第二章声波的基本性质及传播规律.pptx

第二章声波的基本性质及传播规律2、1 声音得产生及描述方法物体得振动就是产生声音得根源。声源:我们把产生声音得振动物体称作声源。声源得振动声源得振动弹性媒介弹性媒介振动振动声波声波空气、固体、空气、固体、液体液体1 声波得产生声波得形成声波得形成:当声源振动时当声源振动时,就会引起声源周围弹就会引起声源周围弹性媒质性媒质空气分子得振动。这些振动得分子又会空气分子得振动。这些振动得分子又会使其周围得空气分子产生振动。这样使其周围得空气分子产生振动。这样,声源产生得声源产生得振动就以声波得形式向外传播。振动就以声波得形式向外传播。在噪声控制工程中主要涉及在噪声控制工程中主要涉及空气媒质中得空气声空气媒质中得空气声。在空气中在空气中,声波就是一种纵波声波就是一种纵波,这时媒质质点得振这时媒质质点得振动方向就是与声波得传播方向相一致得。反之动方向就是与声波得传播方向相一致得。反之,将将质点振动方向与声波传播方向相互垂直得波称为质点振动方向与声波传播方向相互垂直得波称为横波。横波。声波:这种向前推进着得空气振动称为声波。声场:有声波传播得空间叫声场。声音传播得实质:声音传播就是指物体振动形式得传播。由相邻质点间得动量传递来完成,而不就是由物质得迁移来传播得。2 描述声波得基本物理量波长波长:在同一时刻在同一时刻,从某一个最稠密从某一个最稠密(或最稀疏或最稀疏)得地点得地点到相邻得另一个最稠密到相邻得另一个最稠密(或最稀疏或最稀疏)得地点之间得距离称得地点之间得距离称为声波得波长为声波得波长,(m)周期周期:振动重复振动重复1次得最短时间间隔称为周期。次得最短时间间隔称为周期。T(s)频率频率:周期得倒数即单位时间内得振动次数周期得倒数即单位时间内得振动次数,称为频率称为频率,f,赫兹赫兹(Hz),1Hz=1s-1声速声速:振动状态在媒质中得传播速度称为声速振动状态在媒质中得传播速度称为声速,c(m/s)。实际计算常取实际计算常取340m/s。频率范围(Hz)20000声音次2000超低频声 中频声 高频定义声音频声声媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速34413723048365351821219335342671 时声速近似值(m/s)声压和声压级:静态压强 a、瞬时声压:某一瞬间得声压。b、有效声压(pe):在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。声音种类声压声音种类声压正常人耳能听到最弱声2X10-5织布车间2普通说话声(1m远处)2X10-2柴油发动机、球磨机20公共汽车内0、2喷气飞机起飞200日常生活中声音得声压数据(Pa)9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流c、声压级:该声音得声压得有效值与参考声压得比值取以10为底得对数再乘20,即:声压级单位:分贝。声能量声能量声波在媒质中传播声波在媒质中传播,一方面使媒质质点在平衡位置一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动附近往复运动,产生动能产生动能;另一方面又使媒质产生了另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀得疏密过程压缩和膨胀得疏密过程,使媒质具有形变得势能。使媒质具有形变得势能。这两部分能量之和就就是由于声扰动使媒质得到得这两部分能量之和就就是由于声扰动使媒质得到得声能量声能量,以声得波动形式传递出去。