聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律

聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律第1頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三1Chapter2

聲波的基本性質(zhì)及傳播規(guī)律

2.1

聲音的產(chǎn)生及描述方法2.2

聲波的描述2.3

聲波的傳播特性2.4

聲源的輻射特性第2頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三22.1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。第3頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三32.1聲音的產(chǎn)生及描述方法聲波：這種向前推進(jìn)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。第4頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三42.2

聲波的描述

2.2.1

描述聲波的基本物理量2.2.2

聲音的物理量度2.2.3

聲波的類型第5頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三52.2.1描述聲波的基本物理量第6頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三62.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相第7頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三72.2.1描述聲波的基本物理量1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動每往復(fù)一次所需要的時間，單位為秒（s）。2.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)<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第8頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三82.2.1描述聲波的基本物理量3.波長：聲波兩個相鄰密部或兩個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。第9頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三92.2.1描述聲波的基本物理量4.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。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℃時聲速近似值（m/s）第10頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三101.聲壓與聲壓級2.聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級3.聲功率與聲功率級4.聲能密度5.頻譜和頻程2.2.2

聲波的物理量度第11頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三112.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級：靜態(tài)壓強(qiáng)第12頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三121.聲壓和聲壓級

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。第13頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三13

1.聲壓和聲壓級：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)第14頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三14c.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：

1.聲壓和聲壓級：聲壓級單位：分貝。

第15頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三152.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級：a.聲強(qiáng):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(qiáng)度，簡稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米

。第16頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三16b.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：2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級：聲強(qiáng)級單位：分貝。第17頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三17聲壓級和聲強(qiáng)級的關(guān)系：第18頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三183.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。第19頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三19b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時：波陣面面積第20頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三20c.聲功率級聲功率級單位：分貝。第21頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三214.聲能密度定義：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：

第22頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三225.頻程和頻譜：a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。第23頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三23常見噪聲的頻譜圖第24頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三245.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。第25頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三25**聲級的運(yùn)算

a.聲級的疊加（公式法）當(dāng)n個聲源互不干涉時：當(dāng)n=2時，第26頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三26a.聲級的疊加（公式法）

由于：代入上式：第27頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三27a.聲級的疊加：當(dāng)n個聲源時，表示為聲壓級：第28頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三28a.聲級的疊加（查表、圖法）：

令：則：代入下式中：可得：第29頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三29a.聲級的疊加（查表、圖法）：

令：第30頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三30a.聲級的疊加：△Lp第31頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三31a.聲級的疊加：

求出總聲壓的有效值當(dāng)n個聲源發(fā)生干涉時：先求出瞬時聲壓求出總聲壓級第32頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三32b.聲級的相減儀器測的噪聲聲源真實噪聲背景噪聲第33頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三33b.聲級的相減第34頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三34b.聲級的相減：

第35頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三352.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動方程為：或第36頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三362.2.2聲波的類型波陣面:是指空間同一時刻相位相同的各點(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。聲線：常稱為聲射線，就是自聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。第37頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三372.2.2聲波的類型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，稱其為平面聲波。波前：聲波傳播時處于最前沿的波陣面稱為波前。第38頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三381.平面聲波：第39頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三391.平面聲波：a.波動方程：對于簡諧振動而言：第40頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三401.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動速度：對于簡諧振動而言：質(zhì)點(diǎn)振動的速度振幅第41頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三411.平面聲波：c.聲阻抗率：對于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pa·s/m）第42頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三421.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。第43頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三432.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。a.波動方程：對于從球心向外傳播的簡諧球面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。第44頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三442.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。第45頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三453.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：對于遠(yuǎn)場簡諧柱面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。第46頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三463.柱面聲波：

b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。第47頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三472.2.2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)出的半徑線線聲源第48頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三482.3聲波的傳播特性2.3.1聲場2.3.2聲波的反射、透射、折射

2.3.3聲波的散射與衍射

2.3.4聲波的疊加2.3.5聲波在傳播中的衰減第49頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三492.3.1

聲場（SoundField）1.聲場的概念：聲場是指傳播聲波的空間。按聲場的性質(zhì)可以將聲場分為：自由聲場；擴(kuò)散聲場；半自由聲場

第50頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三502.聲場的分類自由聲場:我們把可以忽略邊界影響，由各向同性的均勻介質(zhì)形成的聲場稱為自由聲場。第51頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三51自由聲場（FreeSoundField）消聲室第52頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三52自由聲場（FreeSoundField）消聲室第53頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三532.聲場的分類擴(kuò)散聲場（混響聲場）:如果室內(nèi)各處的聲壓級幾乎相等，聲能密度也處處相等，那么這樣的聲場就叫做擴(kuò)散聲場（混響聲場）。半自由聲場(半擴(kuò)散聲場):第54頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三542.聲場的分類半自由聲場(半擴(kuò)散聲場):第55頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三552.3.2聲波的反射、透射、折射piptpr第56頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三561.聲波的反射定律與折射定律入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿足Snell定律：a.反射定律：b.折射定律：第57頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三57c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：聲波的折射是由聲速決定的。思考題：1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？第58頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三58思考題1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？第59頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三59思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？第60頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三602.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。聲壓的透射系數(shù)為透射聲壓與入射聲壓的比值。第61頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三61a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：可以導(dǎo)出：第62頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三62b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：第63頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三633.吸聲系數(shù)定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱為吸聲系數(shù)。rp

的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入射的方向有關(guān)。第64頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三644.當(dāng)聲波垂直入射時的反射系數(shù)和透射系數(shù)

當(dāng)聲波垂直入射時，聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：第65頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三652.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射在聲波傳播過程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長差不多，則當(dāng)聲波入射時，就產(chǎn)生各個方向的反射，這種現(xiàn)象稱為散射。聲波的散射既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)。第66頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三662.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：在聲波傳播過程中，遇到的障礙物或孔洞時，如果聲波的波長比障礙物尺寸大得多，聲波會繞過障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。第67頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三672.聲波的衍射第68頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三682.3.4聲波的疊加

1.聲壓的疊加2.能量的疊加第69頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三692.3.4聲波的疊加

3.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)生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源。第70頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三70聲波的干涉現(xiàn)象第71頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三712.3.5

聲波在傳播中的衰減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

）第72頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三72

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。第73頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三73

1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級可表示為：第74頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三74

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：

將W0=10-12W、I0=10-12W代入式中便得到：

第75頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三75

1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時的發(fā)散衰減可表示為：第76頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三76

a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時：

因此從S1處傳播到S2處時的發(fā)散衰減：第77頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三77

b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為：

因此從r1處傳播到r2處時的發(fā)散衰減：第78頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三78c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無限長線聲源：r0>L/π，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr0第79頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三79d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a/π≤r0<b/π,面聲源視為無限長線聲源來計算。r0>b/π，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0a<b第80頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三80

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。第81頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三81

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第82頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三82

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第83頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三83

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70m以上應(yīng)予以考慮。第84頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三84

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(dá)

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第85頁，共95頁，2023年，2月20日，星期三85

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：第86頁，共