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(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。

聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱作聲源。聲源的振動(dòng)彈性媒介振動(dòng)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(dòng)時(shí)，就會(huì)引起聲源周圍彈性媒質(zhì)—空氣分子的振動(dòng)。這些振動(dòng)的分子又會(huì)使其周圍的空氣分子產(chǎn)生振動(dòng)。這樣，聲源產(chǎn)生的振動(dòng)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(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波。聲場(chǎng)：有聲波傳播的空間叫聲場(chǎng)。聲音傳播的實(shí)質(zhì)：聲音傳播是指物體振動(dòng)形式的傳播。由相鄰質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)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(shí)刻，從某一個(gè)最稠密（或最稀疏）的地點(diǎn)到相鄰的另一個(gè)最稠密(或最稀疏）的地點(diǎn)之間的距離稱為聲波的波長，λ(m)周期：振動(dòng)重復(fù)1次的最短時(shí)間間隔稱為周期。T(s)頻率：周期的倒數(shù)即單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，稱為頻率，f,赫茲(Hz),1Hz=1s-1聲速：振動(dòng)狀態(tài)在媒質(zhì)中的傳播速度稱為聲速，c(m/s)。實(shí)際計(jì)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(shí)聲速近似值（m/s）聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)

a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。

b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)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(yuǎn)處）2X10-2柴油發(fā)動(dòng)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)c.聲壓級(jí):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(duì)數(shù)再乘20，即：聲壓級(jí)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(diǎn)在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)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(shì)能。這兩部分能量之和就是由于聲擾動(dòng)使媒質(zhì)得到的聲能量，以聲的波動(dòng)形式傳遞出去。聲波的聲能密度聲能密度定義：聲場(chǎng)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(duì)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(jí)a.聲功率:聲源在單位時(shí)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(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。聲功率W與基準(zhǔn)聲功率W0之比的常用對(duì)數(shù)聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.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（W/m2）。b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與基準(zhǔn)聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。2.2聲波的疊加對(duì)于互不相干的多個(gè)噪聲源，它們之間不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。這時(shí)，空間某處的總聲壓Pe為上式表明，對(duì)于多個(gè)聲波，當(dāng)各個(gè)聲波間不存在固定相位差時(shí)，其能量可以直接疊加。總聲壓級(jí)為：

Lp=10lg=10lg[100.1L+100.1L](dB)對(duì)應(yīng)n個(gè)聲源的一般情況有：

Lp=10lg(∑100.1L)【例1】在車間某操作點(diǎn)分別測(cè)量兩噪聲源的聲壓級(jí)為100分貝和95分貝，問總的聲壓級(jí)是多少分貝？解：（1）計(jì)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(gè)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?yàn)榭刂聘哳l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(cè)量和工程設(shè)計(jì)中具有實(shí)用價(jià)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(dá)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同頻率的聲音做相對(duì)比較時(shí)，起決定作用的是兩個(gè)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(gè)倍頻程，中音6和高音6相差一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)頻率作相對(duì)比較的單位叫倍頻程，兩個(gè)頻率相差2個(gè)倍頻程意味著其頻率之比22，相差3個(gè)倍頻程意味著兩個(gè)頻率之比為23，依此類推。在噪聲測(cè)量中，通用的倍頻程有n＝1時(shí)的1／1倍頻程，簡稱倍頻程；有n＝1／2時(shí)的1／2倍頻程；有n＝1／3時(shí)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(huì)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(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)，后一種媒質(zhì)就是一種障礙物。障礙物會(huì)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(shí)，一部分會(huì)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(jìn)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(gè)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(shí)，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(shí)反射波pr與法向成θr角，在第二個(gè)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(shí)，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(shí)方向就要改變。當(dāng)c2>c1時(shí)會(huì)存在某個(gè)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(shí)，聲波不能進(jìn)入媒質(zhì)Ⅱ中從而形成聲波的全反射。理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗率接近時(shí)，即ρ1c1＝ρ2c2

，聲波幾乎全部由第一種介質(zhì)進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一種介質(zhì)聲阻抗率時(shí)，即ρ2c2》ρ1c1

，聲波大部分都會(huì)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(dá)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(duì)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(shí)，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(jìn)，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(gè)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(cè)量球面上各點(diǎn)的聲強(qiáng)，求得所有方向上的平均聲強(qiáng)，將某一方向上得聲強(qiáng)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(duì)聲壓級(jí)的計(jì)算公式進(jìn)行修正，自由聲場(chǎng)中在某一方向θ上的聲壓級(jí)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(kuò)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(kuò)散引起的衰減擴(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。

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(shí)，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(dòng)或振動(dòng)時(shí)存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時(shí)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(duì)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)：

聲波的頻率，Hz相對(duì)濕度傳播距離，m

2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)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(shí)：地面吸收將會(huì)對(duì)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(shí)，在頻率為1000Hz時(shí)的附加衰減較大，可高達(dá)

25/100mdB。附加衰減量的近似計(jì)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(shí)，不同樹林的衰減相差很大，在1000赫茲時(shí)：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(diǎn)之間存在密實(shí)材料形成的障礙物時(shí)會(huì)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(shí)會(huì)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(dá)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