以声得波动形式传递出去。声波得声能密度声波得声能密度声能密度声能密度定义:声场中单位体积媒质所含有得声能量,单位就是焦耳每立方米(J/m3)对于在自由空间内传播得平面声波而言:声功率和声功率级a、声功率:声源在单位时间内辐射得总能量,单位就是瓦。意义:声功率就是衡量声源声能量输出大小得基本物理量;声功率可用于鉴定各种声源。人耳能听到得最低10-12Wb、声功率级声功率级单位:分贝。声功率W与基准声功率W0之比得常用对数声强和声强级:a、声强:在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面积得声能量,称为声音得强度,简称为声强,单位就是瓦每平方米(W/m2)。b、声强级:该声音得声强与基准声强得比值取以10为底得对数再乘10,即:声强级单位:分贝。2、2 声波得叠加对于互不相干得多个噪声源对于互不相干得多个噪声源,她们之间不会发生干她们之间不会发生干涉现象。这时涉现象。这时,空间某处得总声压空间某处得总声压Pe为为上式表明上式表明,对于多个声波对于多个声波,当各个声波间不存在固当各个声波间不存在固定相位差时定相位差时,其能量可以直接叠加。其能量可以直接叠加。总声压级为总声压级为:Lp =10lg =10lg100、1L +100、1L (dB)对应对应n个声源得一般情况有个声源得一般情况有:Lp =10lg(100、1L )【例例1】在车间某操作点分别测量两噪声源得声压级为在车间某操作点分别测量两噪声源得声压级为100分贝和分贝和95分贝分贝,问总得声压级就是多少分贝？问总得声压级就是多少分贝？解解:(1)计算法计算法2 2、3 3 声波得频率和噪声得频谱声波得频率和噪声得频谱在噪声控制中所研究得就就是可听声在噪声控制中所研究得就就是可听声,在噪声控制在噪声控制这门学科中这门学科中,通常粗略地把声波得频率分为三个频段通常粗略地把声波得频率分为三个频段:300赫以下得叫低频声赫以下得叫低频声,3001000赫得叫中频声赫得叫中频声,1000赫以上得叫高频声。声波频率得概念非常重要赫以上得叫高频声。声波频率得概念非常重要,因为因为控制高频噪声和控制低频噪声得技术措施存在控制高频噪声和控制低频噪声得技术措施存在着很大得差别着很大得差别。而在测量和工程设计中具有实用价。而在测量和工程设计中具有实用价值得就是采用值得就是采用倍频程倍频程得得频率频率划分方法。划分方法。常见噪声得频谱图一、倍频程一、倍频程o可听声得频率从可听声得频率从20赫到赫到20000赫赫,高低相差达高低相差达l000倍。为了倍。为了方便起见方便起见,通常把宽广得声频变化范围划分为若干较小得通常把宽广得声频变化范围划分为若干较小得段落段落,叫做频程。频程有上限频率值、下限频率值和中心叫做频程。频程有上限频率值、下限频率值和中心频率值频率值,上下限频率之差上下限频率之差,即中间区域称为频程宽度即中间区域称为频程宽度,简称简称带宽。带宽。从实践中发现从实践中发现,两个不同频率得声音做相对比较时两个不同频率得声音做相对比较时,起决定起决定作用得就是两个频率得比值作用得就是两个频率得比值,而不就是她们得差值而不就是她们得差值,例如例如,音乐中音乐中C调得低音调得低音6得基频就是得基频就是220Hz,中音中音6得基频就是得基频就是440Hz,高音高音6得基频就是得基频就是880Hz,所以听起来中音所以听起来中音6比低音比低音6得音调高一倍得音调高一倍,高音高音6比中音比中音6得音调高一倍得音调高一倍,我们称低音我们称低音6和中音和中音6相差一个倍频程相差一个倍频程,中音中音6和高音和高音6相差一个倍频程相差一个倍频程,而听起来音调提高得程度也就是相同得而听起来音调提高得程度也就是相同得(即提高即提高“八度音八度音程程”)。