第九讲--声学基础

汽车振动与噪声控制山东交通学院徐传燕22第二章声学理论基础2.1波动方程与声的基本性质2.2声传播及结构声辐射2.3声阻抗、声强及声功率2.4噪声及其控制技术1895年，新建成的哈佛大学弗格艺术博物馆（FoggArtMuseum），讲演厅却因无法听闻的音响效果而不能使用，“这座建筑跟院子里的其他任何讲演厅一样不能让人满意，消除这些障碍是研究生们的义务!”于是，哈佛大学校长埃利奥特（CharlesW.Eliot，1834—1926年）向物理学系求助，27岁的助教W.C.塞宾受命。声学研究发展简介-塞宾塞宾与两位实验室助理选取桑德尔斯剧院（声效极佳）、杰弗逊大厅讲演室（声效一般）、弗格讲演厅（声效极差）为真实的物理模型，把杰弗逊大厅地下室装备成混响测试室，并借用桑德尔斯剧院数百个软椅垫，每天午夜后进行实验。用管风琴作为声源，在房间中产生大约512赫兹的中频段声音，然后将声源切断，再测量声音从刚刚切断到衰减至听不到所花的时间，仪器仅为秒表和试验者的耳朵。1898年,塞宾,得出了著名的塞宾混响公式即房间的吸声量乘以RT常数。指出了吸声对于房间混响具有决定性的作用。奠定了厅堂声学乃至整个建筑声学的基础。其后他担任了波士顿音乐厅的声学顾问。这座音乐厅,是第一座经过科学计算设计而成的音乐厅。1911年,他为Jons2Manville公司咨询,建议他们开发一种声学石膏。1910年到1915年,他与Gustavino公司合作,先是开发了一种多孔的陶制品,后来是一种多孔的砖,用于圣托马斯教堂、河畔教堂。声学艺术穿孔石膏板玻璃纤维加强石膏板2.1波动方程与声的基本性质2.1.1声波基本概念2.1.2理想介质中的声场波动方程2.1.3声波与声源1.声波基本概念何为声波？媒质质点的机械振动由近及远的传播称为声振动的传播或声波。声波实际是声场在空间内媒质的状态量随时间的扰动量变化和传递，如果这种变化是时间的谐波函数形式，则称为简谐声波产生声波的两个必要条件：振动、媒质；空气中声波的传播方向与质点振动方向是一致的，属于纵波；声场（soundfield）：声音传播经过的媒质空间或声波所到达的空间或存在声压的空间。1)声压与声压级a.瞬时声压：某一瞬间的声压。b.平均声压对于纯音，平均值为0)(0PPp静态压强()cos()mptpt01()dTavppttTc.有效声压：在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求均方根值即得有效声压用电子仪表测量得到的通常是有效声压,人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压.201()dTrmsppttT声压单位：Pa（帕）2/11mNPa人耳对1kHz声音的可听阈约为：Pa5102理想流体媒质的三个基本方程如何认知声波的特性？运动方程（牛顿第二定律）连续性方程（质量守恒定律）物态方程（热力学基本定律）推导波动方程作的假设:1.媒质为理想流体，不存在粘性，无能量耗损。2.媒质初速度为零，均匀分布，故静态压强、密度为零。3.整个过程绝热。4.声波为小振幅声波。基本定律动量守恒定律（牛顿第二定律，运动方程）质量守恒定律（连续性方程）热力学基本定律（物态方程）声场的特征可以通过媒质中的声压、质点的速度以及密度来描述，随空间的位置以及时间而变化。P(x,t)，u(x,t)，ρ(x,t)声波方程（描述声音产波的规律）即描述声场时间、空间变化规律和相互联系。运动方程（牛顿第二定律）P0+PP0+P+dPxx+dxF1F2S取一体积单元，在x方向位置从x到x+dx，横截面积为S。