聲學(xué)知識普及課件

聲學(xué)知識普及車輛試驗(yàn)部2023年8月10日聲學(xué)知識普及車輛試驗(yàn)部聲音:來源于物體的振動(dòng)。聲音是一種物理現(xiàn)象，是描述

由于媒體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)點(diǎn)密度隨時(shí)間變化的情況聲音:來源于物體的振動(dòng)。聲音是一種物理現(xiàn)象，是描述

由于媒聲音傳播周期T是一次聲振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。單位是s

聲音傳播周期T是一次聲振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。單位是s波長：聲波傳播過程中兩個(gè)相繼的同相位點(diǎn)之間的空間距離

用符號λ表示，單位是m波長：聲波傳播過程中兩個(gè)相繼的同相位點(diǎn)之間的空間距離

頻率：每秒聲振動(dòng)的次數(shù)，記作f，單位是赫茲(Hz)

頻率：每秒聲振動(dòng)的次數(shù)，記作f，單位是赫茲(Hz)不同聲源的頻率范圍不同聲源的頻率范圍聲學(xué)基本術(shù)語聲學(xué)基本術(shù)語1、聲的基本特性參數(shù)1.1頻率和周期每秒聲振動(dòng)的次數(shù)稱為聲的頻率，記作f，單位是赫茲(Hz)。人耳能聽到的聲，其頻率范圍是20~20000Hz。低于20Hz的稱為次聲，高于20000Hz的稱為超聲。人耳對于3000Hz左右的聲感覺最靈敏；對低于63Hz和高于16000Hz的聲，即使勉強(qiáng)聽得見，反應(yīng)也很不靈敏。所以，在噪聲控制領(lǐng)城內(nèi)，主要對63~16000Hz的聲有興趣。周期T是一次聲振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。它是頻率的倒數(shù)，單位是s。

T=1/f1.2波長和聲速聲波傳播過程中兩個(gè)相繼的同相位點(diǎn)之間的空間距離叫波長，用符號λ表示，單位是m。聲速是擾動(dòng)在介質(zhì)中傳播的速度，記作c，單位是m/s?？諝庵械穆曀俸惋L(fēng)速是兩個(gè)不同的概念。風(fēng)速是空氣分子往某個(gè)方向遷移的速度，而聲速是空氣分子在某個(gè)方向上的往復(fù)振動(dòng)的傳播速度。15℃時(shí)空氣中的聲速為340m/s。頻率f、波長λ、聲速c之間有如下關(guān)系式：1、聲的基本特性參數(shù)1.3質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度介質(zhì)分子在聲傳播過程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度叫質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，記作v。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有別于聲速。在聲傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近振動(dòng)。這種振動(dòng)被傳播出去，而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的平衡位置卻保持原地不動(dòng)。1.4聲壓及其瞬時(shí)值、平均值和有效值考慮聲在理想氣體介質(zhì)中傳播的情況。設(shè)沒有聲波傳播時(shí)介質(zhì)處于平衡狀態(tài)，壓力為p0。聲在氣體介質(zhì)中以疏密波的形式進(jìn)行傳播。因此聲場中每一點(diǎn)的壓力都在平衡壓力p0上疊加一個(gè)瞬息變化的微小壓力，叫做聲壓，單位是帕(Pa)。聲壓瞬時(shí)值記作p(t)。測量聲壓的傳感器是傳聲器。有了聲壓，人耳才能聽到聲音。假定討論的是純音，就是由單一頻率組成的聲音，則其聲壓瞬時(shí)值可用余弦函數(shù)表述：式中，pm為幅值，即最大值，ω為圓頻率，ω=2πf。聲壓平均值為對純音來說，其平均值為零。幸好人耳聽到的聲音強(qiáng)弱不是由平均值的大小決定的，否則將聽不到任何純音。聲音的強(qiáng)弱是由聲壓的有效值決定的。1.3質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有效值就是均方根值，記作prms，時(shí)常簡單地寫成p，對周期函數(shù)有：對純音來說，有效值通常我們說到聲壓，如果不加說明，那么就是指聲壓的有效值。1.5聲強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)在某一點(diǎn)通過與某一方向垂直的單位面積的聲能量的平均值叫聲強(qiáng)，用符號I表示，單位是W／m2。顯然，談?wù)撀晱?qiáng)而不提所論方向，是毫無意義的。迄今還沒有能夠直接測量聲強(qiáng)的傳感器。只能用兩個(gè)聲壓傳感器通過信號分析及處理來間接測量聲強(qiáng)。1.6聲功率聲功率是聲源以空氣聲的形式輻射的功率，記作W，單位是W(瓦)。聲功率不能直接測量，而只能根據(jù)聲壓和測量面等間接測量。

聲壓是就聲場中某一點(diǎn)而論的，聲強(qiáng)是就聲場中某一點(diǎn)和某一方向而論的。而聲功率是就某一聲源而論的。有效值就是均方根值，記作prms，時(shí)常簡單地寫成p，對周期函聲壓及聲功率

溫度t[°C]功率P[W]電加熱器類比聲壓p[N/m2=Pa]聲源Lp[dB]聲功率P[W]聲壓及聲功率溫度t[°C]功率P[W]電加熱器每小時(shí)3次開始于每小時(shí)的第10分

...

