聲波基本性質(zhì)與傳播規(guī)律

1、聲波基本性質(zhì)與傳播規(guī)律o 2.1 聲音的產(chǎn)生及描述方法o 2.2 聲波的疊加o2.3 聲波的頻率和噪聲頻譜o 2.4 聲源的反射、投射和衍射o 2.5 聲波的輻射o2.6 聲波在傳播過程中的衰減主要內(nèi)容2.1 聲音的產(chǎn)生及描述方法物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。 聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱作聲源。聲源的振動(dòng)聲源的振動(dòng)彈性媒介彈性媒介振動(dòng)振動(dòng)聲波聲波空氣、固體、空氣、固體、液體液體1 聲波的產(chǎn)生 聲波的形成：當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起聲源周圍彈性聲波的形成：當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起聲源周圍彈性媒質(zhì)媒質(zhì)空氣分子的振動(dòng)。這些振動(dòng)的分子又會(huì)使其周圍空氣分子的振動(dòng)。這些振動(dòng)的分子又會(huì)使其周圍的空氣分子產(chǎn)生振

2、動(dòng)。這樣，聲源產(chǎn)生的振動(dòng)就以聲波的空氣分子產(chǎn)生振動(dòng)。這樣，聲源產(chǎn)生的振動(dòng)就以聲波的形式向外傳播。的形式向外傳播。 在噪聲控制工程中主要涉及在噪聲控制工程中主要涉及空氣媒質(zhì)中的空氣聲空氣媒質(zhì)中的空氣聲。 在空氣中，聲波是一種縱波在空氣中，聲波是一種縱波，這時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方，這時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)向是與聲波的傳播方向相一致的。反之，將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。方向與聲波傳播方向相互垂直的波稱為橫波。聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波。聲場(chǎng)：有聲波傳播的空間叫聲場(chǎng)。聲音傳播的實(shí)質(zhì)：聲音傳播是指物體振動(dòng)形式的傳播。由相鄰質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)

3、量傳遞來完成，而不是由物質(zhì)的遷移來傳播的。2 描述聲波的基本物理量o波長波長：在同一時(shí)刻，從某一個(gè)最稠密（或最稀疏）的地點(diǎn)到相：在同一時(shí)刻，從某一個(gè)最稠密（或最稀疏）的地點(diǎn)到相鄰的另一個(gè)最稠密鄰的另一個(gè)最稠密(或最稀疏）的地點(diǎn)之間的距離稱為聲波或最稀疏）的地點(diǎn)之間的距離稱為聲波的波長，的波長，(m)o周期周期：振動(dòng)重復(fù)：振動(dòng)重復(fù)1次的最短時(shí)間間隔稱為周期。次的最短時(shí)間間隔稱為周期。T(s)o頻率頻率：周期的倒數(shù)即單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，稱為頻率，：周期的倒數(shù)即單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，稱為頻率，f, 赫赫茲茲(Hz),1Hz=1s-1o聲速聲速：振動(dòng)狀態(tài)在媒質(zhì)中的傳播速度稱為聲速，：振動(dòng)狀態(tài)在媒質(zhì)中

4、的傳播速度稱為聲速，c(m/s)。實(shí)際計(jì)算常取實(shí)際計(jì)算常取340m/s。頻率范圍(Hz)20000聲音次2000超低頻聲 中頻聲 高頻定義聲音頻聲聲媒質(zhì)名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速34413723048365351821219335342671 時(shí)聲速近似值（m/s）聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng) a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求方均根值即得有效聲壓。聲音種類聲壓聲音種類聲壓正常人耳能聽到最弱聲2X10-5織布車間2普通說話聲（1m遠(yuǎn)處）2X10-2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、球磨機(jī)20公共汽車內(nèi)0.2噴氣飛機(jī)起飛200日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa)

5、c. 聲壓級(jí):該聲音的聲壓的有效值與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘20，即：聲壓級(jí)單位：分貝。 聲能量聲能量o聲波在媒質(zhì)中傳播，一方面使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近往聲波在媒質(zhì)中傳播，一方面使媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)能；另一方面又使媒質(zhì)產(chǎn)生了壓縮和膨脹的復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)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(shì)能。這兩部分能量之和就是疏密過程，使媒質(zhì)具有形變的勢(shì)能。這兩部分能量之和就是由于聲擾動(dòng)使媒質(zhì)得到的聲能量，由于聲擾動(dòng)使媒質(zhì)得到的聲能量，以聲的波動(dòng)形式傳遞出以聲的波動(dòng)形式傳遞出去。去。聲波的聲能密度聲波的聲能密度聲能密度聲能密度定義：聲場(chǎng)中單位體積媒質(zhì)

