第二章声波的基本性质及其传播规律

环境噪声控制工程龙来寿Chapter2声波的基本性质及其传播规律2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的辐射特性2.1声音的产生和传播物体的振动是产生声音的根源。声源：我们把产生声音的振动物体称作声源。声源的振动弹性媒介振动声波空气、固体、液体2.1.2声音的产生和传播声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。声场：有声波传播的空间叫声场。声音传播的实质：声音传播是指物体振动形式的传播。由相邻质点间的动量传递来完成，而不是由物质的迁移来传播的。Chapter2声波的基本性质及其传播规律2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的辐射特性2.2声波的描述2.2.1描述声波的基本物理量2.2.2声音的物理量度2.2.3声波的类型2.2.1描述声波的基本物理量2.2.1描述声波的基本物理量)2sin(ftx振幅位移位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。相位2.2.1描述声波的基本物理量1.周期：质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。2.声波频率：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。频率范围(Hz)2020-2000020000声音次500500-20002000超低频声中频声高频定义声音频声声2.2.1描述声波的基本物理量3.波长：声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波的传播距离。cTfcTf12.2.1描述声波的基本物理量4.声速：振动在媒质中传播的速度。媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度；声速会随环境的温度有一些变化。媒质名称空气水混凝土玻璃铁铅软木硬木声速3441372304836535182121933534267表21.1℃时声速近似值（m/s）1.声压与声压级2.声强与声强级3.声功率与声功率级4.声能密度5.频谱和频程2.2.2声波的物理量度2.2.2声波的物理量度1.声压和声压级：)(0PPp静态压强1.声压和声压级a.瞬时声压：某一瞬间的声压。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。对于简谐声波：pe=P0/√2TedttpTp02)(11.声压和声压级：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日常生活中声音的声压数据(Pa)c.声压级:该声音的声压的有效值与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：0lg20ppLpapp501021.声压和声压级：声压级单位：分贝。2.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的声能量，称为声音的强度，简称为声强，单位是瓦每平方米。cPI2b.声强级:该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘10，即：0lg10IILI212010mWI2.声强和声强级：声强级单位：分贝。0lg10IILIccPPcPcPLI00000202lg10lg20lg10cPI2cLLpI400lg10声压级和声强级的关系：3.声功率和声功率级a.声功率:声源在单位时间内辐射的总能量，单位是瓦。意义：声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理量；声功率可用于鉴定各种声源。b.声功率与声强的关系SWI球面辐射时：24rWI波阵面面积c.声功率级0lg10WWLWWW12010声功率级单位：分贝。4.声能密度定义：声场中单位体积媒质所含有的声能量，单位是焦耳每立方米（J/m3)。对于在自由空间内传播的平面声波而言：202cpDe5.频程和频谱：a.频谱图：以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音的频谱图。(线状谱)(复合谱)常见噪声的频谱图5.频程和频谱：b.频程：为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分为若干个较小的频段，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；Δf-频带宽nff21212fffffnn)212(**级的运算a.级的叠加（公式法）当n个声源互不干涉时：222212...nTpppp当n=2时，22212pppTa.级的叠加（公式法）由于：0lg20ppLp201.0210pppL代入上式：)1010(101021211.01.020201.0201.022212ppppLLLLTppppppa.级的叠加：当n个声源时，211.01.02021010lg10lg10ppTLLTpppLniLpipTL11.010lg10表示为声压级：a.级的叠加（查表、图法）：21pppLLL令：pppTLLLpL111.01.01010lg10211.01.01010lg10ppTLLpL则：pppLLL12代入下式中：可得：a.级的叠加（查表、图法）：'1.0101lg101pTLppLL令：pppTLLLpL111.01.01010lg10'1LLLppTpLL1.0'101lg10a.级的叠加：pLL1.0'101lg10△Lp'1LLLppTa.级的叠加：•求出总声压的有效值当n个声源发生干涉时：•先求出瞬时声压niinppppp121...•根据定义求出总声压级b.级的相减SpBpTLLpL1.01.01010lg10BpTpSLLpL1.01.01010lg10仪器测的噪声声源真实噪声背景噪声b.