06:1006:3006:5007:1007:3007:5008:10...火車時(shí)刻表112234567891011頻譜分析概念時(shí)間(何時(shí)?)頻率(頻度?).火車時(shí)刻表112234567891011頻譜分析概念時(shí)間頻為什么進(jìn)行頻譜分析？幅值時(shí)間頻率ABCDE幅值聲學(xué)振動(dòng)的數(shù)字化描述DE振動(dòng)ABC聲音自然界時(shí)域中，各種影響混疊在一起。而頻域中，通常卻明顯分離為什么進(jìn)行頻譜分析？幅值時(shí)間頻率ABCDE幅值聲學(xué)振動(dòng)信號類型時(shí)間頻率正弦時(shí)間頻率方波時(shí)間頻率瞬態(tài)時(shí)間頻率理想脈沖時(shí)域上無限長頻域上帶寬有限時(shí)域上有限長頻域上帶寬無限信號類型時(shí)間頻率正弦時(shí)間頻率方波時(shí)間頻率瞬態(tài)時(shí)間頻率理想脈沖信號類型確定性隨機(jī)連續(xù)瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)信號穩(wěn)態(tài)信號時(shí)間時(shí)間頻率頻率頻率頻率時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間信號類型確定性隨機(jī)連續(xù)瞬態(tài)非穩(wěn)態(tài)信號穩(wěn)態(tài)信號時(shí)間時(shí)間頻率頻率由于許多聲學(xué)性質(zhì)，如吸聲、隔聲、繞射、衰減、阻尼等等都與頻率大小有關(guān)，我們研究聲學(xué)不能只研究聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等等而忽略聲的頻率結(jié)構(gòu)。所以噪聲控制工程中分析聲的頻率是一件十分重要的工作。常用的方法有兩種，一種是根據(jù)聲壓的時(shí)間歷程記錄進(jìn)行快速Fourier變換(FFT)，另一種是將整個(gè)頻率范圍劃分成許多首尾相連的頻帶(頻程)，對應(yīng)于每一個(gè)頻帶設(shè)置一個(gè)帶通濾波器，以便測定每個(gè)頻帶的聲壓值。頻譜分析因其帶寬的劃分方法不同而分成：倍頻程(或記作1／1倍頻程)分析；

1／3倍頻程分析；2.1倍頻程分析倍頻程頻帶是這樣劃分的，每個(gè)頻帶的上限截止頻率為其下限截止頻率的兩倍。而中心頻率為上、下限截止頻率乘積的平方根。所以，若設(shè)

f1=下限截止頻率；

f2=上限截止頻率；

f0=中心頻率；

bw=帶寬，即上、下限截止頻率之差。由于許多聲學(xué)性質(zhì)，如吸聲、隔聲、繞射、衰減、阻尼等等都與頻率則由上面公式可得下一個(gè)倍頻帶的下限截止頻率就是上一個(gè)倍頻帶的上限截止頻率。因此，兩個(gè)相鄰的倍頻程頻帶的上、下限截止頻率、中心頻率和帶寬之間均相差一倍。在可聞的頻率范圍內(nèi)，各個(gè)倍頻程倍頻帶的中心頻率為31.5，63，125，250，500，1k，2k，4k，8k和16k(Hz)。這是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的規(guī)定。2.21／3倍頻程分析將一個(gè)倍頻程頻帶再分成三個(gè)頻帶，每個(gè)頻帶的上限截止頻率f2為其下限截止頻率f1的21/3倍，即這樣的頻帶稱為1／3倍頻程頻帶。相應(yīng)地有聲學(xué)知識普及ppt課件一般地，一個(gè)m倍顛程的上、下限截止顛率、中心頻率和帶寬之間有如下關(guān)系3、聲級與分貝

