02声波的基础知识解析

第二节声波的基础知识2.1声波的产生当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质——空气分子振动，这些振动的分子又使周围的空气分子产生振动，这样声源产生的振动就以声波的形式向外传播。以鼓面振动为例鼓面波长λ声源弹性媒质声波形成的必要条件纵波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致。空气中的声波即为纵波，又称疏密波。横波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向垂直。固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。波动声波在空气中传播时，空气质点本身并不随声波一起传播出去，空气质点只是在它的平衡位置附近前后做纵向振动。也就是说：声音的传播实质是物体振动的传播，即传播出去的是物质运动的能量，而不是物质本身。波动声音是物质的一种运动形式，这种运动形式叫波动。声波的类型波阵面：空间中同一时刻波到达的各点可以连接成一个面，称为波阵面。声波的类型：平面声波当声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，就称其为平面声波。面声源声波的类型：球面声波点声源声波的类型：柱面声波线声源平面声波、球面声波、柱面声波都是理想的传播类型。在具体应用时可根据实际条件进行合理近似。2.2声波的描述波长周期频率声速波长λ相邻相位相同的质点之间的距离。鼓面波长λ质点往复振动一次所需要的时间，称为周期。单位为秒（s）。也就是波走过一个波长所需的时间。周期T频率f单位时间（1s）媒质质点振动的次数，单位为赫兹（Hz）。f=1/T每秒钟声源振动的次数越多，说明频率越高，人耳主观感觉到的音调就越高，反之越低。可听声频率范围：20~20000Hz超声次声声速c单位时间内波走过的路程。(m/s)C=λf=λ/T声速是媒质特性的函数，在不同的媒质中，声速是不相同的。媒质名称空气水混凝土玻璃声速(m/s)344137230483658媒质名称铁铅硬木软木声速(m/s)518212194267335321.1℃时声速近似值空气中的声速C=331.45+0.61t（t为温度，℃）一般计算时，空气中的声速可取340m/s（15℃值）2.3频程和频谱噪声是复音，一个声源发出的声音往往是由很多不同频率、不同强度的成分合成的。那么，如果我们要描述一个声音，就必须把它的这些频率组份及其对应强度全部表示出来。可听声频率范围：20~20000Hz实测发现：两个不同频率的声音做相对比较时，有决定意义的是它们频率的比值。1.频程为了研究和实用上的需要，在声学学科中，把宽广的可听声频率范围划分成若干小区间，称其为频程、频段或频带。倍频程把20~20000Hz的声频范围，按频率倍比关系划分为11个段落。每个频带的上限频率和下限频率相差一倍。即频率比为21的频程，称它为倍频程。12＝下上ff倍频程上限频率2244881773557101420284056801136022720中心频率1631.563125250500100020004000800016000下限频率1122448817735571014202840568011360倍频程推而广之：若频率比为，则称为2倍频程；若频率比为，则称为3倍频程；若频率比为，则称为n倍频程。22232n倍频程若频率比为21/3，则称为1/3倍频程。倍频程和1/3倍频程是最常用的。倍频程的表示某一倍频程常常由其中心频率f中表示.中心频率是上、下频率的几何平均值，简写成f。下上fffffff)212(下上－倍频带的宽度对含有多个频率成分的声音，我们只要关注它的各个频率及其对应的强度就可以了。一般以频率为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的线条来表示声音，这就是声音的频谱，也称频谱图。2.频谱频谱图线状谱（乐音）连续谱（噪声）复合谱（有调噪声）线状谱（乐音）声压级，dBf，Hz连续谱（噪声）声压级，dBf，Hz复合谱（有调噪声）声压级，dBf，Hz频谱分析在噪声控制中，要了解噪声的特性，往往需要详细分析它的各个频率成分和相应的强度，这也称作频谱分析。一般以倍频程或⅓倍频程中心频率值为横坐标，声压级为纵坐标，绘出的折线来表示声音的频谱。频谱分析、频谱图631252505001k2k4k8k中心频率f，Hz声压级，dB908070602.5声音的物理量度声功率声压声强1.声功率W声功率是表示声源特性的物理量，是单位时间内声源辐射出来的总声能量，用W表示，单位是瓦，记为w。声源声功率仅是声源总功率中以声波形式辐射出来的一小部分功率。500kw鼓风机，一般声功率只有100w；900万人同时说话，所发出的声能也只相当于一只450w的电灯在相同时间内所消耗的电能。