第二章 聲波基本性質(zhì)及傳播規(guī)律

環(huán)境噪聲控制工程第二章聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律2.1

聲音的產(chǎn)生及描述方法2.2

聲波的疊加2.3

聲波的頻率和噪聲頻譜2.4

聲源的反射、投射和衍射2.5聲波的輻射2.6聲波在傳播過程中的衰減主要內(nèi)容2.1聲音的產(chǎn)生及描述方法物體的振動是產(chǎn)生聲音的根源。

聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動物體稱作聲源。聲源的振動彈性媒介振動聲波空氣、固體、液體1聲波的產(chǎn)生聲波的形成：當(dāng)聲源振動時，就會引起聲源周圍彈性媒質(zhì)—空氣分子的振動。這些振動的分子又會使其周圍的空氣分子產(chǎn)生振動。這樣，聲源產(chǎn)生的振動就以聲波的形式向外傳播。在噪聲控制工程中主要涉及空氣媒質(zhì)中的空氣聲。在空氣中，聲波是一種縱波，這時媒質(zhì)質(zhì)點的振動方向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質(zhì)點振動方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。聲波：這種向前推進著的空氣振動稱為聲波。聲場：有聲波傳播的空間叫聲場。聲音傳播的實質(zhì)：聲音傳播是指物體振動形式的傳播。由相鄰質(zhì)點間的動量傳遞來完成，而不是由物質(zhì)的遷移來傳播的。2

描述聲波的基本物理量波長：在同一時刻，從某一個最稠密（或最稀疏）的地點到相鄰的另一個最稠密(或最稀疏）的地點之間的距離稱為聲波的波長，λ(m)周期：振動重復(fù)1次的最短時間間隔稱為周期。T(s)頻率：周期的倒數(shù)即單位時間內(nèi)的振動次數(shù)，稱為頻率，f,赫茲(Hz),1Hz=1s-1聲速：振動狀態(tài)在媒質(zhì)中的傳播速度稱為聲速，c(m/s)。實際計算常取340m/s。頻率范圍(Hz)<2020-20000>20000聲音次<500500-2000>2000超低頻聲中頻聲高頻定義聲音頻聲聲媒質(zhì)名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速34413723048365351821219335342671℃時聲速近似值（m/s）聲壓和聲壓級：靜態(tài)壓強

a.瞬時聲壓：某一瞬間的聲壓。

b.有效聲壓（pe）：在一定時間間隔中將瞬時聲壓對時間求方均根值即得有效聲壓。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遠處）2X10-2柴油發(fā)動機、球磨機20公共汽車內(nèi)0.2噴氣飛機起飛200日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù)(Pa)c.聲壓級:該聲音的聲壓的有效值與參考聲壓的比值取以10為底的對數(shù)再乘20，即：聲壓級單位：分貝。

聲能量聲波在媒質(zhì)中傳播，一方面使媒質(zhì)質(zhì)點在平衡位置附近往復(fù)運動，產(chǎn)生動能；另一方面又使媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹的疏密過程，使媒質(zhì)具有形變的勢能。這兩部分能量之和就是由于聲擾動使媒質(zhì)得到的聲能量，以聲的波動形式傳遞出去。聲波的聲能密度聲能密度定義：聲場中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量，單位是焦耳每立方米（J/m3)

對于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言：

聲功率和聲功率級a.聲功率:聲源在單位時間內(nèi)輻射的總能量，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。人耳能聽到的最低10-12Wb.聲功率級聲功率級單位：分貝。聲功率W與基準聲功率W0之比的常用對數(shù)聲強和聲強級：a.聲強:在聲傳播方向上單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能量，稱為聲音的強度，簡稱為聲強，單位是瓦每平方米（W/m2）。b.聲強級:該聲音的聲強與基準聲強的比值取以10為底的對數(shù)再乘10，即：聲強級單位：分貝。2.2聲波的疊加對于互不相干的多個噪聲源，它們之間不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。這時，空間某處的總聲壓Pe為上式表明，對于多個聲波，當(dāng)各個聲波間不存在固定相位差時，其能量可以直接疊加?？偮晧杭墳椋?/p>