描述風(fēng)力大小用1~12級。每一級對應(yīng)于一定的風(fēng)速范圍。天氣預(yù)報(bào)一般只說風(fēng)力多少級，而不說風(fēng)速多少。這樣做似乎不很精確，但一聽便知道風(fēng)力多大，清楚明了。反之，如果天氣預(yù)報(bào)不講風(fēng)力的級別而報(bào)風(fēng)速多少，便可能因?yàn)轱L(fēng)速的數(shù)值范圍太大，反倒覺得不能跟日常生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系了。聲學(xué)中的情況類似。從剛剛聽得出的聲強(qiáng)到人耳可能接觸到的最大聲強(qiáng)，數(shù)值相差10000億倍，即1012倍以上。在這樣廣闊的數(shù)值范圍內(nèi)描述其大小極不方便。所以聲學(xué)中也用聲級來描述聲的強(qiáng)弱。聲級包括聲強(qiáng)級、聲壓級和聲功率級等。這是一種無量綱的對數(shù)值，對數(shù)能壓縮數(shù)值范圍。3.1聲強(qiáng)級和聲壓級

聲強(qiáng)級的定義為

一般地，一個(gè)m倍顛程的上、下限截止顛率、中心頻率和帶寬之間有式中，I為所論聲強(qiáng)(W/m2)，Ire為參考聲強(qiáng)，為10-12(W/m2)。有的文獻(xiàn)用SIL表示聲強(qiáng)級，但我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用LI表示。這一定義自電訊工程移植而來。電訊工程中為了描述一個(gè)電學(xué)量的大小，往往將其數(shù)值與人為地規(guī)定的參考數(shù)值之比取以10為底的對數(shù)，單位為貝(Bel)，以紀(jì)念電話發(fā)明人貝爾(Bell)。通常因?yàn)樨愡@個(gè)單位太大，故取其1／10作單位，叫分貝，簡寫為dB。既然單位縮小到原先的1/10，數(shù)值便要相應(yīng)地乘以10，故得前文所示的定義式。聲壓級定義聲壓可以用傳聲器作為傳感器直接測定，聲強(qiáng)卻不能利用某種傳感器直接地測定，而只能利用聲壓傳感器間接地測定。所以，雖然聲壓與聲強(qiáng)之間有著如前面公式所描述的確定的關(guān)系，早期卻只能用聲壓來描述人耳能聽到的最弱聲音的強(qiáng)度。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，聽覺正常的青年人能聽得出的最低聲壓在20×10-6Pa即20μPa左右。因此將這一聲壓定為參考聲壓。即3.2聲功率級聲功率級定義與聲強(qiáng)的定義有類似的形式：式中，W為所論聲功率，Wre為參考聲功率，Wre=10-12W式中，I為所論聲強(qiáng)(W/m2)，Ire為參考聲強(qiáng)，為10-1某些典型聲源的聲功率和聲功率級聲源聲功率（W）聲功率級（dB）輕聲耳語小鐘滴答談話聲叫喊聲鋼琴唱機(jī)（大聲）織布機(jī)卡車?yán)葰忮N管樂器（峰值）大型鼓風(fēng)機(jī)大型噴氣機(jī)宇宙火箭10-92*10-810-510-32*10-310-210-110-11101021044*1073043709093100110110120130140160196某些典型聲源的聲功率和聲功率級聲源聲功率（W）聲功率級（dB分貝分貝聲壓級的范圍聲壓級的范圍轉(zhuǎn)換的簡單規(guī)則轉(zhuǎn)換的簡單規(guī)則向dB轉(zhuǎn)換的圖表說明向dB轉(zhuǎn)換的圖表說明分貝（dBs）的理解聲級變化（dB）感知的響度變化3可以察覺5顯著差異102倍（1/2倍）響15大幅變化204倍（1/4倍）響分貝（dBs）的理解聲級變化（dB）感知的響度變化3可3.3聲壓級的加法噪聲控制工程中經(jīng)常會(huì)遇到這類問題：已知各聲源單獨(dú)開動(dòng)時(shí)傳到某點(diǎn)的聲壓，求各聲源同時(shí)開動(dòng)時(shí)該點(diǎn)的聲壓?；蛞阎宦曉磦鞯侥滁c(diǎn)的各頻帶的聲壓，求總聲壓。顯然，由于分貝是對數(shù)值，所以聲壓疊加時(shí)不能簡單地通過分貝值的算術(shù)相加來求取聲壓疊加的結(jié)果。因?yàn)槁晧旱木街蹬c能量成正比，所以按下式相加的方法稱為以能量為基礎(chǔ)的加法

