第九講-聲學(xué)基礎(chǔ)課件

汽車振動(dòng)與噪聲控制山東交通學(xué)院徐傳燕汽車振動(dòng)與噪聲控制山東交通學(xué)院徐傳燕2第二章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率2.4噪聲及其控制技術(shù)22第二章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2

1895年，新建成的哈佛大學(xué)弗格藝術(shù)博物館（FoggArtMuseum），講演廳卻因無法聽聞的音響效果而不能使用，“這座建筑跟院子里的其他任何講演廳一樣不能讓人滿意，消除這些障礙是研究生們的義務(wù)!”于是，哈佛大學(xué)校長(zhǎng)埃利奧特（CharlesW.Eliot，1834—1926年）向物理學(xué)系求助，27歲的助教W.C.塞賓受命。

聲學(xué)研究發(fā)展簡(jiǎn)介-塞賓

1895年，新建成的哈佛大學(xué)弗格藝術(shù)博物館（FoggAr3

塞賓與兩位實(shí)驗(yàn)室助理選取桑德爾斯劇院（聲效極佳）、杰弗遜大廳講演室（聲效一般）、弗格講演廳（聲效極差）為真實(shí)的物理模型，把杰弗遜大廳地下室裝備成混響測(cè)試室，并借用桑德爾斯劇院數(shù)百個(gè)軟椅墊，每天午夜后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用管風(fēng)琴作為聲源，在房間中產(chǎn)生大約512赫茲的中頻段聲音，然后將聲源切斷，再測(cè)量聲音從剛剛切斷到衰減至聽不到所花的時(shí)間，儀器僅為秒表和試驗(yàn)者的耳朵。

塞賓與兩位實(shí)驗(yàn)室助理選取桑德爾斯劇院（聲效極佳）、杰弗遜大41898年,塞賓,得出了著名的塞賓混響公式即房間的吸聲量乘以RT常數(shù)。指出了吸聲對(duì)于房間混響具有決定性的作用。奠定了廳堂聲學(xué)乃至整個(gè)建筑聲學(xué)的基礎(chǔ)。

其后他擔(dān)任了波士頓音樂廳的聲學(xué)顧問。這座音樂廳,是第一座經(jīng)過科學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)而成的音樂廳。1898年,塞賓,得出了著名的塞賓混響公式即房間的吸聲量乘5

1911年,他為Jons2Manville公司咨詢,

建議他們開發(fā)一種聲學(xué)石膏。

1910年到1915年,他與Gustavino公司合作,先是開發(fā)了一種多孔的陶制品,后來是一種多孔的磚,用于圣托馬斯教堂、河畔教堂。

1911年,他為Jons2Manville公司咨詢,

6聲學(xué)藝術(shù)穿孔石膏板玻璃纖維加強(qiáng)石膏板聲學(xué)藝術(shù)穿孔石膏板玻璃纖維加強(qiáng)石膏板72.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.1.1聲波基本概念2.1.2理想介質(zhì)中的聲場(chǎng)波動(dòng)方程2.1.3聲波與聲源2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.1.1聲波基本概念81.聲波基本概念何為聲波？媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)由近及遠(yuǎn)的傳播稱為聲振動(dòng)的傳播或聲波。1.聲波基本概念何為聲波？9聲波實(shí)際是聲場(chǎng)在空間內(nèi)媒質(zhì)的狀態(tài)量隨時(shí)間的擾動(dòng)量變化和傳遞，如果這種變化是時(shí)間的諧波函數(shù)形式，則稱為簡(jiǎn)諧聲波產(chǎn)生聲波的兩個(gè)必要條件：振動(dòng)、媒質(zhì)；空氣中聲波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向是一致的，屬于縱波；聲場(chǎng)（soundfield）：聲音傳播經(jīng)過的媒質(zhì)空間或聲波所到達(dá)的空間或存在聲壓的空間。聲波實(shí)際是聲場(chǎng)在空間內(nèi)媒質(zhì)的狀態(tài)量隨時(shí)間的擾動(dòng)量變化和10第九講--聲學(xué)基礎(chǔ)ppt課件11聲壓與聲壓級(jí)a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。b.平均聲壓