Lp=10lg=10lg[100.1L+100.1L](dB)對應(yīng)n個聲源的一般情況有：

Lp=10lg(∑100.1L)【例1】在車間某操作點分別測量兩噪聲源的聲壓級為100分貝和95分貝，問總的聲壓級是多少分貝？解：（1）計算法2.3聲波的頻率和噪聲的頻譜在噪聲控制中所研究的就是可聽聲，在噪聲控制這門學(xué)科中，通常粗略地把聲波的頻率分為三個頻段：300赫以下的叫低頻聲，300~1000赫的叫中頻聲，1000赫以上的叫高頻聲。聲波頻率的概念非常重要，因為控制高頻噪聲和控制低頻噪聲的技術(shù)措施存在著很大的差別。而在測量和工程設(shè)計中具有實用價值的是采用倍頻程的頻率劃分方法。

常見噪聲的頻譜圖一、倍頻程可聽聲的頻率從20赫到20000赫，高低相差達l000倍。為了方便起見，通常把寬廣的聲頻變化范圍劃分為若干較小的段落，叫做頻程。頻程有上限頻率值、下限頻率值和中心頻率值，上下限頻率之差，即中間區(qū)域稱為頻程寬度，簡稱帶寬。從實踐中發(fā)現(xiàn)，兩個不同頻率的聲音做相對比較時，起決定作用的是兩個頻率的比值，而不是它們的差值，例如，音樂中C調(diào)的低音6的基頻是220Hz，中音6的基頻是440Hz，高音6的基頻是880Hz，所以聽起來中音6比低音6的音調(diào)高一倍，高音6比中音6的音調(diào)高一倍，我們稱低音6和中音6相差一個倍頻程，中音6和高音6相差一個倍頻程，而聽起來音調(diào)提高的程度也是相同的(即提高“八度音程”)。低音6和高音6相差兩個倍頻程。頻程和頻譜：b.

頻程：為方便起見，通常將寬廣的音頻變化范圍劃分為若干個較小的頻段，稱為頻段或頻程。f1-下限截止頻率；f2-上下限截止頻率；f-中心頻率；Δf-頻帶寬在噪聲控制中，對頻率作相對比較的單位叫倍頻程，兩個頻率相差2個倍頻程意味著其頻率之比22，相差3個倍頻程意味著兩個頻率之比為23，依此類推。在噪聲測量中，通用的倍頻程有n＝1時的1／1倍頻程，簡稱倍頻程；有n＝1／2時的1／2倍頻程；有n＝1／3時的1／3倍頻程等。2.4聲波的反射、投射和衍射聲波在傳播過程中會遇到各種各樣的障礙物，如固體的、液體的和氣體的等。當(dāng)聲波從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)時，后一種媒質(zhì)就是一種障礙物。障礙物會使聲波發(fā)生反射、透射和衍射。當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時，一部分會經(jīng)界面反射返回到原來的媒質(zhì)中稱為反射聲波，一部分將進入另一種媒質(zhì)中成為透射聲波。聲波的反射以平面聲波為例，入射聲波pi垂直入射到媒質(zhì)Ⅰ和媒質(zhì)Ⅱ的分界面x=0上（圖2-6）。由于界面的反射，在媒質(zhì)I中除了入射聲波pi以外，還有反射聲波pr，這樣，媒質(zhì)I中的總聲壓為兩個波的疊加：p1＝pi＋pr，而在第二媒質(zhì)中只有透射聲波pt，所以媒質(zhì)Ⅱ中總聲壓p2＝pt

。ρ1c1ρ2c2ⅠⅡptxopipr圖2-6平面聲波正入射到兩種媒質(zhì)的分界面當(dāng)平面聲波斜入射于兩媒質(zhì)的界面時，如圖2-7所示，入射聲波pi與界面法向成θi角入射到界面上，這時反射波pr與法向成θr角，在第二個媒質(zhì)中，透射聲波pt與法向成θt角，透射聲波與入射聲波不再保持同一傳播方向，形成聲波的折射。這時，入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)滿足Snell定律，即：ρ1c1ρ2c2ⅠⅡptθtOpipr圖2-7聲波的折射θiθr折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒質(zhì)中的聲速之比這表明若兩種媒質(zhì)的聲速不同，聲波傳入媒質(zhì)Ⅱ時方向就要改變。當(dāng)c2>c1時會存在某個θi值，θie=arcsin(c1/c2)使得θt=π/2。即當(dāng)聲波以大于θie的入射角入射時，聲波不能進入媒質(zhì)Ⅱ中從而形成聲波的全反射。理論和實驗研究證明，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗率接近時，即ρ1c1＝ρ2c2