不同声源辐射的声功率有很大的不同一些声源的声功率和声功率级噪声源宇宙火箭喷气飞机大型鼓风机气锤声功率（w）声功率级(dB)196160140120噪声源织布机汽车（72km/h)轻声耳语声功率（w）声功率级(dB)110110304×107104102110-110-110-9声源工作情况一定时，辐射的声功率是一恒量2.声压以鼓面振动为例。声波在传播过程中，引起空气质点振动，致使空气密度发生变化，密集时压强超过大气压强，稀疏时则低于大气压强。鼓面波长λ瞬时声压p：我们把声场中某点在某一瞬时，由静压P0改变到压强时，所产生的压强增量称为该点的瞬时声压p，即0'Pppp’瞬时声压是时间的函数。有效声压pe：瞬时声压传入人耳，由于耳膜的惯性作用，分辨不出声压随时间的变化，而是一个稳定的有效值，称为有效声压。有效声压p是瞬时声压对时间t取均方根值，即eTedtpTp021对于符合正弦运动的声波，有效声压p等于声压的最大值除以，即e222maxppe实际应用中一般所指声压，如未加说明，就是指有效声压。声压单位1大气压＝＝＝1bar===10μbar105Pa105N/m2106μbar1Pa1N/m23.声强I声强I：单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量，称为声强。一般用I表示，单位为。W/m2SWI平面声波的声强声功率WSSWI在理想媒质中，平面声波的声强与离开声源的距离无关柱面波的声强rlrlWSWI2在理想媒质中，柱面声波的声强随离开声源中心的距离增加，按反比规律衰减。球面声波的声强r24rWSWI自由空间在理想媒质中，球面声波声强随离开声源距离的增加，按平方反比规律衰减。球面声波的声强r半自由空间22rWSWI平均声能密度平均声能密度：为单位媒质具有的平均动能和平均势能之和，即：D202/cpDeD声波在不同弹性媒质中传播时，与之密切相关是媒质密度及声速。声阻抗率或声特性阻抗Zs，单位：Pa.s/mcZs0声强与声能密度的关系SSx1x2Vx媒质体积为V声波从x1运动到x2，经过时间∆t。垂直于x方向的截面为S，厚度为∆x，声强与声能密度的关系∆t时间内通过截面S的声能量＝。xSDSSx1x2Vx声强与声能密度的关系cDItSxSDI由声强的定义有：声强与声压的关系cpccpIcDIee022024.声压级、声强级和声功率级大量实测显示：一定频率的声波，其强度存在上、下两个限值。在下限以下，人耳听不到声音，一般称下限值为听阈值。在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，上限值为痛阈值。频率不同，上、下限值不同。空气中传播的声波，在1000Hz时，正常人耳的听阈声压为，痛阈声压是20Pa。对应的听阈声强，痛阈声强为。2×10-5Pa10-12w/m21w/m2对人的听觉来说，从听阈到痛阈所感觉到的声音的强弱变化范围非常宽。若用声压和声强的绝对值来衡量声音的强弱是很不方便的，而且要实现一定精确的测量也很难，因此引进“级”的概念，用它来衡量声音的相对强弱。级在声学中的单位为分贝，记作dB。声压级0lg20ppLpaPpp500102—基准声压，—；—有效声压，—式中aPp1000Hz对应的听阈声压声压级例2-1：当声压级增大20dB时，问声压是原来的多少倍？答：是原来的10倍。一些噪声源或噪声环境的声压和声压级噪声源或噪声环境声压（Pa）声压级（dBA）导弹发射场2000160锅炉排空放气，离喷口1m200140汽车喇叭，距离1m20120织布机车间，织机间走道3.17104大型卡车，车厢内0.6390大声讲话，距离1m0.280轻声耳语，距离0.3m0.0006330声强级0lg10IILI21200/10mwII—基准声强，—；—声强，—式中2/mwI1000Hz对应的听阈声强声功率级0lg10WWLW—基准声功率，—；—声功率，—式中wW1000Hz对应的听阈声功率声强级与声压级的关系bLcIpppcIpIILpI00202020020lg10lg10lg10声强级与声压级的关系b值与声特性阻抗有关，因此其值与气温、气压有关。c020℃时不同海拔高度的修正值b海拔高度(m)10050010001500200025003000大气压强(kPa)10095.489.884.579.574.770.1修正值b(dB)00.20.50.71.01.21.5声功率级与声强级的关系在自由声场中，均匀辐射的声源W=IS。因此有：LW=10lg(W/W0)=10lg(IS/I0S0)=10lg(I/I0)+10lg(S/S0)=LI+10lgS点声源、自由声场、球面波11lg2011lg20)4lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIW点声源、半自由声场、半球面波8lg208lg20)2lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIW