聲學(xué)原理及聲學(xué)測(cè)試課件

1、聲學(xué)基本原理及聲學(xué)測(cè)量簡(jiǎn) 介1第一部分 聲學(xué)基本問題第二部分 聲學(xué)測(cè)量21、聲音和聲波及振動(dòng)2、聲學(xué)分類及研究?jī)?nèi)容3、聲波的物理特性和量度4、聲波的反射、吸收、折射、散射、繞射5、平面波、柱面波、球面波的特性6、噪聲及噪聲量度第一部分 聲學(xué)的基本問題37、行波與駐波8、遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)9、傳播波與倏逝波、波導(dǎo)及簡(jiǎn)正波10、瑞利波、樂福波、斯通利波11、赫姆霍茲共振腔、多普勒效應(yīng)第一部分 聲學(xué)的基本問題41、聲學(xué)測(cè)量的分類、難點(diǎn)2、換能器、傳聲器、測(cè)量?jī)x器3、混響室、消聲室測(cè)量材料性能4、聲管測(cè)量材料性能5、應(yīng)用類及外場(chǎng)測(cè)量6、聲陣列測(cè)量 （聲全息、波束形成）7、聲振聯(lián)合測(cè)量（傳遞路徑分析）第二部分

2、聲學(xué)測(cè)量5聲音的本質(zhì)是波動(dòng)。受作用的空氣發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率在2020000Hz時(shí)，作用于人的耳鼓膜而產(chǎn)生的感覺稱為聲音。低于稱次聲波、高于稱超聲波。波源處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)通過彈性介質(zhì)中的彈性力將振動(dòng)傳播開去，從而形成機(jī)械波。波動(dòng)(wave) (或行波)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，是能量的傳播，而不是質(zhì)點(diǎn)的傳播。1、聲音和聲波及振動(dòng)6 與聲源不同距離處的壓力變化，中間的一條水平線代表空氣處于正常的大氣壓力，起伏曲線代表因聲波經(jīng)過時(shí)壓力的增加和減少，亦即增加或減少的大氣壓。 對(duì)于中等響度的聲音，這種壓力變化僅為正常大氣壓的百分之一。 7超聲波* 超聲波：頻率高，波長(zhǎng)短，定向傳播性好， 穿透性好，在液體、固體中傳

3、播時(shí)，衰減很小， 能量高等。 定位、測(cè)距、探傷、顯象，隨著激光全息的發(fā)展，聲全息也日益發(fā)展，它在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要的意義； 由于能量大而集中,可用來切削、焊接、鉆孔、清洗機(jī)件，還可用來處理種子和催化。特點(diǎn)用途 超聲波的傳播速度對(duì)于介質(zhì)的密度、濃度、成分、溫度、壓力的變化很敏感。利用這些可間接測(cè)量其他有關(guān)物理量。這種非聲量的聲測(cè)法具有測(cè)量精密度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)；8頻率在10420 Hz之間的機(jī)械波，人耳聽不到。 因?yàn)榇髿馔牧鳌⒒鹕奖l(fā)、地震、隕石落地、雷暴、磁暴等大規(guī)模自然活動(dòng)中，都有次聲波產(chǎn)生，因此，它是研究地球、海洋、大氣等大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的有力的工具。特點(diǎn)一用途 由于它具有衰減極小的特點(diǎn)，具

4、有遠(yuǎn)距離傳播的突出特點(diǎn)。特點(diǎn)二次聲波9聲學(xué)基礎(chǔ)海洋學(xué)電工和化工機(jī)械工程建筑工程地球和大氣物理醫(yī)學(xué)生理學(xué)心理學(xué)語(yǔ)言音樂表演藝術(shù)室內(nèi)聲學(xué)劇院音質(zhì)樂律樂器聽覺振動(dòng)沖擊噪聲地震學(xué)大氣聲學(xué)生物聲學(xué)心理聲學(xué)通訊水聲學(xué)電聲學(xué)聲和超聲工程藝術(shù)工程地學(xué)生命科學(xué)2、聲學(xué)分類及研究?jī)?nèi)容聲學(xué)研究的范圍很廣，分支很多，粗略地說來，包括大氣聲學(xué)、水聲學(xué)、電聲學(xué)、超聲學(xué)、建筑聲學(xué)、音樂聲學(xué)、語(yǔ)言聲學(xué)、心理聲學(xué)、生理聲學(xué)等10物理聲學(xué)和理論聲學(xué)是各分支的基礎(chǔ)它研究各種機(jī)械振動(dòng)的原理和聲波的收、發(fā)器近年來，非線性聲學(xué)也有引人注目的發(fā)展音樂聲學(xué)探討各種樂器制作過程中的定音、音調(diào)及音色的機(jī)理，為向人們提供各種悅耳的樂器提供理論指導(dǎo)

5、水聲學(xué)是近代聲吶設(shè)計(jì)和海洋開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)軍事上所用的聲吶設(shè)備及海洋開發(fā)中所用的地震勘探設(shè)備、剖面儀等都是利用水聲技術(shù)研制出來的語(yǔ)言聲學(xué)和生理聲學(xué)研究人類發(fā)聲和對(duì)聲音的感受隨著近代信息科學(xué)的發(fā)展，語(yǔ)言合成，語(yǔ)言識(shí)別的理論得到迅速發(fā)展人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)正在成為研究的熱點(diǎn)生理聲學(xué)的研究和心理聲學(xué)相結(jié)合為環(huán)境噪聲的評(píng)價(jià)及噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)建筑聲學(xué)為現(xiàn)代大型劇場(chǎng)、大會(huì)堂的設(shè)計(jì)提供聲學(xué)指導(dǎo)，也為城市噪聲控制提供標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噪聲和振動(dòng)的研究還是和國(guó)防密切相關(guān)的課題火箭、導(dǎo)彈飛行時(shí)的振動(dòng)及其控制一直是衡量它們總體性能的重要指標(biāo)電聲學(xué)的發(fā)展和近代通訊技術(shù)緊密相關(guān)通訊、廣播及日常生活中所使用的各種高音質(zhì)音響設(shè)備為豐富人們的

6、文化生活起著越來越大的作用超聲及其應(yīng)用是近代聲學(xué)發(fā)展最迅速的新興分支超聲無損檢測(cè)、超聲診斷、超聲醫(yī)療已在工業(yè)及生活方面發(fā)揮作用11 1.頻率 聲源在一秒鐘內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)叫頻率，記作f，單位為Hz。 2.波長(zhǎng) 沿聲波傳播方向，振動(dòng)一個(gè)周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)，用表示，單位為m。 3.聲速 一秒時(shí)間內(nèi)聲波傳播的距離叫聲波速度，簡(jiǎn)稱聲速，記作c，單位為m/s。3、聲波的物理特性和量度12 3.聲功率（W） 聲功率是指單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向某指定面積的聲能量。在噪聲監(jiān)測(cè)中，聲功率是指聲源總聲功率，單位為W。 4.聲強(qiáng)（I） 聲強(qiáng)是指單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂

7、直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，單位為W/s2。 5.聲壓（p） 聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值。聲波是空氣分子有指向、有節(jié)律的運(yùn)動(dòng)。聲壓?jiǎn)挝粸镻a。3、聲波的物理特性和量度13 6.分貝 分貝是指兩個(gè)相同的物理量（如A1和A0）之比取以10為底的對(duì)數(shù)并乘以10（或20）。 分貝符號(hào)為“dB”，它是無量綱的，是噪聲測(cè)量中很重要的參量。上式中A0是基準(zhǔn)量（或參考量），A1是被量度量。被量度量和基準(zhǔn)量之比取對(duì)數(shù)，該對(duì)數(shù)值稱為被量度量的“級(jí)”，亦即用對(duì)數(shù)標(biāo)度時(shí)，所得到的是比值，它代表被量度量比基準(zhǔn)量高出多少“級(jí)”。3、聲波的物理特性和量度14 聲功率級(jí)常用LW表示，定義為：式中：LW聲功率級(jí)

8、，dB； W聲功率，W；7.聲功率級(jí)15 聲強(qiáng)級(jí)常用LI表示，定義為：式中：LI聲強(qiáng)級(jí)，dB； I聲強(qiáng)，W/m2； I0基準(zhǔn)聲強(qiáng)。8.聲強(qiáng)級(jí)169.聲壓級(jí)聲壓級(jí)常用Lp表示，定義為：式中：Lp聲壓級(jí)，dB； p聲壓，Pa； p0基準(zhǔn)聲壓。在空氣中規(guī)定p0為2105Pa，該值是正常青年人耳朵剛能聽到的1000Hz純音的聲壓值。在水中取1106Pa。17將頻譜分為若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段為一個(gè)頻程，以直方圖表示。N=1: 一倍頻程，簡(jiǎn)稱倍頻程N(yùn)=1/3: 三分之一倍頻程N(yùn)=1/12: 十二分之一倍頻程中心頻率：帶寬：10.倍頻程18倍頻程最常用的中心頻率值（fm），以及上、下截止頻率。中心頻率fm/H