3.4聲壓級的減法下面的問題涉及聲壓級的減法：已知兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)開動(dòng)和只開一臺(tái)機(jī)器時(shí)某點(diǎn)的聲壓，求另一臺(tái)機(jī)器單獨(dú)開動(dòng)時(shí)該點(diǎn)的聲壓?；驕y量某臺(tái)機(jī)器的聲壓級時(shí)要剔除背景噪聲的影響。或已知某臺(tái)完整的機(jī)器開動(dòng)時(shí)和拆除某一部件后機(jī)器開動(dòng)時(shí)某點(diǎn)的聲壓，求被拆除的部件單獨(dú)發(fā)出的噪聲傳到該點(diǎn)的聲壓。聲壓級的減法也要以能量為基礎(chǔ)進(jìn)行。3.3聲壓級的加法兩個(gè)聲源1. 1dB+1dB=4dB 2. 2dB+2dB=5dB 3. 3dB+3dB=6dB 4. 80dB+80dB=83dB 5. 80dBx2=83dB 6. 80dB-77dB=77dB 7. 80dB-70dB=79.5dB 8. 90dBx10=100dB 9. 80dB+(-80dB)=80dB兩個(gè)聲源1. 1dB+1dB=43.5聲壓級加、減法圖解1.聲壓級加法圖解已知Lp1和Lp2，求兩者疊加后得到的Lp。設(shè)Lp1>Lp2。公式兩邊同除以，得此式給出了(Lp-Lp1)與(Lp1-Lp2)之間的隱函數(shù)。這一隱函數(shù)示于下圖，橫坐標(biāo)為(Lp1-Lp2)，縱坐標(biāo)為(Lp-Lp1)。從圖上查出ΔLp=Lp-Lp1,便可得出Lp=Lp1+ΔLp3.5聲壓級加、減法圖解2.聲壓級的減法圖解已知兩聲壓級之和Lp和其中之一Lp1，求另一聲壓級Lp2。公式兩邊同除以，得此式給出了(Lp-Lp1)與(Lp-Lp2)之間的隱函數(shù)。這一隱函數(shù)示于下圖，橫坐標(biāo)為(Lp-Lp1)，縱坐標(biāo)為(Lp-Lp2)。從圖上查出ΔLp=Lp-Lp2

，便可得出Lp2=Lp-ΔLp2.聲壓級的減法圖解3.6聲壓級的平均值在確定聲原指向特性時(shí)要計(jì)算聲壓級的平均值；在測定內(nèi)燃機(jī)聲功率時(shí)也要計(jì)算聲壓級的平均值。計(jì)算平均值首先要求和。聲壓級的平均以能量為基礎(chǔ)。中的代表著能量之和，將它除以n就是對能量進(jìn)行平均，所以聲壓級的平均值按下式計(jì)算式中是各聲壓級之和。以上是求聲壓級平均值的精確計(jì)算法。3.6聲壓級的平均值4、計(jì)權(quán)聲級4.1幾種計(jì)權(quán)聲級等響曲線4、計(jì)權(quán)聲級等響曲線上圖的等響曲線反映了頻率對人耳響度感覺的影響。可以看出人耳對3000~4000Hz的聲音特別敏感，而對低頻聲，特別是對100Hz以下的可聽聲卻不敏感。這就是說，聲壓級相同但頻率不同的純音聽起來并不是等響的。在評價(jià)組成某噪聲的倍頻帶聲壓級總的后果時(shí)，若測試儀器僅簡單地將它們按能量法則相加，則反映不出這種由頻率影響引起的感覺上的差別。因此，人們試圖使測試儀器(聲級計(jì))模仿人耳的特點(diǎn)，也能對聲壓級相同但頻率不同的噪聲產(chǎn)生不同的“感覺”。一種較為簡單的方法是，對各頻帶聲壓級按其中心頻率進(jìn)行修正，然后按能量法則相加。修正可在儀器內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行。方法是將聲信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波，使有些頻率成份衰減掉一些，而使另一些頻率成份增強(qiáng)一些。修正后的各頻帶聲壓級與等響的1000Hz純音的聲壓級接近。這種方法叫做加權(quán)或計(jì)權(quán)。然后按能量法則相加，便得計(jì)權(quán)聲級。目前國際上最常用的計(jì)權(quán)方法有三種，反映在聲級計(jì)上就是A，B，C三檔，分別模擬人耳對40方、70方和100方純音的響應(yīng)特性設(shè)置計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，測量時(shí)聲信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波后按頻率獲得不同程度的衰減或增益。三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)曲線如下圖所示。可以看出，對于A檔在低頻范圍衰減相當(dāng)大，在1250~5000Hz反而略有提高。對于C檔，在可聽聲范圍內(nèi)基本上是平坦的。對于B檔則介于兩者之間。在有些聲級計(jì)中還設(shè)置D檔計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對高頻聲作了較大補(bǔ)償，主要用于評價(jià)航空噪聲。聲級計(jì)上不經(jīng)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波的則稱為線性檔。上圖的等響曲線反映了頻率對人耳響度感覺的影響40dB的等響曲線和A計(jì)權(quán)40dB的等響曲線（1000Hz歸一化到0dB）40dB等響曲線的倒數(shù)和A-計(jì)權(quán)曲線的對比40dB的等響曲線和A計(jì)權(quán)40dB的等響曲線（100頻率計(jì)權(quán)曲線頻率計(jì)權(quán)曲線