6、所含有的聲能量，單位是焦耳每立方米（J/m3) 對(duì)于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言： 聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，單位是瓦。意義：聲功率是衡量聲源聲能量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。人耳能聽到的最低10-12Wb.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。聲功率W與基準(zhǔn)聲功率W0之比的常用對(duì)數(shù)聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.聲強(qiáng):在聲傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能量，稱為聲音的強(qiáng)度，簡稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米 （W/ m2）。b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與基準(zhǔn)聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。2.2 聲波的疊加對(duì)于互不相干的多個(gè)噪聲源對(duì)于

7、互不相干的多個(gè)噪聲源，它們之間不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)，它們之間不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。這時(shí)，空間某處的總聲壓象。這時(shí)，空間某處的總聲壓Pe為為上式表明，對(duì)于多個(gè)聲波，當(dāng)各個(gè)聲波間不存在固上式表明，對(duì)于多個(gè)聲波，當(dāng)各個(gè)聲波間不存在固定相位差時(shí)，其能量可以直接疊加。定相位差時(shí)，其能量可以直接疊加。o總聲壓級(jí)為：總聲壓級(jí)為： Lp = 10lg = 10lg100.1L + 100.1L (dB)o對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)n個(gè)聲源的一般情況有：個(gè)聲源的一般情況有： Lp = 10lg(100.1L ) 【例例1】在車間某操作點(diǎn)分別測(cè)量兩噪聲源的聲壓級(jí)為在車間某操作點(diǎn)分別測(cè)量兩噪聲源的聲壓級(jí)為100分分貝和貝和95分貝，問總的聲壓

8、級(jí)是多少分貝？分貝，問總的聲壓級(jí)是多少分貝？解解：（：（1）計(jì)算法計(jì)算法2.3 2.3 聲波的頻率和噪聲的頻譜聲波的頻率和噪聲的頻譜o在噪聲控制中所研究的就是可聽聲，在噪聲控制這門學(xué)科中在噪聲控制中所研究的就是可聽聲，在噪聲控制這門學(xué)科中，通常粗略地把聲波的頻率分為三個(gè)頻段：，通常粗略地把聲波的頻率分為三個(gè)頻段：300赫以下的叫低赫以下的叫低頻聲，頻聲，3001000赫的叫中頻聲，赫的叫中頻聲，1000赫以上的叫高頻聲。赫以上的叫高頻聲。聲波頻率的概念非常重要，因?yàn)槁暡l率的概念非常重要，因?yàn)榭刂聘哳l噪聲和控制低頻控制高頻噪聲和控制低頻噪聲的技術(shù)措施存在著很大的差別噪聲的技術(shù)措施存在著很大的差

9、別。而在測(cè)量和工程設(shè)計(jì)。而在測(cè)量和工程設(shè)計(jì)中具有實(shí)用價(jià)值的是采用中具有實(shí)用價(jià)值的是采用倍頻程倍頻程的的頻率頻率劃分方法。劃分方法。 常見噪聲的頻譜圖一、倍頻程一、倍頻程o可聽聲的頻率從可聽聲的頻率從20赫到赫到20000赫，高低相差達(dá)赫，高低相差達(dá)l000倍。為了方便起倍。為了方便起見，通常把寬廣的聲頻變化范圍劃分為若干較小的段落，叫做見，通常把寬廣的聲頻變化范圍劃分為若干較小的段落，叫做頻程。頻程有上限頻率值、下限頻率值和中心頻率值，上下限頻程。頻程有上限頻率值、下限頻率值和中心頻率值，上下限頻率之差，即中間區(qū)域稱為頻程寬度，簡稱帶寬。頻率之差，即中間區(qū)域稱為頻程寬度，簡稱帶寬。從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)

10、，兩個(gè)不同頻率的聲音做相對(duì)比較時(shí)，起決定作用的是從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)不同頻率的聲音做相對(duì)比較時(shí)，起決定作用的是兩個(gè)頻率的比值，而不是它們的差值，例如，音樂中兩個(gè)頻率的比值，而不是它們的差值，例如，音樂中C調(diào)的低音調(diào)的低音6的基的基頻是頻是220Hz，中音，中音6的基頻是的基頻是440Hz，高音，高音6的基頻是的基頻是880Hz，所以，所以聽起來中音聽起來中音6比低音比低音6的音調(diào)高一倍，高音的音調(diào)高一倍，高音6比中音比中音6的音調(diào)高一倍的音調(diào)高一倍，我們稱低音，我們稱低音6和中音和中音6相差一個(gè)倍頻程，中音相差一個(gè)倍頻程，中音6和高音和高音6相差一個(gè)相差一個(gè)倍頻程，而聽起來音調(diào)提高的程度也是相同

