第二章.聲波-2

1、A、 教學(xué)目的1.聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律(C：理解)3.聲波傳播現(xiàn)象(B：識記)B、教學(xué)重點(diǎn)(1)聲波的基本特性 聲源；波動；聲波的傳播特性 (2)噪聲的客觀物理量度 聲強(qiáng)、聲壓、聲功率；聲強(qiáng)級、聲壓級、聲功率級；分貝相加、分貝相減、分貝平均；頻程和濾波器；頻譜和頻譜分析；噪聲的掩蔽效應(yīng)。C、教學(xué)難點(diǎn)1、聲波的傳播特性、級、頻譜、掩蔽效應(yīng)的概念2、聲波傳播的現(xiàn)象知識。D、教學(xué)用具多媒體幻燈片E、教學(xué)方法講授法、討論法F、課時安排2(6)課時G、教學(xué)過程基本概念：聲源：凡能產(chǎn)生聲音的振動物體。P7縱波：媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向與聲波的傳播方向相一致的聲波。P7橫波：媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向與聲波的傳播方

2、向相互垂直的聲波。P7聲壓：聲源振動、傳遞，會造成鄰近空氣壓強(qiáng)的起伏變化，其壓強(qiáng)的起伏變化量p，即與靜態(tài)壓強(qiáng)的差p=(P-Po)。P8頻率：單位時間的振動次數(shù)，單位赫茲（Hz）,1Hz=1s-1。P8振幅：振動波離開平衡處的最大位移。P10波陣面：音波傳播空間同一時刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。P10平面聲波：當(dāng)波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時的聲波。一般遠(yuǎn)離聲源的聲波近似的看作為平面聲波。P10波前：聲波傳播時處于最前沿的波陣面。P10波數(shù)：,其中角頻率，聲速。P10聲阻抗率：，聲壓；質(zhì)點(diǎn)振動速度；p11點(diǎn)聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸比聲波波長小得多時，或者測量點(diǎn)離開聲源相當(dāng)遠(yuǎn)時，則可以將聲源看

3、成為一個點(diǎn)，稱為點(diǎn)聲源。P12線聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸相比聲波波長不可忽略且聲源形狀可視為一條線時的聲源。P32面聲源：當(dāng)聲波的幾何尺寸相比聲波波長不可忽略且聲源形狀可視為一個面域時的聲源。P34球面聲波：在各向同性的均勻媒質(zhì)中，從一個表面同步漲縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波，也就是在以聲源點(diǎn)為球心，以任何r值為半徑的球面上聲波的相位相同。P12柱面聲波：波陣面是同軸圓柱面的聲波，其聲源一般可視為“線聲源”。P12聲線：自聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線。在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。各向異性的媒質(zhì)中，則有所區(qū)別。P13聲能量：聲波在媒質(zhì)中傳播，一方面使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡

4、位置附近往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生動能，另一方面又使媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹的疏密過程，使媒質(zhì)具有形變的勢能。兩部分能量之和就是聲擾動使媒質(zhì)得到的聲能量。P13瞬時聲強(qiáng)：聲場中某點(diǎn)處，與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積上在單位時間內(nèi)通過的聲能，是一矢量。P14聲強(qiáng)：對于穩(wěn)態(tài)聲場，瞬時聲強(qiáng)在一定時間T內(nèi)的平均值。P14聲功率：聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射的總能量?；蚴菃挝粫r間內(nèi)通過某一面積的聲能。P14干涉現(xiàn)象：在空間某些位置振動始終加強(qiáng)，在另一些位置振動始終減弱，此種現(xiàn)象即為干涉現(xiàn)象。P15相干波：具有相同頻率、相同振動方向和恒定相位差的聲波稱為相干波。P15駐波：聲壓值PT隨空間不同位置有極大值和極小值分布的周期波。P1

5、5駐波聲場：駐波傳播的空間聲場。P15頻譜圖：以頻率f為橫軸，以聲壓p為縱軸繪出的聲音的頻率譜線圖。P16基頻：與振動周期相同正弦形式的頻率。P16諧波：頻率等于基頻的整數(shù)倍的正弦形式稱為諧波。P16譜密度：，其中聲壓，某頻率附近的帶寬。P16反射聲波：當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時，一部分會經(jīng)界面反射回原來的媒質(zhì)中，即為反射聲波。P17透射聲波：當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時，一部分會經(jīng)界面進(jìn)入另一種媒質(zhì)中成為透射聲波。P17級：對被量度量與基準(zhǔn)量的比值求對數(shù)，這個對數(shù)值稱為被量度量的“級”。P22聲壓級：，其中：p被量度的聲壓有效值，p0基準(zhǔn)聲壓。P22聲強(qiáng)級：，其中：I被量度的聲強(qiáng)，I0基準(zhǔn)

