聲波基本的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律

1、第二章第二章 聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： o2.1 聲波的產(chǎn)生及描述方法聲波的產(chǎn)生及描述方法 o2.2 聲波的疊加聲波的疊加 o2.3 聲波的頻率和噪聲的頻譜聲波的頻率和噪聲的頻譜 o2.4 聲波的反射、透射和衍射聲波的反射、透射和衍射 o2.5 聲源的輻射聲源的輻射 o2.6聲波在傳播過程中的衰減聲波在傳播過程中的衰減 o2.1.1 聲波的產(chǎn)生o2.1.2 描述聲波的基本物理量2.12.1 聲波的產(chǎn)生及描述方法2.1.1聲波的產(chǎn)生聲源聲源：產(chǎn)生聲音的振動物體稱作聲源。振動振動：是一種周期性運(yùn)動。物體在某平衡位置附 近作往復(fù)運(yùn)動。 物體的振動是產(chǎn)生

2、聲音的根源。物體的振動是產(chǎn)生聲音的根源。波動：波動：機(jī)械振動在彈性彈性媒介中的傳播過程。 振動與波動的關(guān)系？振動與波動的關(guān)系？ 下一頁下一頁2.1.1 聲波的產(chǎn)生聲波的產(chǎn)生 聲波：機(jī)械振動在彈性煤質(zhì)的傳播過程稱為聲波。聲場：有聲波傳播的空間叫聲場。聲音傳播的實(shí)質(zhì)：聲音傳播是指物體振動形式的傳播。波動補(bǔ)充了解內(nèi)容：聲波的基本類型o平面聲波平面聲波o 球面聲波球面聲波o柱面聲波柱面聲波 聲波的類型o 波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。 根據(jù)波振面的形狀可將聲波分為不同的類型。o 聲線：常稱為聲射線，就是子聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的射線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向

3、且處處與波陣面垂直的直線。 聲波的基本類型 1 平面聲波： 聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱其為平面聲波。2.2.1 平面聲波平面聲波： 1平面聲波：平面聲波：聲線： 相互平行的一系列直線。 1平面聲波平面聲波：a.波動方程：222221tpcxp對于簡諧振動而言：)cos(, 0)cos(,00kxtPtxpkxtPtxp2.2.1 平面聲波：平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動速度：對于簡諧振動而言：cPUkxtUux0000/)cos( 質(zhì)點(diǎn)振動的速度振幅結(jié)論：質(zhì)點(diǎn)以振速進(jìn)行振動，而這種振動過程質(zhì)點(diǎn)以振速進(jìn)行振動，而這種振動過程 以聲速以聲速c c傳播出去。傳播出去。 )cos(,0kx

4、tPtxp 1平面聲波：平面聲波：c.聲阻抗率：upZs/對于平面聲波而言：cUPZs000/媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pas/m） 2 球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。 a.波動方程：22222)(1)(trpcrrp對于從球心向外傳播的簡諧球面聲波而言：)cos(,0krtrPtrp特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。2.2.2 球面聲波：球面聲波：b.聲線： 是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。 3 柱面聲波：柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。a.波動方程：2221)(1tpcrprrr對于遠(yuǎn)場簡諧柱面聲波而言：)cos(20krrtkrPp特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加

5、而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。 聲波的類型 聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳播方向的平面相互平行的直線 平面聲源球面聲波以任何值為半徑的球面由聲源發(fā)出的半徑線 點(diǎn)聲源柱面聲波同軸圓柱面線聲源發(fā)出的半徑線 線聲源2.1.2 描述聲波的基本物理量描述聲波的基本物理量 2.1.2 描述聲波的基本物理量描述聲波的基本物理量1、聲波頻率、波長和聲速（1 1）聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。頻率范圍(Hz)20000聲音次1000超低頻聲 中頻聲 高頻定義聲音頻聲聲（2）周期：質(zhì)點(diǎn)振動每往復(fù)一次所需要的時(shí)間，單位為秒（s）。2

6、.1.2描述聲波的基本物理量（2）波長：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長，或者說聲源每振動一次，聲波的傳播距離。cTfcTf12.1.2 描述聲波的基本物理量（3 ）聲速振動在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會隨環(huán)境的溫度有一些變化。o 在空氣中： C=331.45+0.61t 式中：t-空氣的攝氏溫度；一般C=340ms媒質(zhì)名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速3441372304836535182121933534267表 21.1 時(shí)聲速近似值（m/s）2.1.2描述聲波的基本物理量2、聲壓)(0ppp靜態(tài)壓強(qiáng)2、聲壓 a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間

7、的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對時(shí)間求方均根值即得有效聲壓。TedttpTp02)(1 （5）聲壓聲音種類聲壓聲音種類聲壓正常人耳能聽到最弱聲2X10-5織布車間2普通說話聲（1m遠(yuǎn)處）2X10-2柴油發(fā)動機(jī)、球磨機(jī)20公共汽車內(nèi)0.2噴氣飛機(jī)起飛200日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa) 3、 聲能量、聲能密度聲能量、聲能密度 P11（1）聲能量聲能量聲能量：聲能量： 聲能量動能勢能體積元的總聲能量：（2）平均聲能密度：聲場中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量：聲場中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。 對于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言：對于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言： 20