對(duì)于純音，平均值為0

靜態(tài)壓強(qiáng)聲壓與聲壓級(jí)靜態(tài)壓強(qiáng)12

c.有效聲壓：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求均方根值即得有效聲壓

用電子儀表測(cè)量得到的通常是有效聲壓,人們習(xí)慣上講的聲壓實(shí)際上也是有效聲壓.c.有效聲壓：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求均方根13聲壓?jiǎn)挝唬篜a（帕）人耳對(duì)1kHz聲音的可聽閾約為：聲壓?jiǎn)挝唬篜a（帕）人耳對(duì)1kHz聲音的可聽閾約為：14理想流體媒質(zhì)的三個(gè)基本方程如何認(rèn)知聲波的特性？運(yùn)動(dòng)方程（牛頓第二定律）連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）物態(tài)方程（熱力學(xué)基本定律）理想流體媒質(zhì)的三個(gè)基本方程如何認(rèn)知聲波的特性？15推導(dǎo)波動(dòng)方程作的假設(shè):媒質(zhì)為理想流體，不存在粘性，無能量耗損。媒質(zhì)初速度為零，均勻分布，故靜態(tài)壓強(qiáng)、密度為零。整個(gè)過程絕熱。聲波為小振幅聲波。推導(dǎo)波動(dòng)方程作的假設(shè):16基本定律動(dòng)量守恒定律（牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)方程）質(zhì)量守恒定律（連續(xù)性方程）熱力學(xué)基本定律（物態(tài)方程）基本定律動(dòng)量守恒定律（牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)方程）17聲場(chǎng)的特征可以通過媒質(zhì)中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)的速度以及密度來描述，隨空間的位置以及時(shí)間而變化。P(x,t)，u(x,t)，

ρ(x,t)聲波方程（描述聲音產(chǎn)波的規(guī)律）即描述聲場(chǎng)時(shí)間、空間變化規(guī)律和相互聯(lián)系。聲場(chǎng)的特征可以通過媒質(zhì)中的聲壓、質(zhì)點(diǎn)的速度以及密度來描述，隨18

運(yùn)動(dòng)方程（牛頓第二定律）P0+PP0+P+dPxx+dxF1F2S取一體積單元，在x方向位置從x到x+dx，橫截面積為S。運(yùn)動(dòng)方程（牛頓第二定律）P0+PP0+P+dPxx+dxF19P0+PP0+P+dPxx+dxF1F2S體積單元左側(cè)受力：F1＝(P0+P)S體積單元右側(cè)受力：F2＝(P0+P+dP)S

聲壓的變化量：合力：注：P(x,t)P0+PP0+P+dPxx+dxF1F2S體積單元左側(cè)受力：20根據(jù)牛頓第二定律：即：運(yùn)動(dòng)方程根據(jù)牛頓第二定律：即：運(yùn)動(dòng)方程21

物態(tài)方程對(duì)于絕熱過程，壓強(qiáng)僅是密度的函數(shù)：物態(tài)方程c為聲波在媒質(zhì)中傳播速度物態(tài)方程對(duì)于絕熱過程，壓強(qiáng)僅是密度的函數(shù)：物態(tài)方程c為聲波22

聲波方程的推導(dǎo)(P70)運(yùn)動(dòng)方程：連續(xù)性方程：物態(tài)方程：聲波方程的推導(dǎo)(P70)運(yùn)動(dòng)方程：23

波動(dòng)方程

一維

三維波動(dòng)方程一維三維24波振面：聲傳播過程中，由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在某瞬時(shí)完全相同的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形成的面。根據(jù)波振面的形狀聲波分為：平面聲波、球面聲波和柱面聲波。波振面：聲傳播過程中，由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在某瞬時(shí)完全相同的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)形25類型波陣面聲線聲源類型相關(guān)方程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點(diǎn)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)出的半徑線線聲源類型波陣面聲線聲源類型相關(guān)方程平面聲波垂直于傳播方向的平面相26第2章

聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率2.4噪聲及其控制技術(shù)第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)271）垂直入射聲波的反射和透射①>>：聲波從軟媒質(zhì)進(jìn)入硬媒質(zhì)，產(chǎn)生全反射。如聲音從空氣到水。②<<：聲波從硬媒質(zhì)進(jìn)入軟媒質(zhì)，產(chǎn)生全反射。速度同向，兩倍；聲壓反向。反射速度相同，反向；反射聲壓同向，兩倍。如聲音從水到空氣。1）垂直入射聲波的反射和透射①>282）斜入射聲波的反射和透射Snell定律：<=90°2）斜入射聲波的反射和透射Snell定律：<=90°29第2章

聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率2.4噪聲及其控制技術(shù)第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)301）聲阻抗：

聲源表面聲壓與聲源體積速度之比。聲源表面振速聲源表面積體積速度物理意義：Z為復(fù)數(shù)，實(shí)部表示聲阻R，表示了能量的“損耗”，該損耗表示聲能從一個(gè)地方傳播到另一個(gè)地方，也就是聲源對(duì)外輻射的過程。虛部為聲抗X，反映聲源部分能量激發(fā)周圍介質(zhì)的振蕩，類似彈簧振動(dòng)的過程，將能量?jī)?chǔ)存后再釋放回聲源，這部分能量不對(duì)外輻射聲能。1）聲阻抗：聲源表面聲壓與31對(duì)于開放空間聲場(chǎng)，體積速度概念不很明確，因此采用聲阻抗率描述聲場(chǎng)概念聲阻抗率：聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓值與該點(diǎn)速度的比值

平面聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)的聲阻抗率為可見平面聲場(chǎng)中，各位置的聲阻抗都相同，且為實(shí)數(shù)，說明聲能可以完全從一個(gè)位置傳遞到下一個(gè)位置。媒質(zhì)的特性阻抗對(duì)于開放空間聲場(chǎng)，體積速度概念不很明確，因此采用聲322)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(jiǎn)稱為聲強(qiáng)，單位是b.聲強(qiáng)級(jí)：該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10,單位,分貝(dB)2)聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)333)聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:聲源在單位時(shí)間通過某一面積的聲能，單位：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。3)聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:343）聲功率級(jí)：

：測(cè)量的聲功率的平均值。

：參考聲功率，空氣中分貝（dB）聲功率級(jí)直接反應(yīng)了噪聲源輻射聲音的強(qiáng)度，因此在實(shí)際應(yīng)用中占重要地位3）聲功率級(jí)：：參考聲功率，空氣中分貝（dB）聲功率級(jí)直接反35第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率2.4噪聲及其控制技術(shù)第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)362）響度級(jí)：采用1000Hz純音的聲壓為標(biāo)準(zhǔn)響度級(jí)。：?jiǎn)挝粸椤胺健?，phon3）等響曲線：各個(gè)頻率的聲音同1000Hz純音的作比較，找出同樣響度的聲壓級(jí)，繪成的曲線。1）響度描述聲音大小的主觀感覺量，“宋”(sone)

定義：1000Ｈz純音聲壓級(jí)為40dB時(shí)的響度為１sone。2）響度級(jí)：采用1000Hz純音的聲壓為標(biāo)準(zhǔn)響度級(jí)。：?jiǎn)挝粸?7響度級(jí)聽閾曲線