9、z上截止頻率f2/Hz下截止頻率f1/Hz中心頻率fm/Hz上截止頻率f2/Hz下截止頻率f1/Hz31.544.547 322.273 71 0001 414.20707.1006389.094 644.547 32 0002 828.401 414.20125176.77588.387 54 0005 656.802 828.40250353.550176.7758 00011 313.65 656.80500707.100353.55016 00022 627.211 313.619 平面、凸曲面及凹曲面形成的反射聲線及波陣面的比較。 與平的反射面相比，凸曲面反射聲的強(qiáng)度較弱，凹曲面反射

10、聲的強(qiáng)度較強(qiáng)。 4、聲波的反射、吸收、折射、散射、繞射20 聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)，還會(huì)發(fā)生折射，從而改變聲波的傳播方向。 即使在空氣中傳播，隨著離地面高度不同而存在的氣溫變化，也會(huì)改變聲波傳播方向。 21衍射是聲波繞過障壁彎折的能力。 聲波進(jìn)入聲影區(qū)的程度與波長(zhǎng)和障壁的相對(duì)尺度有關(guān)。 在這兩種情況下聲波的頻率相同，因反射板的寬度不同，從反射波中分離出的衍射波能量也不同。 對(duì)于一既定頻率的聲音，小尺度反射板的反射能力較小。22（a）對(duì)頻率為100Hz聲音的定向反射，聲音的波長(zhǎng)（3.4m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面的不規(guī)則性；（b）對(duì)頻率為1kHz聲音的擴(kuò)散反射，聲音的波長(zhǎng)（0.34m）與表

11、面不規(guī)則的尺度相當(dāng)；（c）對(duì)頻率為10kHz聲音的定向反射，聲音的波長(zhǎng)（0.034m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面不規(guī)則的尺度，這是由各表面產(chǎn)生的定向反射。 聲波在傳播過程中，如果遇到表面有凸凹變化的反射面，就會(huì)被分解成許多小的比較弱的反射聲波，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散反射。 23 聲波在空氣中傳播時(shí)，由于振動(dòng)的空氣質(zhì)點(diǎn)之間摩擦使一小部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，常稱為空氣對(duì)聲能的吸收。高頻吸收較多，低頻吸收較少。 聲波的吸收 聲波投射到材料或部件引起的聲吸收，取決于材料及其表面的狀況、構(gòu)造等。材料的吸聲效率是用它對(duì)某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。 材料的吸聲效率是用它對(duì)某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。 24 聲波入射到建筑材料或建筑部件時(shí)，

12、除了被反射、吸收的能量外，還有一部分聲能透過建筑部件傳播到另一側(cè)空間去。聲波的透射EErEoE25波陣面與聲線 聲源向各個(gè)方向輻射聲能，在某一時(shí)刻，波動(dòng)所達(dá)到的各點(diǎn)的包跡面。稱為波陣面。 波振面的形狀：點(diǎn)聲源球面波 線聲源柱面波 面聲源平面波5、平面波、柱面波和球面波26穩(wěn)態(tài)平面波 穩(wěn)態(tài)球面波 27噪聲的疊加 聲能量是可以代數(shù)相加的，設(shè)兩個(gè)聲源的聲功率分別為W1和W2，那么總聲功率W總=W1+W2。而兩個(gè)聲源在某點(diǎn)的聲強(qiáng)為I1和I2時(shí)，疊加后的總聲強(qiáng)I總=I1+I2。 聲壓不能直接相加。6、噪聲及噪聲量度 人們生活和工作所不需要的聲音叫噪聲。 281、響度和響度級(jí)響度是人耳判別聲音由輕到響的強(qiáng)