8、2cpwe)(22202200cpuVEEEPKJm3 4、 聲強(qiáng)、聲功率聲強(qiáng)、聲功率（1）聲功率:聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的聲能量，單位是瓦。意義：聲功率是衡量聲源聲能量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。SIcSW4 、聲強(qiáng)、聲功率、聲強(qiáng)、聲功率（2）聲強(qiáng)在聲傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能量，稱為聲音的強(qiáng)度，簡稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米 。cpcScSSWIe022.1.3聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級o （1）級的概念：）級的概念：在聲學(xué)中，把被量度量與基準(zhǔn)量的比值取以對數(shù)，這個(gè)對數(shù)值稱為被測量度的“級”。 級是一個(gè)無量綱量。級是一個(gè)無量綱量。 1

9、Np=8.686 dBo （2）用級來標(biāo)度聲學(xué)量的原因）用級來標(biāo)度聲學(xué)量的原因 a.聲強(qiáng)級:該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對數(shù)再乘10，即：0lg10IILI212010mWI2.1.3 聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲強(qiáng)級單位：分貝。b、 聲壓級:該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對數(shù)再乘20，即：0lg20ppLpapp50102 2.1.3 聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級單位：分貝。 2.1.3 聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級0lg10WWLWWW12010聲功率級單位：分貝。c.聲功率級0lg10IILIc

10、cPPcPcPLI00000202lg10lg20lg10cPI2cLLpI400lg10聲壓級和聲強(qiáng)級的關(guān)系：2.1.3 聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級SWI 球面輻射時(shí)：24 rWI波陣面面積聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系2.4.2 聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級o 聲壓級、聲強(qiáng)級、聲功率級之間的關(guān)系聲壓級、聲強(qiáng)級、聲功率級之間的關(guān)系 （W=IS）00001110lg10lg10lg20lg1120lg8PIWWWWWWLLLSSIWISLrLr或主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： o2.1 聲波的產(chǎn)生及描述方法聲波的產(chǎn)生及描述方法 o2.2 聲波的疊加聲波的疊加 o2.3 聲波

11、的頻率和噪聲的頻譜聲波的頻率和噪聲的頻譜 o2.4 聲波的反射、透射和衍射聲波的反射、透射和衍射 o2.5 聲源的輻射聲源的輻射 o2.6聲波在傳播過程中的衰減聲波在傳播過程中的衰減 2.2 聲波的疊加 o 聲壓的疊加（瞬時(shí)聲壓 ） 假定幾個(gè)聲源同時(shí)存在，在聲場某點(diǎn)處聲壓分別為P1，P2，P3，Pn，那么合成聲場的瞬時(shí)聲壓P為：niinppppp121式中：Pi第i列波的瞬時(shí)聲壓。2.2聲波的疊加 （1）聲波的干涉現(xiàn)象: 兩列波的頻率相同，振動方向相同和具有恒定相位差的聲波，合成聲仍是同一頻率的振動，在空間某一些位置的振動始終加強(qiáng)，在另一些位置的振動始終減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象。 能產(chǎn)

12、生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源相干聲源。 駐波聲場駐波聲場聲壓值P隨空間不同位置有極大值和極小值分布的周期波為駐波，其聲場稱為駐波聲場。聲波的干涉現(xiàn)象聲波的干涉現(xiàn)象2.2聲波的疊加（2）不相干聲波 當(dāng)聲波的頻率不同，或不存在固定的相位差，或者兩者兼有，這兩個(gè)或兩個(gè)以上的波疊加后的聲場將不會出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。相位差，不再是一個(gè)固定的常數(shù)，而是隨時(shí)間作隨機(jī)的變化，不同的瞬時(shí)，呈現(xiàn)出不同的值。 即：總聲能量等于幾個(gè)聲波聲能量的疊加，不發(fā)生干涉，不出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。2.2 聲波的疊加 o 能量的疊加（不相干波）niinppppp121niin121聲能密度：nieieneee

13、PPPPP12222212或 對于多個(gè)聲波，當(dāng)各個(gè)聲波間不存在固定的相位差時(shí)，其能量可以直接疊加，但要求某一時(shí)刻的瞬態(tài)值時(shí)，還應(yīng)由下式 來計(jì)算，兩者不能混淆。（3）級的疊加）級的疊加 a.級的疊加（公式法） 當(dāng)n個(gè)聲源互不干涉時(shí)：222212.nTpppp當(dāng)n=2時(shí)，22212pppTa.級的疊加（公式法） 由于：0lg20ppLp201 . 0210pppL代入上式：)1010(101021211 . 01 . 020201 . 0201 . 022212ppppLLLLTppppppa.級的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，211 . 01 . 02021010lg10lg10ppTLLTpppLniL