痛閾曲線

等響曲線

等響曲線是相等響度聲音對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線，相當(dāng)于聲壓級(jí)、頻率不同，但響度級(jí)相同的聲音。各曲線上的數(shù)字表示聲音的響度級(jí)，即和這個(gè)聲音同樣響的1000Hz純音的聲壓級(jí)。零方響度級(jí)曲線(虛線)是聽閾曲線，虛線上的點(diǎn)表明入耳剛能聽到聲音的頻率和聲壓級(jí)，低于虛線的點(diǎn)所表示的一定頻率和聲壓級(jí)的聲音都聽不到。120phon曲線是痛閾曲線。任一曲線低頻區(qū)聲壓級(jí)高，高頻區(qū)聲壓級(jí)低，說明人耳對(duì)低頻聲不敏感，對(duì)高頻聲敏感。聲壓級(jí)高于100dB，等響曲線漸平緩，說明人耳分辨高、低頻聲音的能力變差，此時(shí)聲音的響度級(jí)與頻率關(guān)系已不大，主要決定于聲壓級(jí)。響度級(jí)聽閾曲線痛閾曲線等響曲線等響曲線是相等響度聲音對(duì)3877dB(A)76.7dB(A)76.6dB(A)36,7sone14.0sone38,8sone響度級(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)77dB(A)76.7dB(A)76.6dB(A)3639(2)計(jì)權(quán)聲級(jí)考慮到人們主觀上對(duì)響度感覺不同，根據(jù)等響曲線對(duì)頻率給以適當(dāng)增減的修正方法稱為頻率計(jì)權(quán)常用的有A、B、C三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A計(jì)權(quán)曲線模擬人耳，近似于響度級(jí)為40phon等響曲線的倒置，使低頻段有較大的衰減。B計(jì)權(quán)曲線近似于70phon等響曲線的倒置，使低頻段有一定的衰減。C計(jì)權(quán)曲線近似于100phon等響曲線的倒置，可聽聲范圍平直。經(jīng)A計(jì)權(quán)曲線測(cè)量出的分貝讀數(shù)稱A計(jì)權(quán)聲級(jí)，dB(A)。同樣經(jīng)B或C測(cè)得的分貝讀數(shù)分別為B計(jì)權(quán)聲級(jí)和C計(jì)權(quán)聲級(jí),dB（B）、dB（C）。(2)計(jì)權(quán)聲級(jí)40第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)2.2聲傳播及結(jié)構(gòu)聲輻射2.3聲阻抗、聲強(qiáng)及聲功率2.4噪聲及其控制技術(shù)第2章聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1波動(dòng)方程與聲的基本性質(zhì)411）噪聲分類：機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。2）聲源識(shí)別方法：主觀評(píng)價(jià)法分別運(yùn)行法覆蓋法表面振速測(cè)量法

信號(hào)分析法聲強(qiáng)測(cè)量法

1）噪聲分類：機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。2）聲源識(shí)別42吸聲降噪吸聲降噪；隔聲技術(shù)；消聲器；噪聲控制主要方法：吸聲降噪吸聲降噪；噪聲控制主要方法：43吸聲評(píng)價(jià)；多孔吸聲材料；共振吸聲結(jié)構(gòu)；吸聲評(píng)價(jià)；441.吸聲評(píng)價(jià)：吸聲系數(shù)和吸聲量吸聲系數(shù)吸收能量入射能量1.吸聲評(píng)價(jià)：吸聲系數(shù)和吸聲量吸聲系數(shù)吸收能量入射能量45吸聲評(píng)價(jià)：吸聲系數(shù)和吸聲量吸聲量吸聲系數(shù)吸聲面積吸聲評(píng)價(jià)：吸聲系數(shù)和吸聲量吸聲量吸聲系數(shù)吸聲面積46吸聲量計(jì)算實(shí)例：吸聲量計(jì)算實(shí)例：47第九講--聲學(xué)基礎(chǔ)ppt課件48多孔吸聲材料吸聲機(jī)理與特性：條件：大量孔隙，孔孔相連；機(jī)理：多次反射損耗能量；特性：主要吸收中高頻噪聲；增加厚度能改善吸收低頻噪音；多孔吸聲材料吸聲機(jī)理與特性：49常用吸聲材料的吸聲特性：常用吸聲材料的吸聲特性：50常用建筑材料的吸聲特性：常用建筑材料的吸聲特性：51常用建筑材料的吸聲特性：常用建筑材料的吸聲特性：522.共振吸聲結(jié)構(gòu)噪聲能量轉(zhuǎn)化為其他能量，起降低噪聲的效果。吸聲材料主要是將聲能變?yōu)闊崮?，從而有效吸收中、高頻聲音。共振吸聲結(jié)構(gòu)利用聲波激發(fā)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)共振，通過結(jié)構(gòu)共振最大限度地吸收聲能，達(dá)到吸聲的目的。赫姆霍茲共振吸聲器2.共振吸聲結(jié)構(gòu)53第九講--聲學(xué)基礎(chǔ)ppt課件54傳播速度入口管面積容器體積入口長(zhǎng)度聲波入射到赫姆霍茲共振吸聲器的入口時(shí)，容器內(nèi)口的空氣受到激勵(lì)，將產(chǎn)生振動(dòng)，容器內(nèi)的介質(zhì)將產(chǎn)生壓縮或膨脹變形。赫姆霍茲共振吸聲器達(dá)到共振時(shí)，其聲抗最小，振動(dòng)速度達(dá)到最大，對(duì)聲的吸收也達(dá)到最大。