經(jīng)過A，B，C三檔計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波后測得的各頻帶聲壓級按能量法則相加所得之總聲壓級叫做A，B，C計(jì)權(quán)聲級，簡稱A，B，C聲級，分別記為LA，LB，LC，單位都是dB，不過分別加上A，B，C．成為dB(A)，dB(B)，dB(C)，線性檔記為LT。實(shí)際測量時(shí)，用聲級計(jì)按照A，B，C及線性檔測量相應(yīng)的聲級，可以大致得出噪聲頻譜特性而不需要外接濾波器。例如，當(dāng)LA與LC，LT差不多時(shí)，即可確定所測的噪聲以中高頻成份為主，噪聲頻譜的主要成份在600Hz以上。特別是當(dāng)LA略高于LC甚至LT時(shí)，可確定噪聲主要成份在1600~4000Hz范圍內(nèi)。又如當(dāng)LA顯著低于LC和LT時(shí)：即可確定所測噪聲以低頻成份為主，噪聲頻譜主要成分在500Hz以下。這時(shí)如果Lc與LT相差不多，可確定噪聲主要成分在可聽聲的低頻范圍；如果Lc顯著低于LT

，就可確定噪聲主要成分在次聲范圍。目前在噪聲控制中，廣泛采用A聲級作為噪聲評價(jià)的主要指標(biāo)。由于A聲級容易直接測定，并且A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的衰減特性是完全確定的，用A聲級評價(jià)易于對不同的測量結(jié)果進(jìn)行比較，因此把A聲級作為噪聲評價(jià)的指標(biāo)是很適宜的。經(jīng)過A，B，C三檔計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波后測得的各頻帶4.2A計(jì)權(quán)聲級的計(jì)算噪聲控制工程中，經(jīng)常需要把倍頻程或1/3倍頻程聲壓級換算成A計(jì)權(quán)聲級和總聲級。例如對某一聲源采用噪聲控制技術(shù)時(shí)，根據(jù)各頻帶的降噪隔噪效果估計(jì)值可預(yù)測可望達(dá)到的各頻帶聲壓級，再換算成A聲級。又如測定各頻帶聲壓級時(shí)，可將測得的數(shù)據(jù)換算成A聲級，并與儀器直接測得的A聲級對比，作為一種校驗(yàn)。由各頻帶聲壓級換算成A聲級時(shí)，可從各頻帶聲壓級Lpi加上該頗帶中心頻率所對應(yīng)的A計(jì)權(quán)修正值△i．然后以能量為基礎(chǔ)相加得LA。式中，Lpi為第i個(gè)頻帶的聲壓級，△i為第i個(gè)頻帶所對應(yīng)的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正值，簡稱A修正，以dB為單位。A修正可由計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性圖或下表查得。值得注意的是：在評價(jià)減噪措施的實(shí)際效果時(shí)．單憑A聲級的減少量是不夠的，必須同時(shí)給出噪聲頻率的變化。通常所說的噪聲級，如果不加特別說明．指的就是A聲級。其單位為dB，不一定記為dB(A)。4.2A計(jì)權(quán)聲級的計(jì)算式中，Lpi為第i個(gè)頻帶的聲例試由下列倍頻程聲壓級Li計(jì)算總的A聲級LA。例試由下列倍頻程聲壓級Li計(jì)算總的A聲級LA。不同頻帶的A修正不同頻帶的A修正頻譜圖和總級值頻譜圖和總級值聽覺聲場語音頻率范圍：200Hz---6000Hz清晰語音頻率范圍：500Hz---4000Hz聽覺聲場語音頻率范圍：200Hz---6000Hz關(guān)于汽車噪聲的基本概念按危害區(qū)域分車內(nèi)噪聲：勻速行駛噪聲、怠速噪聲、滑行噪聲等。車外噪聲：加速行駛噪聲、勻速噪聲、制動(dòng)噪聲等。按聲源性質(zhì)分燃燒噪聲：發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程直接產(chǎn)生的噪聲?？諝鈩?dòng)力性噪聲：氣體流動(dòng)過程產(chǎn)生的噪聲