14、pipTL11 . 010lg10表示為聲壓級：當(dāng)P1= P2= = Pn時(shí)，nLPnPLPPTlg10lg1012021o 例1 解：o 例2 有7臺機(jī)器工作時(shí)，每臺在某點(diǎn)的聲壓級都是92dB，求該點(diǎn)的總聲壓級。解：TPPPLdBLdBL求,85,80210.1 800.1 8510lg(1010)86.2TPLdBdBnLLpPT4 .1007lg1092lg101o 例3 已知四臺機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲壓級分別為90 dB、85 dB、83 dB 、88dB，求四臺機(jī)器同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的總聲壓級。解：如果聲源太多，上式計(jì)算較麻煩，可用查表法dBLTP3 .93)10101010lg(10881 . 0

15、831 . 0851 . 0901 . 0a.級的疊加（查表、圖法）： 21pppLLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg10211 . 01 . 01010lg10ppTLLpL則：pppLLL12代入下式中：可得：b.級的疊加（查表、圖法）： 1 . 0101lg101pTLppLL令：pppTLLLpL111 . 01 . 01010lg101LLLppTpLL1 . 0101lg10求聲壓級合成時(shí)，其總聲壓級等于兩聲壓級中較大的值加上由兩聲級決定的一個(gè)附加值。 b.級的疊加（查表、圖法）：pLL1 . 0101lg10Lp1LLLppTo 從上圖可以看出，當(dāng)兩個(gè)

16、聲壓級相差比較大時(shí)，則總聲壓與兩聲壓級中的較大的值近似相等，而較小的聲壓級可以不計(jì)。級的疊加： 求出總聲壓的有效值niLpipTL11 . 010lg10當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：先求出瞬時(shí)聲壓niinppppp121.求出總聲壓級（4）級的相減（）級的相減（公式法） 若已知 和 的總聲壓級為 ，已知 ，求 22212PPPT11 .01 .02202122022212221010lg10lg10lg10pPTLLpTTLPPPPPPPP1PL2PLTPL1PL2PL（4）級的相減（）級的相減（公式法）SpBpTLLpL1 . 01 . 01010lg10BpTpSLLpL1 . 01 . 010

17、10lg10儀器測的噪聲聲源真實(shí)噪聲背景噪聲令：BpTSTSLPpppLLLL1 . 0101lg10級的相減（查圖法）級的相減（查圖法）()0.110lg1010lg 101010lg1010lg 101 1010lg 1 10BTBSTSPPPTTBPPpPBTTTPBPPPPPPLLLLLLLLLLLLLL級的相減級的相減 STSpppLLLBTBppPLLLBpSLpL1 . 0101lg10 注注:當(dāng)當(dāng) L/，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr012lg10rrL 連續(xù)分布線聲源的擴(kuò)連續(xù)分布線聲源的擴(kuò)散散衰減：衰減：2120lgrLr線聲源的擴(kuò)散衰減o 離散

18、分布線聲源的擴(kuò)散衰減：離散分布線聲源的擴(kuò)散衰減： r0 d，線聲源視為點(diǎn)聲源： r0 d，線聲源視為線聲源：2.5.4平面聲源 當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)： 12SS 0lg1012SSAd因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減：平面聲源的擴(kuò)散衰減：矩形面聲源的擴(kuò)散衰減 r0a /，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。 a /r0b /，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0ab2.6聲波在傳播中的衰減o 1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）o 2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa）o 3.地面吸收的附加衰減（Ag）o 4.聲屏障衰減（Ab）o 5.氣象條件的影響（Am ）mbgadAAAAAA 2.6.1 擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)

19、散引起的衰減 o隨距離的發(fā)散衰減隨距離的發(fā)散衰減（擴(kuò)散衰減） 擴(kuò)散衰減的定義：擴(kuò)散衰減的定義：由于波陣面的擴(kuò)展而引起的聲強(qiáng)隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。（前面已經(jīng)講過） 2.6.2 空氣吸收引起的附加衰減o 對于噪聲控制工程，可以采用下面的半經(jīng)驗(yàn)公式來估算空氣吸收衰減。在20時(shí)： 82104 . 7dfAa聲波的頻率，Hz相對濕度傳播距離，m 2.6.2 空氣吸收引起的附加衰減o 對于不同溫度，可采用下式來估算： TfCATAaa1),20(),(與20相差的攝氏溫度=410-66.6.3地面吸收的附加衰減當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r(shí)：地面吸收將會對聲傳播產(chǎn)生附加衰減，但短距離（30-50m）其衰減可以忽略，而在50m以上應(yīng)予以考慮。 6.6.3地面吸收的附加衰減聲波在厚的草地上面或穿過灌木叢傳播時(shí)，在頻率為1000Hz時(shí)的附加衰減較大，可高達(dá) 25/100m dB。附加衰減量的近似計(jì)算公式為：dfAg31. 0lg18. 01聲波