傳播速度入口管面積容器體積入口長(zhǎng)度聲波入射到赫姆霍茲共振吸聲55赫姆霍茲共振器吸聲機(jī)理：赫姆霍茲共振吸聲器達(dá)到共振時(shí)，聲抗最?。榱悖駝?dòng)速度最大，相當(dāng)于吸收入射聲波的能力最強(qiáng)；考慮赫姆霍茲共振吸聲器的阻尼，則共振時(shí)能量的消耗也最大。

赫姆霍茲共振器吸聲機(jī)理：56

空氣層吸聲結(jié)構(gòu)

在多孔材料后留一定厚度的空氣層，形成空腔，可有效改善低頻的吸聲性能。通常推薦的空氣層厚度：50~300mm?？諝鈱游暯Y(jié)構(gòu)在多孔材料后留一定厚度的空氣層，形成空57第九講--聲學(xué)基礎(chǔ)ppt課件58

薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)

在薄膜或薄板后面預(yù)留一定的空間，形成共振聲學(xué)空腔；有時(shí)為改善系統(tǒng)的吸聲性能，還在空腔中填充纖維狀多孔吸聲材料。這一類結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為薄膜（薄板）共振吸聲結(jié)構(gòu)。薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)在薄膜或薄板后面預(yù)留一定的空間59

薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲機(jī)理

薄膜的彈性和膜后空氣層彈性共同構(gòu)成共振結(jié)構(gòu)的彈性，而質(zhì)量由薄膜結(jié)構(gòu)的質(zhì)量確定，低頻時(shí)可將共振結(jié)構(gòu)理解為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)膜受到聲波激勵(lì)且激勵(lì)頻率與薄膜結(jié)構(gòu)固有頻率一致時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，薄膜產(chǎn)生較大變形，該變形消耗能量，起到吸收聲波能量的作用。因薄膜剛度小，系統(tǒng)固有頻率低，主要用于低頻噪音吸收。薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲機(jī)理薄膜的彈性和膜后空氣層60薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)固有頻率：

薄膜密度腔深度薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)固有頻率：薄膜密度腔深度61

薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)薄膜、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)62穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)由穿孔板構(gòu)成，分單孔和多孔兩種形式。可以通過在小孔頸口部位加薄膜透聲材料或多孔性吸聲材料以改善穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性，也可通過加長(zhǎng)小孔的有效頸長(zhǎng)來改變吸聲特性。穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)由穿孔板構(gòu)成，分單孔和多孔兩種形式。63穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)：吸聲機(jī)理（課本P93）穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)：吸聲機(jī)理（課本64隔聲降噪

聲波在傳播途中，遇到障礙物時(shí)，由于介質(zhì)特性阻抗的變化，使部分聲能被障礙物反射回去，一部分被障礙物吸收，只有一部分聲能可以透過障礙物輻射出去，反射與輻射的結(jié)果是降低了噪聲的傳播，這種現(xiàn)象稱為隔聲。(P94)具有隔聲能力的物體稱為隔聲結(jié)構(gòu)或隔聲構(gòu)件。隔聲構(gòu)件隔聲量的大小與隔聲構(gòu)件的材料、結(jié)構(gòu)和聲波的頻率有關(guān)。隔聲降噪

聲波在傳播途中，遇到障礙物時(shí)，由于介質(zhì)特性阻抗的變65第九講--聲學(xué)基礎(chǔ)ppt課件66隔聲評(píng)價(jià)指標(biāo)透聲系數(shù)：隔聲量：隔聲評(píng)價(jià)指標(biāo)67隔墻的隔聲性能-質(zhì)量定律P95單層墻在聲波垂直入射時(shí)的隔聲量：

m為單位面積墻的質(zhì)量；f為入射聲波頻率；聲波無規(guī)時(shí)的隔聲量：隔墻的隔聲性能-質(zhì)量定律P9568墻單位面積質(zhì)量越大，隔聲效果越好，單位面積每增加一倍，隔聲量增加6dB；

頻率越高