P0+PP0+P+dPxx+dxF1F2S体积单元左侧受力：F1＝(P0+P)S体积单元右侧受力：F2＝(P0+P+dP)S声压的变化量：合力：dx)xP(dPS)dxxP(SdPF2-F1F注：P(x,t)根据牛顿第二定律：)xP(S)dxxP(tutuSdx即：运动方程物态方程对于绝热过程，压强仅是密度的函数：102)/()/(ddPddPc)(PPdcdP2物态方程c为声波在媒质中传播速度声波方程的推导(P70)dcdP2运动方程：连续性方程：物态方程：)(xPtutxxu)(波动方程)(c122222tPxP)(c1222222222tPzPyPxP一维三维波振面：声传播过程中，由运动状态在某瞬时完全相同的媒质质点形成的面。根据波振面的形状声波分为：平面声波、球面声波和柱面声波。类型波阵面声线声源类型相关方程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点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()sin()tAt,cos()Apprttkrr2cos()Apptkrkr第2章声学理论基础2.1波动方程与声的基本性质2.2声传播及结构声辐射2.3声阻抗、声强及声功率2.4噪声及其控制技术1）垂直入射声波的反射和透射①：声波从软媒质进入硬媒质，产生全反射。如声音从空气到水。11c22c22c11c②：声波从硬媒质进入软媒质，产生全反射。速度同向，两倍；声压反向。反射速度相同，反向；反射声压同向，两倍。22c11c如声音从水到空气。2）斜入射声波的反射和透射11c22cSnell定律：t21sinsincctiririt=90°第2章声学理论基础2.1波动方程与声的基本性质2.2声传播及结构声辐射2.3声阻抗、声强及声功率2.4噪声及其控制技术1）声阻抗：声源表面声压与声源体积速度之比。UPZUuS声源表面振速声源表面积体积速度物理意义：Z为复数，实部表示声阻R，表示了能量的“损耗”，该损耗表示声能从一个地方传播到另一个地方，也就是声源对外辐射的过程。虚部为声抗X，反映声源部分能量激发周围介质的振荡，类似弹簧振动的过程，将能量储存后再释放回声源，这部分能量不对外辐射声能。对于开放空间声场，体积速度概念不很明确，因此采用声阻抗率描述声场概念声阻抗率：声场中某点的声压值与该点速度的比值平面声波在媒质中传播时的声阻抗率为Z=puZ=c可见平面声场中，各位置的声阻抗都相同，且为实数，说明声能可以完全从一个位置传递到下一个位置。媒质的特性阻抗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,单位,分贝(dB)2wm10lgIrefILI12210refIWm3)声功率和声功率级a.声功率:声源在单位时间通过某一面积的声能，单位：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。3）声功率级：：测量的声功率的平均值。ref：参考声功率，空气中refWW)(1012WWref分贝（dB）声功率级直接反应了噪声源辐射声音的强度，因此在实际应用中占重要地位第2章声学理论基础2.1波动方程与声的基本性质2.2声传播及结构声辐射2.3声阻抗、声强及声功率2.4噪声及其控制技术2）响度级：采用1000Hz纯音的声压为标准响度级。：单位为“方”，phonNL3）等响曲线：各个频率的声音同1000Hz纯音的作比较，找出同样响度的声压级，绘成的曲线。1）响度描述声音大小的主观感觉量，“宋”(sone)定义：1000Ｈz纯音声压级为40dB时的响度为１sone。响度级听阈曲线痛阈曲线等响曲线等响曲线是相等响度声音对应点的连线，相当于声压级、频率不同，但响度级相同的声音。各曲线上的数字表示声音的响度级，即和这个声音同样响的1000Hz纯音的声压级。零方响度级曲线(虚线)是听阈曲线，虚线上的点表明入耳刚能听到声音的频率和声压级，低于虚线的点所表示的一定频率和声压级的声音都听不到。120phon曲线是痛阈曲线。任一曲线低频区声压级高，高频区声压级低，说明人耳对低频声不敏感，对高频声敏感。声压级高于100dB，等响曲线渐平缓，说明人耳分辨高、低频声音的能力变差，此时声音的响度级与频率关系已不大，主要决定于声压级。