13、度等級(jí)概念，響度的單位叫“宋”，1宋的定義為聲壓級(jí)為40dB，頻率為1000Hz，且來自聽者正前方的平面波形的強(qiáng)度。如果另一個(gè)聲音聽起來比這個(gè)大n倍，則聲音的響度為n宋。定義1000Hz純音聲壓級(jí)的分貝值為響度級(jí)的數(shù)值，任何其他頻率的聲音，當(dāng)調(diào)節(jié)1000Hz純音的強(qiáng)度使之與這聲音一樣響時(shí)，則這1000Hz純音的聲壓級(jí)分貝值就定為這一聲音的響度級(jí)值。響度級(jí)的單位叫“方”。響度級(jí)29圖 等響曲線(又稱ISO等響曲線)30響度與響度級(jí)的關(guān)系 根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)得到，響度級(jí)每改變10方，響度加倍或減半?；?響度級(jí)的合成不能直接相加，而響度可以相加。 31計(jì)權(quán)聲級(jí) A計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬人耳對(duì)55dB以下低強(qiáng)度噪聲

14、的頻率特性。 B計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬5585dB的中等強(qiáng)度噪聲的頻率特性。 C計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬高強(qiáng)度噪聲的頻率特性。 D計(jì)權(quán)聲級(jí)是對(duì)噪聲參量的模擬，專用于飛機(jī)噪聲的測(cè)量。32圖 A、B、C、D計(jì)權(quán)特性曲線333、等效連續(xù)聲級(jí) 等效連續(xù)聲級(jí) 一個(gè)用噪聲能量按時(shí)間平均方法來評(píng)價(jià)噪聲對(duì)人影響的問題，即等效連續(xù)聲級(jí)，符號(hào)“Leq”或“LAeq,T”。式中：LpA某時(shí)刻t的瞬時(shí)A聲級(jí)，dB； T 規(guī)定的測(cè)量時(shí)間，s。34 如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則可用下面近似公式計(jì)算： L10，L50，L90為累積百分聲級(jí)，其定義是：L10測(cè)定時(shí)間內(nèi)，10的時(shí)間超過的噪聲級(jí)，相當(dāng)于噪聲的平均峰值；L50測(cè)量時(shí)間內(nèi)，50的時(shí)間超過

15、的噪聲級(jí)，相當(dāng)于噪聲的平均值；L90測(cè)量時(shí)間內(nèi)，90的時(shí)間超過的噪聲級(jí)，相當(dāng)于噪聲的背景值。3536駐 波 的 形 成7、行波與駐波二 駐波方程正向負(fù)向37 駐波方程 10 (1)振幅 隨 x 而異,與時(shí)間無關(guān)38相鄰波腹（節(jié)）間距 相鄰波腹和波節(jié)間距 xy波節(jié)波腹振幅包絡(luò)圖39 邊界條件 駐波一般由入射、反射波疊加而成，反射發(fā)生在兩介質(zhì)交界面上，在交界面處出現(xiàn)波節(jié)還是波腹，取決于介質(zhì)的性質(zhì). 波疏介質(zhì),波密介質(zhì)介質(zhì)分類4041聲壓振幅為：8、近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)4142當(dāng) 時(shí)，聲壓有數(shù)個(gè)極大值和極小值，其原因?yàn)槁曉幢砻嫔细鼽c(diǎn)源輻射到軸線上某點(diǎn)的聲壓因波程差（相位差）不相同，有的同相位互相疊加而加強(qiáng)，有

16、的相位相反互相抵消而減弱，因此在靠近聲源 處以內(nèi)出現(xiàn)幾個(gè)最大值和最小值。最后一個(gè)聲壓最大值處至聲源的距離 為近場(chǎng)區(qū)。 取決于聲源的尺寸和聲波波長(zhǎng)。當(dāng) 時(shí)，聲壓隨距離的增加而 單調(diào)衰減，該范圍為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。42A)近場(chǎng)區(qū)聲壓具有最小值聲壓具有最大值當(dāng) 時(shí)此時(shí) 為近場(chǎng)區(qū)距聲源距離近場(chǎng)區(qū)的聲壓分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)多次極大值與極小值。因此在近場(chǎng)區(qū)如有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對(duì)缺陷的判讀十分困難。當(dāng) 時(shí)43B）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)在聲場(chǎng)中， 時(shí)的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲壓隨距離增加而減小。聲源軸線上距離為 （ ）處，聲壓最大值為：44波導(dǎo)研究的是有限空間的波動(dòng)傳播，一個(gè)或兩個(gè)方向的尺度很大，聲波在其中傳播管道的傳聲問