，聲波幾乎全部由第一種介質(zhì)進入第二種介質(zhì)，全部透射過去；當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)聲阻抗率遠遠大于第一種介質(zhì)聲阻抗率時，即ρ2c2》ρ1c1

，聲波大部分都會被反射回去，透射到第二種介質(zhì)的聲波能量是很少的。在噪聲控制工程中，經(jīng)常利用不同材料所具有的不同特性阻抗，使聲波在不同材料的界面上產(chǎn)生反射，從而達到控制噪聲傳播的目的。如用兩種或多種不同材料粘結(jié)成多層隔聲板，在各層間形成分界面，各界面形成反射。因此，對于相同厚度的隔聲板，多層隔聲板比單層隔聲效果好。聲波的衍射聲波傳播過程中，如果遇到的障礙物或者帶有小孔的障板時，如障礙物的尺寸或孔的大小與波長差不多，則聲波能夠繞過障礙物或小孔的邊緣前進，并引起傳播方向的改變，稱為聲波的衍射。2.5聲波的輻射聲源的指向性：聲源發(fā)出的聲波，在各個方向上的聲壓分布并不一定相同，這種隨方向分布的不均勻性，稱為聲源的指向性。指向性因數(shù)：在離聲源中心不同距離處，測量球面上各點的聲強，求得所有方向上的平均聲強，將某一方向上得聲強與其相比就是該方向的指向性因數(shù)：考慮到聲源的指向性，需要對聲壓級的計算公式進行修正，自由聲場中在某一方向θ上的聲壓級公式可表示為：DI是指向性指數(shù)，2.6聲波在傳播過程中的衰減1.擴散引起的衰減（Ad）2.空氣吸收引起的附加衰減（Aa）3.地面吸收的附加衰減（Ag）4.聲屏障衰減（Ab）5.氣象條件的影響（Am

）

1.擴散引起的衰減擴散衰減的定義：由于波陣面的擴展而引起的聲強隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴散衰減。

2.空氣吸收引起的附加衰減空氣吸收：聲波在空氣中傳播時，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過程中，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，稱為空氣吸收。這種吸收稱為經(jīng)典吸收。弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉(zhuǎn)動或振動時存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時要發(fā)生能量交換。能量交換的過程都有滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為弛豫吸收。

2.空氣吸收引起的附加衰減對于噪聲控制工程，可以采用下面的半經(jīng)驗公式來估算空氣吸收衰減。在20℃時：

聲波的頻率，Hz相對濕度傳播距離，m

2.空氣吸收引起的附加衰減對于不同溫度，可采用下式來估算：

與20℃相差的攝氏溫度β=4×10-6

3.地面吸收的附加衰減當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r：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。

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，在頻率為1000Hz時的附加衰減較大，可高達

25/100mdB。附加衰減量的近似計算公式為：聲波的頻率，Hz傳播距離，m

3.地面吸收的附加衰減聲波穿過樹木或者森林時，不同樹林的衰減相差很大，在1000赫茲時：濃密的常綠樹樹冠23dB／100m地面上稀疏的樹干3dB／100m各種樹林平均的附加衰減大致為：

4.聲屏障衰減當(dāng)聲源與接收點之間存在密實材料形成的障礙物時會產(chǎn)生顯著的附加衰減，這樣的障礙物稱為聲屏障。

4.聲屏障衰減聲波遇到屏障時會產(chǎn)生反射、透射和衍射三種傳播現(xiàn)象。屏障的作用：阻擋直達聲的傳播，隔絕透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減。聲屏障的附加衰減與聲源及接