6、聲強(qiáng)。P22聲功率級：，其中：W被量度的聲功率平均值，W0基準(zhǔn)聲功率。P23空氣吸收：聲波在空氣中傳播時，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過程中，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損，稱為空氣吸收。P26弛豫吸收：指空氣分子轉(zhuǎn)動或振動時存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時要發(fā)生能量交換。并有能量交換的滯后現(xiàn)象。P26聲偶極子：有兩個具有相同振幅、相反相位的點(diǎn)聲源構(gòu)成的合成聲源。P30聲屏障：當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在密實材料形成的障礙物時會產(chǎn)生顯著的附加衰減，這樣的障礙物稱為聲屏障。P282.6.聲波在傳播中的衰減聲在傳遞過程中將產(chǎn)生反射、折射、和衍射等現(xiàn)象，并在傳遞過程中引起衰減。主要有：聲能隨

7、距離的發(fā)散傳播引起的衰減；：聲能由于空氣吸收引起的衰減；：聲能由于地面吸收引起的衰減；：聲能由于屏障作用引起的衰減；：聲能由于氣象條件引起的衰減等等。故聲傳遞過程中總的衰減值l ：聲能隨距離的發(fā)散傳播引起的衰減：全空間：即向四周空間發(fā)散，以r為半徑的球面面積為； 聲強(qiáng)I與聲功率W關(guān)系： r接收點(diǎn)與聲源間的距離。 聲壓級：半空間：即向剛性面的上半空間發(fā)散，以r為半徑的半球面面積為； 聲強(qiáng)I與聲功率W關(guān)系： r接收點(diǎn)與聲源間的距離。聲壓級：從處傳播到處時的發(fā)散衰減l ：聲能由于空氣吸收引起的衰減(一般可查書上表2-1)：空氣吸收：聲波在空氣中傳播時，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過程中，使一

8、部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損，稱為空氣吸收。P26常溫(20)時： 其中，f：聲波頻率，Hz； d：傳播距離，m； ：相對濕度。不同溫度時： 其中，：與20相差的攝氏溫度；。弛豫吸收：指空氣分子轉(zhuǎn)動或振動時存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時要發(fā)生能量交換。并有能量交換的滯后現(xiàn)象。P26l ：聲能由于地面吸收引起的衰減：開闊的平地、大片的草地、灌木樹叢、丘陵、河谷等均會產(chǎn)生地面吸收引起的衰減。一般對70m以上距離的非剛性地面衰減予以考慮。在地震、草原放牧、地表信號探測等方面應(yīng)用。 書上給出了1000Hz的附加衰減公式，大家了解下即可，一般根據(jù)樹木種類，草皮等種類變化較大。這個在實際當(dāng)中要特別注

9、意。l ：聲能由于屏障作用引起的衰減：涉及到聲波遇到屏障時的反射、透射、折射等聲學(xué)現(xiàn)象，即聲輻射的問題，需綜合考慮，后面介紹。l ：聲能由于氣象條件引起的衰減：雨、雪、霧等對聲波的散射會引起聲能的衰減，但一般影響較小，每1000米不到0.5dB，可忽略不計。而風(fēng)、溫度梯度對聲波的傳播影響很大，見圖示，溫度、風(fēng)速對聲波的影響：2.7.聲源的輻射聲場中的聲壓大小、空間分布、時間特性、頻率特性等都與聲源的輻射性質(zhì)密切相關(guān)。實際聲源輻射的聲波情況均很復(fù)雜，要詳細(xì)的定量描述聲場中聲壓與聲輻射特性之間的關(guān)系很困難。如聲輻射的輻射系數(shù)一般根據(jù)實際測量值確定，理論估值較難，偏差較大。聲輻射與聲源性質(zhì)密切相關(guān)，