11、的倍頻程，而聽起來音調(diào)提高的程度也是相同的(即提高即提高“八度音程八度音程”)。低音。低音6和高音和高音6相差兩個(gè)倍頻程。相差兩個(gè)倍頻程。頻程和頻譜：b. 頻程：為方便起見，通常將寬廣的音頻變化范圍劃分為若干個(gè)較小的頻段，稱為頻段或頻程。f1 -下限截止頻率；f2 -上下限截止頻率；f -中心頻率；f -頻帶寬 在噪聲控制中，對(duì)頻率作相對(duì)比較的單位叫在噪聲控制中，對(duì)頻率作相對(duì)比較的單位叫倍頻程倍頻程，兩，兩個(gè)頻率相差個(gè)頻率相差2個(gè)倍頻程意味著其頻率之比個(gè)倍頻程意味著其頻率之比22，相差，相差3個(gè)倍頻個(gè)倍頻程意味著兩個(gè)頻率之比為程意味著兩個(gè)頻率之比為23，依此類推。，依此類推。 在噪聲測(cè)量中，通

12、用的倍頻程有在噪聲測(cè)量中，通用的倍頻程有n1時(shí)的時(shí)的11倍頻程，簡倍頻程，簡稱倍頻程；有稱倍頻程；有n12時(shí)的時(shí)的12倍頻程；有倍頻程；有n13時(shí)的時(shí)的13倍頻程等。倍頻程等。2.4 聲波的反射、投射和衍射聲波在傳播過程中會(huì)遇到各種各樣的障礙物，如固體聲波在傳播過程中會(huì)遇到各種各樣的障礙物，如固體的、液體的和氣體的等。當(dāng)聲波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一的、液體的和氣體的等。當(dāng)聲波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)，后一種媒質(zhì)就是一種障礙物。障礙物會(huì)使種媒質(zhì)時(shí)，后一種媒質(zhì)就是一種障礙物。障礙物會(huì)使聲波發(fā)生反射、透射和衍射。聲波發(fā)生反射、透射和衍射。o當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的界面時(shí)，一部分會(huì)經(jīng)界面反射返當(dāng)聲波入射到兩

13、種媒質(zhì)的界面時(shí)，一部分會(huì)經(jīng)界面反射返回到原來的媒質(zhì)中稱為回到原來的媒質(zhì)中稱為反射聲波反射聲波，一部分將進(jìn)入另一種媒，一部分將進(jìn)入另一種媒質(zhì)中成為質(zhì)中成為透射聲波透射聲波。聲波的反射聲波的反射o以平面聲波為例，入射聲波以平面聲波為例，入射聲波pi垂直入射到媒質(zhì)垂直入射到媒質(zhì)和媒和媒質(zhì)質(zhì)的分界面的分界面x=0上（圖上（圖2-6）。由于界面的反射，在媒）。由于界面的反射，在媒質(zhì)質(zhì)I中除了入射聲波中除了入射聲波pi以外，還有反射聲波以外，還有反射聲波pr，這樣，這樣，媒質(zhì)，媒質(zhì)I中的總聲壓為兩個(gè)波的疊加：中的總聲壓為兩個(gè)波的疊加：p1pipr，而，而在第二媒質(zhì)中只有透射聲波在第二媒質(zhì)中只有透射聲波pt

14、，所以媒質(zhì)，所以媒質(zhì)中總聲壓中總聲壓p2pt 。1c12c2ptxopipr圖圖2-6 2-6 平面聲波正入射到兩種媒質(zhì)的分界面平面聲波正入射到兩種媒質(zhì)的分界面 當(dāng)平面聲波斜入射于兩媒質(zhì)的界面時(shí)，如圖當(dāng)平面聲波斜入射于兩媒質(zhì)的界面時(shí)，如圖2-7所示，所示，入射聲波入射聲波pi與界面法向成與界面法向成i角入射到界面上，這時(shí)角入射到界面上，這時(shí)反射波反射波pr與法向成與法向成r角，在第二個(gè)媒質(zhì)中，透射聲波角，在第二個(gè)媒質(zhì)中，透射聲波pt與法向成與法向成t角，透射聲波與入射聲波不再保持同一角，透射聲波與入射聲波不再保持同一傳播方向，形成聲波的折射。傳播方向，形成聲波的折射。 這時(shí)，入射聲波、反射聲波

15、與折射聲波的傳播方這時(shí)，入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)滿足向應(yīng)滿足Snell定律，即：定律，即：1c12c2pttOpipr圖圖2-7聲波的折射聲波的折射ir折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒質(zhì)中的聲速之比折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒質(zhì)中的聲速之比這表明若兩種媒質(zhì)的聲速不同，聲波傳入媒質(zhì)這表明若兩種媒質(zhì)的聲速不同，聲波傳入媒質(zhì)時(shí)方向就要改變。當(dāng)時(shí)方向就要改變。當(dāng)c2c1時(shí)會(huì)存在某個(gè)時(shí)會(huì)存在某個(gè)i值，值， ie=arcsin(c1/c2)使得使得t=/2。即當(dāng)聲波以大于。即當(dāng)聲波以大于ie的入射角入射時(shí)，聲波不能進(jìn)入媒質(zhì)的入射角入射時(shí)，聲波不能進(jìn)入

16、媒質(zhì)中從而形成聲波的全反射。中從而形成聲波的全反射。 理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗率接近時(shí)，即理論和實(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗率接近時(shí)，即1c1 2c2 ，聲波幾乎全部由第一種介質(zhì)進(jìn)入第二種介質(zhì)，聲波幾乎全部由第一種介質(zhì)進(jìn)入第二種介質(zhì)，全部透射過去；當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)聲阻抗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一，全部透射過去；當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)聲阻抗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一種介質(zhì)聲阻抗率時(shí)，即種介質(zhì)聲阻抗率時(shí)，即2c2 1c1 ，聲波大部分都會(huì)被反，聲波大部分都會(huì)被反射回去，透射到第二種介質(zhì)的聲波能量是很少的。射回去，透射到第二種介質(zhì)的聲波能量是很少的。 在噪聲控制工程中，經(jīng)常利用不同材料所具有的不同特在噪聲控制工程中，經(jīng)

17、常利用不同材料所具有的不同特性阻抗，使聲波在不同材料的界面上產(chǎn)生反射，從而達(dá)性阻抗，使聲波在不同材料的界面上產(chǎn)生反射，從而達(dá)到控制噪聲傳播的目的。如用兩種或多種不同材料粘結(jié)到控制噪聲傳播的目的。如用兩種或多種不同材料粘結(jié)成多層隔聲板，在各層間形成分界面，各界面形成反射成多層隔聲板，在各層間形成分界面，各界面形成反射。 因此，對(duì)于相同厚度的隔聲板，多層隔聲板比單層隔聲效果因此，對(duì)于相同厚度的隔聲板，多層隔聲板比單層隔聲效果好。好。聲波的衍射聲波的衍射 聲波傳播過程中，如果遇到的障礙物或者帶有小孔的障板聲波傳播過程中，如果遇到的障礙物或者帶有小孔的障板時(shí)，如障礙物的尺寸或孔的大小與波長差不多，則聲

18、波能時(shí)，如障礙物的尺寸或孔的大小與波長差不多，則聲波能夠繞過障礙物或小孔的邊緣前進(jìn)，并引起傳播方向的改變夠繞過障礙物或小孔的邊緣前進(jìn)，并引起傳播方向的改變，稱為聲波的，稱為聲波的衍射衍射。2.5 聲波的輻射o 聲源的指向性：聲源發(fā)出的聲波，在各個(gè)方向上的聲壓分布并不一定相同，這種隨方向分布的不均勻性，稱為聲源的指向性。o 指向性因數(shù)指向性因數(shù)：在離聲源中心不同距離處，測(cè)量球面上各點(diǎn)的聲強(qiáng)，求得所有方向上的平均聲強(qiáng)，將某一方向上得聲強(qiáng)與其相比就是該方向的指向性因數(shù)：o 考慮到聲源的指向性，需要對(duì)聲壓級(jí)的計(jì)算公式進(jìn)行修正，自由聲場(chǎng)中在某一方向上的聲壓級(jí)公式可表示為：DI是指向性指數(shù)，2.6 聲波在

19、傳播過程中的衰減o 1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）o 2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa）o 3.地面吸收的附加衰減（Ag）o 4.聲屏障衰減（Ab）o 5.氣象條件的影響（Am ）1.擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)散衰減的定義擴(kuò)散衰減的定義：由于波陣面的擴(kuò)展而引起的聲強(qiáng)隨距離而減弱的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。2.空氣吸收引起的附加衰減o 空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，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)化為熱能而損耗，稱為空氣吸收。這種吸收稱為經(jīng)典吸收。o 弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)時(shí)存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時(shí)要發(fā)生能量交換。能量交換的過程都有滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為弛豫吸收。2.空氣吸收引起的附加衰減o 對(duì)于噪聲控制工程，可以采用下面的半經(jīng)驗(yàn)公式來估算空氣吸收衰減。在20時(shí)： 聲波的頻率，Hz相對(duì)濕度傳播距離，m2.空氣吸收引起的附加衰減o 對(duì)于不同溫度，可采用下式來估算：