第二章声学基本知识

环境噪声控制工程环境科学与工程学院Chapter2声波的基本性质及传播规律2.1声音的产生及描述方法2.2声波的叠加2.3声波的频率和噪声的频谱2.4声波的反射、投射和衍射2.5声源的辐射2.6声波在传播过程中的衰减2.1声音的产生及描述方法物体的振动是产生声音的根源。声波是一种机械波，声波的产生和传播：声源的振动、声源周围存在弹性介质。2.1声音的产生及描述方法声源：我们把产生声音的振动物体称作声源。分类：固体声源、液体声源和气体声源。声源的振动弹性媒介振动声波空气、固体、液体2.1.1声音的产生声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。声场：有声波传播的空间叫声场。声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播。2.1.2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。周相2.1.2描述声波的基本物理量1.周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。2.声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。频率范围(Hz)2020-2000020000声音次500500-20002000超低频声中频声高频定义声音频声声2.1.2描述声波的基本物理量3.波长：声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波的传播距离。cTfcTf12.1.2描述声波的基本物理量4.声速：振动在媒质中传播的速度。媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度；声速会随环境的温度有一些变化。媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表21.1℃时声速近似值（m/s）总结:描述声波的基本物理量声压p=(P-P0)帕斯卡（Pa）波长λ=c/f米（m）周期T秒（s）频率f=1/T赫兹（Hz）声速c米每秒（m/s）空气中c=331.45+0.61t340m/s2.声压)(0ppp静态压强1011011cos()cos()pPtkxPt1.声压和声压级a.瞬时声压：某一瞬间的声压。b.有效声压（pe）：在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。TedttpTp02)(11.声压和声压级：声音种类声压声音种类声压正常人耳能听到最弱声2×10-5织布车间2普通说话声（1m远处）2×10-2柴油发动机、球磨机20公共汽车内0.2喷气飞机起飞200日常生活中声音的声压数据(Pa)3.声能量、声能密度定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量。介质的振动动能介质产生膨胀和压缩形变势能pkEEE3.声能量、声能密度对于在自由空间内传播的平面声波而言：202cpe0VE声能密度：平均声能密度：4.声功率、声强a.声功率:声源在单位时间内辐射的总能量，单位是瓦。意义：声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理量；声功率可用于鉴定各种声源。WcSb.声强:在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面积的声能量，称为声音的强度，简称为声强，单位是瓦每平方米。220eeeepWIcpucuSc4.声功率、声强1.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10，即：0lg10IILI212010mWI2.1.3声强级、声压级和声功率级声强级单位：分贝。2.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：20010lg()20lgpppLppapp50102声压级单位：分贝。2.1.3声强级、声压级和声功率级3.声功率级0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。10lgIWLLS0lg10IILI2002000010lg20lg10lgIcpcpLpcpccPI2cLLpI400lg102.1.4声压级和声强级的关系：2.2声波的叠加1.声压的叠加niinppppp121不同位置的声源，发出的声波分布传播到介质中的同一点上，该质点受两个声源共同影响而振动，两个声波在该点叠加。2.2声波的叠加2.声波的叠加如果，两个声波频率相同，振动方向相同，且存在恒定的相位差。则：1011011cos()cos()pPtkxPt2022022cos()cos()pPtkxPt由叠加原理可知：由三角函数可知：2.2声波的叠加12cos()TpppPt22201020102212cos()TPPPPP1011022011022sinsintancoscosPPPP122121212()()()()ttkxxxx2.2声波的叠加2.2.1相干波和驻波A、声波的干涉现象:两列波的频率相同，振动方向相同和具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象。能产生干涉现象的声波称为相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源。声波的干涉现象B:驻波：声压值随空间位置不同有极大值和极小值的周期波。2.2.2不相干波：不相干波：多个声波或频率互不相同，或者是相互之间并不存在固定的相位差，或者是两者兼有等，这些声波是互不相干的。2.2.3级的概念日常生活中会遇到强弱不同的声音。