10、下面分別對點(diǎn)、線、面聲源分別分析：l 點(diǎn)聲源：條件：a.聲源表面各處作同振幅、同相位的振動。b.ka<<1(a為聲源的線度)即a比小得多，其瞬時聲壓為(球面波的解)其中，：聲源強(qiáng)度；a：聲源線度，相當(dāng)于距離聲源的直線距離。l 有兩個具有相同振幅、相反相位的點(diǎn)聲源構(gòu)成的合成聲源，視為聲偶極子。其瞬時聲壓為(球面波的解)由聲偶極子引起的聲源發(fā)散及上式可以知道：聲壓在空間不再均勻分布，而且有很強(qiáng)的方向性，在偶極子軸線方向，聲壓最大；在垂直軸線的中線方向，聲壓為零。為了描述聲源的輻射特性隨方向的變化，引入指向性因數(shù)： 式中：聲功率為W的實際聲源在距離r處方向的均方聲壓。：聲功率為W的無指向

11、性聲源在距離r處的均方聲壓。 對于偶極子，有 ；對于同樣的聲源強(qiáng)度Q，一般聲偶極子產(chǎn)生的聲壓要比點(diǎn)聲源的小，輻射效率差。實際聲源一般可能不滿足點(diǎn)聲源條件，可設(shè)想把聲源表面S分成無限多個小面元ds，而ds上可認(rèn)為是一個點(diǎn)聲源，整個疊加得到空間一點(diǎn)的總瞬時聲壓。l 線聲源：線聲源的處理：1 一列較長的列車、公路等。2 一般線聲源為近似處理。3 不相干線聲源可視作能量疊加。l 連續(xù)分布的線聲源：整個線聲源對P點(diǎn)的聲壓平方為：當(dāng)線聲源無限長或P點(diǎn)靠近線源中部且r0遠(yuǎn)小于線源之長度時，則有：。相應(yīng)的可求解出聲壓級為：式中：單位長度聲功率級。 參照公式：(空氣中質(zhì)點(diǎn)振動速度與空氣媒質(zhì)密度、聲速、聲壓關(guān)系式

12、P11) 的符號示意。此外，如果線聲源的長度遠(yuǎn)小于被測聲壓點(diǎn)距聲源的距離，則可視作半自由空間的點(diǎn)聲源而予以處理。l 離散分布無限長線聲源：單獨(dú)離散點(diǎn)聲源的影響貢獻(xiàn)為：離散線聲源對P點(diǎn)的影響貢獻(xiàn)為：1 當(dāng)時，有：，從而有：，說明當(dāng)r很小時，只有靠近的聲源起作用，其余聲源的影響可忽略。2 當(dāng)時，有：，從而有：,這時，可將離散聲源作連續(xù)聲源處理即將離散聲源的聲功率除以離散點(diǎn)間隔d視作連續(xù)聲功率W，即可引用連續(xù)聲功率的相關(guān)計算式：需說明的是：不論離散或是連續(xù)線聲源，均有：聲級衰減量： （指從r01到r02的距離）l 面聲源：面聲源是一個與聲源大小，即聲源的長、寬、高密切相關(guān)的影響源，其對距離d處的P點(diǎn)

13、的影響，如聲能密度為： 式中：聲速為c 。如果，則可求得 可定義，并取代公式中參變量。并由此可求得P點(diǎn)的聲壓級：書上舉了一個簡單的例子，表征結(jié)果表明：對于面聲源中的點(diǎn)源處理，要注意：1 相位的影響，同相位的可以進(jìn)行能量疊加，甚至是聲壓加和，數(shù)值與方向矢量的相加。2 相位不同、但相關(guān)的點(diǎn)源處理，一定要注意采用瞬時聲壓的加和，不再使用能量加和等關(guān)系。3 面聲源的處理復(fù)雜，應(yīng)視情況而作處理。l 聲源的指向性：聲源在自由空間中輻射聲波時，其強(qiáng)度分布的一個主要特性是指向性，常用表示。 其中，：某方向的聲強(qiáng)； ：所有方向上的平均聲強(qiáng)。如考慮聲輻射的指向性，則原有的聲壓級計算公式修正為： 其中，為指向性指數(shù)，。由于指向性因數(shù)一般與頻率相關(guān)，故計算是需要分頻計算的。H、板 書第二章.聲波的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律2.6.聲波在