17、題 例： 管狀樂器、聽診器、喇叭、管道噪聲和消聲海洋、井孔9、波導(dǎo)及簡(jiǎn)正波、傳播波、倏逝波45最簡(jiǎn)單的聲波導(dǎo)兩個(gè)平行剛性界面波動(dòng)方程邊界條件46零階模，主波平面波，聲速為 c高階模47頻散關(guān)系波數(shù)當(dāng) km是實(shí)數(shù)，傳播模當(dāng) km是虛數(shù)，凋落模截至頻率48矩形聲波導(dǎo) 直角坐標(biāo)系 截止頻率 49 對(duì)于一個(gè)矩形圍蔽空間，其簡(jiǎn)正頻率的計(jì)算式為：式中 fnx，ny，nz簡(jiǎn)正頻率，Hz；Lx，Ly，Lz分別為三個(gè)邊長(zhǎng)，m；nx，ny，nz分別為任意正整數(shù)；c 空氣中的聲速，m/s。50瑞利波：是1887年由英國(guó)學(xué)者瑞雷首先在理論上提出的。這種面波分布在自由界面上，或者表層為疏松的覆蓋層內(nèi)。如果表面是完全“自

18、由”的，則瑞利波的速度不依賴于頻率，即不存在頻散現(xiàn)象。如果介質(zhì)表面上存在一層非彈性的疏松蓋層，當(dāng)考慮到蓋層的因素時(shí)，所求的瑞利波是有頻散的。計(jì)算表明，瑞利既有P波成分，又有SV波成分，無SH波成分。10、瑞利波、樂福波、斯通利波5152樂福波：產(chǎn)生在介質(zhì)表面上的低速覆蓋層中，以及該層與下面介質(zhì)的分界面上。它是一種SH波，有頻散現(xiàn)象。斯通利波：產(chǎn)生于兩個(gè)不同彈性性質(zhì)的介質(zhì)分界面附近。其性質(zhì)與瑞雷面波接近，但它有頻散現(xiàn)象。二、瑞利波的形成及傳播特征1、瑞利波的形成 瑞雷面波存在的物理模型是一個(gè)半無限彈性空間，上部是空氣，下部為彈性系數(shù)為 的介質(zhì)，令xoy平面與自由面重合，Z軸垂直于自由面向下。僅討

19、論xoz平面內(nèi)的二維問題。引用位移矢量的兩個(gè)位函數(shù)（標(biāo)量位 和矢量位 ）式中 。將上式代入波動(dòng)方程：53就得到常微分方程式中上式的解顯然為由于面波只存在于分界面附近，它不可能隨著Z增大而增大，故第一項(xiàng)的正指數(shù)是不成立的，因此得到位函數(shù)方程：54由位函數(shù)方程，可求解彈性位移在x、z方向的位移分量u,w：根據(jù)邊界條件，在自由表面上部區(qū)域無介質(zhì)（空氣），則該面兩側(cè)的介質(zhì)松弛接觸，位移連續(xù)條件不使用，而應(yīng)考慮應(yīng)力邊界條件，因自由面上的應(yīng)力為零，則自由面的應(yīng)力邊界條件為：將位移函數(shù)代入應(yīng)力邊界條件，可得線性方程組：55具有非零解得條件是系數(shù)行列式應(yīng)等于零，可得瑞雷方程：將 代入，整理后可得：可見瑞雷面波

20、的速度 與頻率無關(guān)，故自由表面的瑞雷面波無頻散。對(duì)于固體，泊松比 時(shí)，即可求得 ，可得從而有：當(dāng)取z=0時(shí)的位移為 ，則滿足以下橢圓方程：56面波的特點(diǎn)1） 質(zhì)點(diǎn)在平行于波的傳播方向，且垂直于自由面的平面內(nèi)振動(dòng)2） 瑞雷面波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)位移軌跡呈逆時(shí)針橢圓形運(yùn)動(dòng)，因此，瑞雷面波為橢圓極化波，屬于非線性極化波。長(zhǎng)軸在z方向，短軸在x方向。3）當(dāng)zo時(shí)，面波位移沿z方向增加呈指數(shù)衰減。4）地表的瑞雷面波無頻散現(xiàn)象，在低速帶的底界，速度是隨波長(zhǎng)、頻率而變化，是發(fā)散的，波形隨距離而變化。5）瑞雷面波具有低頻、低速特性，其頻譜不是一個(gè)尖峰，波長(zhǎng)變化很大。面波的速度小于橫波速度、縱波速度。57面波的頻散現(xiàn)象 頻散現(xiàn)象：是指面波在介質(zhì)中的傳播速度是頻率的函數(shù) ，即速度隨頻率而變。 相速度：構(gòu)成面波脈沖的每