/7第一章声学基础111、声学基础知识②声波的描述有效声压：声压在一定时间间隔内的均方根值201TeppdtT单位：CGS制：dyn/cm2，称微巴(µbar);MKSA制：N/m2，称帕(Pa);1µbar＝0.1Pa.12epp对于简谐波而言声压有效值与振幅的关系为：2020/4/7第一章声学基础121、声学基础知识②声波的描述常识：微风吹动树叶声：0.001µbar；房间内大声讲话：1µbar；在100m处收到的船播航行噪声：10～100µbar；交响乐演奏时（5～10m处）声压为3µbar；在空气中，人对1000Hz声音的听域约为2×10-4µbar2020/4/7第一章声学基础131、声学基础知识②声波的描述质点振速（矢量）：由于声波扰动引起的介质质点运动速度的变化量：质点位移：介质质点离开其平衡位置的距离量：密度和压缩量密度改变量：压缩量s为介质密度的相对变化量：0UUudtdu0100s012020/4/7第一章声学基础141、声学基础知识②声波的描述UPZs声阻抗率：在声场中声波的传播受到介质的阻尼作用，用声特性阻抗Zs描述介质对声传播的阻抗P——介质中一点的有效声压；U——介质中该点有效质点振速单位：CGS制：dyn.s/cm3MKSA制：N.s/m32020/4/7第一章声学基础151、声学基础知识②声波的描述20lg()effrefPSPLdBP声功率：声源在一单位时间内辐射出的声能量。单位：W声强：垂直于波振面上的单位面积上的声功率。单位：W/m2声压级：以对数单位对声压计量单位ubarpref1ubarpref4102（用于水中换能器校准和液体声压级测量）(用于听觉及空气中声级和噪声测量）常用的基准声压：Papref1（MKSA制）2020/4/7第一章声学基础161、声学基础知识②声波的描述常识：人耳对频率为1kHz声音的可听闻为0dB；微风轻轻吹动树叶的声音约14dB；在房间中高声谈话声(相距1m处)约68dB～74dB；交响乐队演奏声(相距5m处)约64dB；飞机强力发动机的声音(相距5m处)约140dB；一声音比另一声音声压大一倍时大6dB，人耳对声音强弱的分辨能力约为0.5dB。2020/4/7第一章声学基础171、声学基础知识②声波的描述注意：声场的建立是在声源的激励下，介质中的所有质点都按照声源激励的运动形式“复制”的运动，声波的传播并非介质质点本身的传播，而只是振动形式，或者说是能量的传播；质点的振动速度和波的传播速度是两个不同的概念。2020/4/7第一章声学基础181、声学基础知识③声波的主客观评价•主观评价：人听声音时感觉它的大小强弱（响度），高低尖粗（音调）、以及它的质量（音色）•客观评价：声压、声强、频率等2020/4/7第一章声学基础191、声学基础知识③声波的主客观评价•响度级：根据听力正常的听着判断为等响的1000Hz纯音（来自正前方的平面波的）声压级，单位方（phon）2020/4/7第一章声学基础201、声学基础知识④声学的研究方法声学方法；光学方法；粒子轰击方法。相似处：声波和光波都是波动，使用两种方法时，都运用了波动过程所应服从的一般规律，包括量子概念(声的量子称为声子)。不同处：(a)光波是横波，声波在气体中和液体中是纵波，而在固体中有纵波，有横波，还有纵横波、表面波等，情况更为复杂；(b)声波比光波的传播速度小得多；(c)一般物体和材料对光波吸收很大，但对声波却很小，声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射。声学方法与光学方法比较：物理学三个重要分析方法：2020/4/7第一章声学基础211、声学基础知识④声学的研究方法波动声学或物理声学射线声学或几何声学统计声学在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时必须用波动声学分析。其主要内容是研究声的反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。射线声学与几何光学相似。主要是研究波长非常小时，能量沿直线的传播的规律。即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。统计声学主要研究波长非常小，在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。统计声学方法仅限于在关闭或半关闭空间中使用。研究声学的基本方法：2020/4/7第一章声学基础221、声学基础知识⑤声学的研究范围美国著名声学家林赛（R.BrunceLindsay）1964年提出的声学范围图，基本是20世界上半叶声学总结2020/4/7第一章声学基础232、波动方程导出①假设条件：介质静止、均匀、连续介质是理想流体介质小振幅波无热传导无内摩擦各向同性介质连续0000pP||||pPucuc声压比静压小很多位移比波长小很多质点振速比声速小很多2020/4/7第一章声学基础242、波动方程导出，状态方程：连续性方程：，运动方程：puup,22221ppct由连立三个方程波动方程②思路：2020/4/7第一章声学基础252、波动方程导出③运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。10()FpPxz20()FppPxz12ypFFFpxzxyzy1F2Fyzxxyz2020/4/7第一章声学基础262、波动方程导出③运动方程:zyx体积元的质量：m=yuty方向的加速度：ypFxyzyyumaxyztyupytmF依据牛顿第二定律：yupxyxztyyz即0yupyt0由小振幅条件：得2020/4/7第一章声学基础272、波动方程导出③运动方程:同理：tuzptuyptuxpzyx0000upt连续介质中的运动方程物理含义：当流体中具有压力变化（压力梯度）时，介质就发生运动速度的变化。2020/4/7第一章声学基础282、波动方程导出④连续性方程:1F2Fyzxxyz介质的任何变化都不能导致物质的产生和消灭，只是能量的传播，因此流进某区域与流出某区域的流体，在数量上存在差别时，则在该区域中流体的密度也必须相应的改变。yyuyuxzy介质从右面流出体积元的质量：()yymuxyzy体积元内质量的增加量：yuxz介质从左面流入体积元的质量：单位时间内2020/4/7第一章声学基础292、波动方程导出④连续性方程:zyxuzmzyxuymzyxuxmzzyyxx)()()(zyxuzuyuxmzyx)]()()([同理：由物质不灭定律：zyxuzuyuxzyxtMtZYX)]()()([)()(由小振幅条件：xuuxuxxxx000)()(2020/4/7第一章声学基础302、波动方程导出④连续性方程:000()()()xxyyzzuuxxuuyyuuzz0ut同理：物理含义：当介质质点振速在空间发生变化（即存在速度散度）时，相应地发生密度的变化，速度散度为正时，相对密度变化为负。连续介质中的连续性方程2020/4/7第一章声学基础312、波动方程导出⑤状态方程:(绝热压缩定律)声波在理想介质中的传播时，介质产生压缩、伸张形变，因此其密度和压强都发生变化，也就是说声波通过时介质的状态将产生变化。对一定质量的介质（流体等）其状态方程可以表示成压强、密度及熵的函数关系，因此