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文檔簡介
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
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