77dB(A)76.7dB(A)76.6dB(A)36,7sone14.0sone38,8sone响度级和A计权声压级(2)计权声级考虑到人们主观上对响度感觉不同，根据等响曲线对频率给以适当增减的修正方法称为频率计权常用的有A、B、C三种计权网络。A计权曲线模拟人耳，近似于响度级为40phon等响曲线的倒置，使低频段有较大的衰减。B计权曲线近似于70phon等响曲线的倒置，使低频段有一定的衰减。C计权曲线近似于100phon等响曲线的倒置，可听声范围平直。经A计权曲线测量出的分贝读数称A计权声级，dB(A)。同样经B或C测得的分贝读数分别为B计权声级和C计权声级,dB（B）、dB（C）。第2章声学理论基础2.1波动方程与声的基本性质2.2声传播及结构声辐射2.3声阻抗、声强及声功率2.4噪声及其控制技术1）噪声分类：机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。2）声源识别方法：•主观评价法•分别运行法•覆盖法•表面振速测量法•信号分析法•声强测量法•吸声降噪•吸声降噪；•隔声技术；•消声器；噪声控制主要方法：1.吸声评价；2.多孔吸声材料；3.共振吸声结构；1.吸声评价：吸声系数和吸声量吸声系数吸收能量入射能量吸声评价：吸声系数和吸声量吸声量吸声系数吸声面积吸声量计算实例：多孔吸声材料吸声机理与特性：•条件：大量孔隙，孔孔相连；•机理：多次反射损耗能量；•特性：主要吸收中高频噪声；增加厚度能改善吸收低频噪音；常用吸声材料的吸声特性：常用建筑材料的吸声特性：常用建筑材料的吸声特性：2.共振吸声结构噪声能量转化为其他能量，起降低噪声的效果。吸声材料主要是将声能变为热能，从而有效吸收中、高频声音。共振吸声结构利用声波激发结构或系统共振，通过结构共振最大限度地吸收声能，达到吸声的目的。•赫姆霍兹共振吸声器传播速度入口管面积容器体积入口长度声波入射到赫姆霍兹共振吸声器的入口时，容器内口的空气受到激励，将产生振动，容器内的介质将产生压缩或膨胀变形。赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，其声抗最小，振动速度达到最大，对声的吸收也达到最大。赫姆霍兹共振器吸声机理：•赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，声抗最小（为零），振动速度最大，相当于吸收入射声波的能力最强；•考虑赫姆霍兹共振吸声器的阻尼，则共振时能量的消耗也最大。空气层吸声结构在多孔材料后留一定厚度的空气层，形成空腔，可有效改善低频的吸声性能。通常推荐的空气层厚度：50~300mm。薄膜、薄板共振吸声结构在薄膜或薄板后面预留一定的空间，形成共振声学空腔；有时为改善系统的吸声性能，还在空腔中填充纤维状多孔吸声材料。这一类结构统称为薄膜（薄板）共振吸声结构。薄膜、薄板共振吸声结构吸声机理•薄膜的弹性和膜后空气层弹性共同构成共振结构的弹性，而质量由薄膜结构的质量确定，低频时可将共振结构理解为单自由度振动系统，当膜受到声波激励且激励频率与薄膜结构固有频率一致时，系统发生共振，薄膜产生较大变形，该变形消耗能量，起到吸收声波能量的作用。•因薄膜刚度小，系统固有频率低，主要用于低频噪音吸收。•薄膜共振吸声结构固有频率：Dcfs20薄膜密度腔深度薄膜、薄板共振吸声结构穿孔板共振吸声结构•由穿孔板构成，分单孔和多孔两种形式。•可以通过在小孔颈口部位加薄膜透声材料或多孔性吸声材料以改善穿孔板吸声结构的吸声特性，也可通过加长小孔的有效颈长来改变吸声特性。穿孔板共振吸声结构穿孔板吸声结构：吸声机理（课本P93）隔声降噪•声波在传播途中，遇到障碍物时，由于介质特性阻抗的变化，使部分声能被障碍物反射回去，一部分被障碍物吸收，只有一部分声能可以透过障碍物辐射出去，反射与辐射的结果是降低了噪声的传播，这种现象称为隔声。(P94)•具有隔声能力的物体称为隔声结构或隔声构件。•隔声