这些声音的强度变化范围相当宽。人说话声功率：10-5W；火箭发射时：109W。数值相差较大，故用对数标度。对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级”。**级的运算a.级的叠加（公式法）当n个声源互不干涉时：222212...nTpppp当n=2时，22212pppTa.级的叠加（公式法）由于：0lg20ppLp201.0210pppL代入上式：)1010(101021211.01.020201.0201.022212ppppLLLLTppppppa.级的叠加：当n个声源时，211.01.02021010lg10lg10ppTLLTpppLniLpipTL11.010lg10表示为声压级：a.级的叠加（查表、图法）：21pppLLL令：pppTLLLpL111.01.01010lg10211.01.01010lg10ppTLLpL则：pppLLL12代入下式中：可得：a.级的叠加（查表、图法）：'1.0101lg101pTLppLL令：pppTLLLpL111.01.01010lg10'1LLLppTpLL1.0'101lg10a.级的叠加：pLL1.0'101lg10△Lp'1LLLppTa.级的叠加：•求出总声压的有效值niLpipTL11.010lg10当n个声源发生干涉时：•先求出瞬时声压niinppppp121...•求出总声压级b.级的相减SpBpTLLpL1.01.01010lg10BpTpSLLpL1.01.01010lg10仪器测的噪声声源真实噪声背景噪声b.级的相减BTBpppLLL令：BpSTSLpppLLL1.0101lg10b.级的相减：STSpppLLLBTppLLBpSLpL1.0101lg10在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB、87dB、90dB、95dB、96dB、91dB、85dB、80dB，求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少？n1iL1.0pipT10lg10LdB2.1001010101010101010lg10L0.85.81.96.95.90.97.84.8pt有一声源，在某一点测得各中心频率的声压级如下，求该点的总声压级？中心频率/Hz63125250500100020004000声压级/dB70778088909584n1iL1.0pipT10lg10LdB9710101010101010lg10L4.85.90.98.80.87.70.7pt2.3声波的频率和噪声的频谱：a.频谱图：以频率为横轴，以声压（幅值或相位）为纵轴，绘出的图叫声音的频谱图。常见噪声的频谱图2.3.2倍频程：b.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，称为频段或频程。nff21212fffffnn)212(122logffn2.3.2倍频程：n=1称为倍频程n=2称为2倍频程n=1/3称为1/3倍频程在实际的噪声测量中，常把可听声的频率20~20000Hz按倍频程或1/3倍频程进行划分，分别有11个和31个频率段，然后测得每一频率段的中心频率对应的声压级，从而了解噪声的频率特性。2.4声波的反射、透射、折射和衍射声波在空间传播时会遇到各种障碍物，或者遇到两种媒质的界面。这时，依据障碍物的形状和大小，会产生声波的反射、透射、折射和衍射。声波的这些特性和光波非常相似。2.4.1、垂直入射声波的反射和透射p2u2piprptⅠρ1c1Ⅱρ2c20xp1u1p1=p2u1=u2p1=pi+pru1=ui+urp2=ptu2=ut（1）反射系数和透射系数声压的反射系数的定义为反射声压与入射声压的比值。声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。irpppritppp当声波垂直入射时的反射系数和透射系数当声波垂直入射时，声压的反射系数和透射系数可以表示为：11221122ccccpprirp1122222cccppitp211221122ccccIIrirI2112222114ccccIIitI声强的反射系数和透射系数可以表示为：1IIr能量守恒定律：斜入射声波的入射、反射、折射11ci22caθpiptprrt（2）声波的反射定律与折射定律riaθ入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足Snell定律：211sinsinsinccctria.反射定律：b.折射定律：21sinsincctia.声压的反射系数和透射系数在边界上，两面的声压与法向的质点速度应该连续，即：tripppttrriiuuucoscoscostitiirpccccpprcoscoscoscos11221122tiiitpcccppcoscoscos2112222可以导出：b.声强的反射系数和透射系数：21122112222112112coscoscoscos22titipiririrIccccrppcpcpIIr2112222112112211222coscoscoscos4coscoscoscos111titititipiririitIccccccccrIIIIIIIc.吸声系数定义：我们将入射声波在界面上失去的声能（包括透射到媒质2中去的声能）与入射声能之比称为吸声系数。21rrp的数值与入射方向有关，因此α也与入射的方向有关。2.4.2声波的散射与衍射1.声波的散射在声波传播过程中，遇到的障碍物表面较粗糙或者障碍物的大小与波长差不多，则当声波入射时，就产生各个方向的反射，这种现象称为散射。声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。2.4.3声波的散射与衍射2.声波的衍射：在声波传播过程中，遇到的障碍物或孔洞时，如果声波