级的相减BTBpppLLL令：BpSTSLpppLLL1.0101lg10b.级的相减：STSpppLLLBTppLLBpSLpL1.0101lg102.2.3声波的类型在均匀的理想流体中的小振幅声波的波动方程为：2222222221tpcxpxpxp或22221tpcp2.2.3声波的类型波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。根据波阵面的形状可将声波分为不同的类型：平面声波、球面声波和柱面声波等。声线：常称为声射线，就是自声源发出的代表能量传播方向的直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。2.2.３声波的类型1.平面声波：声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，称其为平面声波。波前：声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。1.平面声波：1.平面声波：a.波动方程：222221tpcxp对于简谐振动而言：)cos(,,0)cos(,00kxtPtxpkxtPtxp1.平面声波：b.质点振动速度：对于简谐振动而言：cPUkxtUux0000/)cos(质点振动的速度振幅1.平面声波：c.声阻抗率：upZs/对于平面声波而言：cUPZs000/媒质的特性阻抗，单位（Pa·s/m）1.平面声波：d.声线：相互平行的一系列直线。2.球面声波：波阵面是以任何值为半径的球面。a.波动方程：22222)(1)(trpcrrp对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：)cos(,0krtrPtrp特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。2.球面声波：b.声线：是由声源点发出的半径线。3.柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.波动方程：2221)(1tpcrprrr对于远场简谐柱面声波而言：)cos(20krrtkrPp特点：振幅随径向距离的增加而减少，与距离的平方根成反比关系。3.柱面声波：b.声线：是由线声源发出的径向线。2.2.３声波的类型声波的类型类型波阵面声线声源类型平面声波垂直于传播方向的平面相互平行的直线平面声源球面声波以任何值为半径的球面由声源发出的半径线点声源柱面声波同轴圆柱面线声源发出的半径线线声源Chapter2声波的基本性质及其传播规律2.1声音的产生和传播2.2声波的描述2.3声波的传播特性2.4声源的辐射特性2.3声波的传播特性2.3.1声场2.3.2声波的反射、透射、折射2.3.3声波的散射与衍射2.3.4声波的叠加2.3.5声波在传播中的衰减2.3.1声场（SoundField）1.声场的概念：声场是指传播声波的空间。按声场的性质可以将声场分为：自由声场；扩散声场；半自由声场2.声场的分类自由声场:我们把可以忽略边界影响，由各向同性的均匀介质形成的声场称为自由声场。自由声场（FreeSoundField）消声室自由声场（FreeSoundField）消声室2.声场的分类扩散声场（混响声场）:如果室内各处的声压级几乎相等，声能密度也处处相等，那么这样的声场就叫做扩散声场（混响声场）。半自由声场(半扩散声场):2.声场的分类半自由声场(半扩散声场):2.3.2声波的反射、透射、折射11ci22caθpiptprrt1.声波的反射定律与折射定律ri入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足Snell定律：211sinsinsinccctria.反射定律：b.折射定律：21sinsinccric.与折射定律有关的讨论由折射定律可知：声波的折射是由声速决定的。思考题：1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？2.为什么逆风传播的声音难以听清？思考题1.为什么声音在晚上要比晴朗的白天传播的远一点？思考题2.为什么逆风传播的声音难以听清？2.反射系数和透射系数a.声压的反射系数和透射系数声压的反射系数的定义为反射声压与入射声压的比值。声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。irpppritpppa.声压的反射系数和透射系数在边界上，两面的声压与法向的质点速度应该连续，即：tripppttrriiuuucoscoscostitiirpccccpprcoscoscoscos11221122tiiitpcccppcoscoscos2112222可以导出：b.声强的反射系数和透射系数：21122112222112112coscoscoscos22titipiririrIccccrppcpcpIIr2112222112112211222coscoscoscos4coscoscoscos111titititipiririitIccccccccrIIIIIII3.吸声系数定义：我们将入射声波在界面上失去的声能（包括透射到媒质2中去的声能）与入射声能之比称为吸声系数。21rrp的数值与入射方向有关，因此α也与入射的方向有关。4.当声波垂直入射时的反射系数和透射系数当声波垂直入射时，声压的反射系数和透射系数可以表示为：11221122ccccpprirp1122222cccppitp211221122ccccIIrirI2112222114ccccIIitI声强的反射系数和透射系数可以表示为：2.3.3声波的散射与衍射1.声波的散射在声波传播过程中，遇到的障碍物表面较粗糙或者障碍物的大小与波长差不多，则当声波入射时，就产生各个方向的反射，这种现象称为散射。声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的频率有关。2.3.3声波的散射与衍射2.声波的衍射：在声波传播过程中，遇到的障碍物或孔洞时，如果声波的波长比障碍物尺