低音。低音6和高音和高音6相差两个倍频程。相差两个倍频程。频程和频谱:b、频程:为方便起见,通常将宽广得音频变化范围划分为若干个较小得频段,称为频段或频程。f1-下限截止频率;f2-上下限截止频率;f-中心频率;f-频带宽在噪声控制中在噪声控制中,对频率作相对比较得单位叫对频率作相对比较得单位叫倍频程倍频程,两个频率相差两个频率相差2个倍频程意味着其频率之比个倍频程意味着其频率之比22,相差相差3个倍频程意味着两个频率之比为个倍频程意味着两个频率之比为23,依此类推。依此类推。在噪声测量中在噪声测量中,通用得倍频程有通用得倍频程有n1时得时得11倍频倍频程程,简称倍频程简称倍频程;有有n12时得时得12倍频程倍频程;有有n13时得时得13倍频程等。倍频程等。2、4 声波得反射、投射和衍射声波在传播过程中会遇到各种各样得障碍物声波在传播过程中会遇到各种各样得障碍物,如固如固体得、液体得和气体得等。当声波从一种媒质进入体得、液体得和气体得等。当声波从一种媒质进入另一种媒质时另一种媒质时,后一种媒质就就是一种障碍物。障后一种媒质就就是一种障碍物。障碍物会使声波发生反射、透射和衍射。碍物会使声波发生反射、透射和衍射。当声波入射到两种媒质得界面时当声波入射到两种媒质得界面时,一部分会经界面一部分会经界面反射返回到原来得媒质中称为反射返回到原来得媒质中称为反射声波反射声波,一部分将进一部分将进入另一种媒质中成为入另一种媒质中成为透射声波透射声波。声波得反射声波得反射以平面声波为例以平面声波为例,入射声波入射声波pi垂直入射到媒质垂直入射到媒质和媒质和媒质得分界面得分界面x=0上上(图图2-6)。由于界面得反。由于界面得反射射,在媒质在媒质I中除了入射声波中除了入射声波pi以外以外,还有反射声还有反射声波波pr,这样这样,媒质媒质I中得总声压为两个波得叠加中得总声压为两个波得叠加:p1pipr,而在第二媒质中只有透射声波而在第二媒质中只有透射声波pt,所以所以媒质媒质中总声压中总声压p2pt。1c12c2ptxopipr图图2-6 2-6 平面声波正入射到两种媒质的分界面平面声波正入射到两种媒质的分界面当平面声波斜入射于两媒质得界面时当平面声波斜入射于两媒质得界面时,如图如图2-7所示所示,入射声波入射声波pi与界面法向成与界面法向成i角入射到界面角入射到界面上上,这时反射波这时反射波pr与法向成与法向成r角角,在第二个媒质在第二个媒质中中,透射声波透射声波pt与法向成与法向成t角角,透射声波与入射声透射声波与入射声波不再保持同一传播方向波不再保持同一传播方向,形成声波得折射。形成声波得折射。这时这时,入射声波、反射声波与折射声波得传播入射声波、反射声波与折射声波得传播方向应满足方向应满足Snell定律定律,即即:1c12c2pttOpipr图图2-7声波的折射声波的折射ir折射定律折射定律:入射角得正弦与折射角得正弦之比等于两种媒质中得入射角得正弦与折射角得正弦之比等于两种媒质中得声速之比声速之比这表明若两种媒质得声速不同这表明若两种媒质得声速不同,声波传入媒质声波传入媒质时方向就要改变。时方向就要改变。当当c2c1时会存在某个时会存在某个i值值,ie=arcsin(c1/c2)使得使得t=/2。即当声。即当声波以大于波以大于ie得入射角入射时得入射角入射时,声波不能进入媒质声波不能进入媒质中从而形成声中从而形成声波得全反射。波得全反射。理论和实验研究证明理论和实验研究证明,当两种介质得声阻抗率接近时当两种介质得声阻抗率接近时,即即1c1 2c2,声波几乎全部由第一种介质进入第二声波几乎全部由第一种介质进入第二种介质种介质,全部透射过去全部透射过去;当第二种介质声阻抗率远远当第二种介质声阻抗率远远大于第一种介质声阻抗率时大于第一种介质声阻抗率时,即即2c2 1c1,声波大声波大部分都会被反射回去部分都会被反射回去,透射到第二种介质得声波能量透射到第二种介质得声波能量就是很少得。就是很少得。在噪声控制工程中在噪声控制工程中,经常利用不同材料所具有得不经常利用不同材料所具有得不同特性阻抗同特性阻抗,使声波在不同材料得界面上产生反射使声波在不同材料得界面上产生反射,从而达到控制噪声传播得目得。如用两种或多种不从而达到控制噪声传播得目得。如用两种或多种不同材料粘结成多层隔声板同材料粘结成多层隔声板,在各层间形成分界面在各层间形成分界面,各各界面形成反射。界面形成反射。因此因此,对于相同厚度得隔声板对于相同厚度得隔声板,多层隔声板比单层隔多层隔声板比单层隔声效果好。声效果好。声波得衍射声波得衍射声波传播过程中声波传播过程中,如果遇到得障碍物或者带有小孔得如果遇到得障碍物或者带有小孔得障板时障板时,如障碍物得尺寸或孔得大小与波长差不多如障碍物得尺寸或孔得大小与波长差不多,则则声波能够绕过障碍物或小孔得边缘前进声波能够绕过障碍物或小孔得边缘前进,并引起传播并引起传播方向得改变方向得改变,称为声波得称为声波得衍射衍射。2、5 声波得辐射o声源得指向性:声源发出得声波,在各个方向上得声压分布并不一定相同,这种随方向分布得不均匀性,称为声源得指向性。o指向性因数指向性因数:在离声源中心不同距离处,测量球面上各点得声强,求得所有方向上得平均声强,将某一方向上得声强与其相比就就是该方向得指向性因数:o考虑到声源得指向性,需要对声压级得计算公式进行修正,自由声场中在某一方向上得声压级公式可表示为:DI就是指向性指数,2、6 声波在传播过程中得衰减o1、扩散引起得衰减(Ad)o2、空气吸收引起得附加衰减(Aa)o3、地面吸收得附加衰减(Ag)o4、声屏障衰减(Ab)o5、气象条件得影响(Am)1、扩散引起得衰减扩散衰减得定义扩散衰减得定义:由于波阵面得扩展而引起得声强随距离而减弱得现象称为扩散衰减。2、空气吸收引起得附加衰减o空气吸收:声波在空气中传播时,因空气得粘滞性和热传导,在压缩和膨胀过程中,使一部分声能转化为热能而损耗,称为空气吸收。这种吸收称为经典吸收。o弛豫吸收:所谓弛豫吸收就是指空气分子转动或振动时存在固有频率,当声波得频率接近这些频率时要发生能量交换。能量交换得过程都有滞后现象,这种现象称为弛豫吸收。2、空气吸收引起得附加衰减o对于噪声控制工程,可以采用下面得半经验公式来估算空气吸收衰减。在20时:声波得频率,Hz相对湿度传播距离,m2、空气吸收引起得附加衰减o对于不同温度,可采用下式来估算:与20相差得摄氏温度=410-63、地面吸收得附加衰减当地面就是非刚性表面时:地面吸收将会对声传播产生附加衰减,但短距离(30-50m)其衰减可以忽略,而在50m以上应予以考虑。3、地面吸收得附加衰减声波在厚得草地上面或穿过灌木丛传播时,在频率为1000Hz时得附加衰减较大,可高达 25/100m dB。附加衰减量得近似计算公式为:声波得频率,Hz传播距离,m3、地面吸收得附加衰减声波穿过树木或者森林时,不同树林得衰减相差很大,在1000赫兹时:o浓密得常绿树树冠 23 dB100mo地面上稀疏得树干 3 dB100m各种树林平均得附加衰减大致为:4、声屏障衰减当声源与接收点之间存在密实材料形成得障碍物时会产生显著得附加衰减,这样得障碍物称为声屏障。