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1、第二节第二节 声波的基础知识声波的基础知识2.1 2.1 声波的产生声波的产生n当当声源振动声源振动时，就会引起声时，就会引起声源周围源周围弹性媒质弹性媒质空气分空气分子振动，这些振动的分子又子振动，这些振动的分子又使周围的空气分子产生振动，使周围的空气分子产生振动，这样声源产生的振动就以声这样声源产生的振动就以声波的形式向外传播。波的形式向外传播。以鼓面振动为例以鼓面振动为例 鼓面波长n声源声源n弹性媒质弹性媒质声波形成的必要条件声波形成的必要条件n纵波：纵波：媒质质点的振动方向与声波的传媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致。播方向相一致。n空气中的声波即为纵波，又称疏密波。空气中的声波
2、即为纵波，又称疏密波。n横波：横波：媒质质点的振动方向与声波的传媒质质点的振动方向与声波的传播方向垂直。播方向垂直。n固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。波动波动n声波在空气中传播时，空气质点本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质点只是在它的平衡位置附近前后做纵向振动。做纵向振动。n也就是说：声音的传播实质是物体也就是说：声音的传播实质是物体振动的传播，即振动的传播，即传播出去的是物质传播出去的是物质运动的能量运动的能量，而不是物质本身。，而不是物质本身。波动波动n声音
3、是物质的一种运动形式，声音是物质的一种运动形式，这种运动形式叫这种运动形式叫波动波动。声波的类型声波的类型n波阵面：空间中波阵面：空间中同一时刻同一时刻波波到达的各点到达的各点可以连接成一个可以连接成一个面，称为波阵面。面，称为波阵面。声波的类型：声波的类型：平面声波n当声波的当声波的波阵面是波阵面是垂直于传垂直于传播方向的播方向的一系列平一系列平面时，就面时，就称其为平称其为平面声波。面声波。面声源面声源声波的类型：声波的类型：球面声波点声源点声源声波的类型：声波的类型：柱面声波线声源线声源n平面声波、球面声波、柱面声波平面声波、球面声波、柱面声波都是理想的传播类型。都是理想的传播类型。n在
4、具体应用时可根据实际条件进在具体应用时可根据实际条件进行合理近似。行合理近似。2.2 2.2 声波的描述声波的描述n波长波长n周期周期n频率频率n声速声速 n波长波长 相邻相邻相位相同的质点相位相同的质点之间的距离。之间的距离。鼓面波长 质点往复振动一次所需要的时间，称质点往复振动一次所需要的时间，称为周期。单位为秒（为周期。单位为秒（s）。）。 也就是波走过一个波长所需的时间。也就是波走过一个波长所需的时间。n周期周期 Tn频率频率 fn单位时间单位时间（1s）媒质质点振动的次媒质质点振动的次数，单位为赫兹数，单位为赫兹（Hz）。nf =1/Tn每秒钟声源振动的次数越多，说每秒钟声源振动的次
5、数越多，说明频率越高，人耳主观感觉到的明频率越高，人耳主观感觉到的音调就越高，反之越低。音调就越高，反之越低。n可听声频率范围：可听声频率范围：2020000Hzn超声超声n次声次声n声速声速 cn单位时间内波走过的路程。 (m/s)C = f= /T声速是媒质特性的函数，在不同的媒声速是媒质特性的函数，在不同的媒质中，声速是不相同的。质中，声速是不相同的。媒质名称媒质名称空气空气水水混凝土混凝土玻璃玻璃声速声速( (m/s)m/s)344344137213723048304836583658媒质名称媒质名称铁铁铅铅硬木硬木软木软木声速声速( (m/s)m/s)5182518212191219
6、426742673353335321.121.1时声速近似值时声速近似值空气中的声速空气中的声速nC=331.45+0.61t（t为温度， ）n一般计算时，空气中的声速可取340m/s（15 值）2.3 2.3 频程和频谱频程和频谱n噪声是复音，一个声源发出的声音往往是噪声是复音，一个声源发出的声音往往是由很多由很多不同频率、不同强度不同频率、不同强度的成分合成的。的成分合成的。那么，如果我们要描述一个声音，就必须那么，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把它的这些频率组份及其对应强度全部表示出来。示出来。 n可听声频率范围：可听声频率范围：2020000Hzn实
7、测发现：两个不同频率的声音做相对比实测发现：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。较时，有决定意义的是它们频率的比值。 1.1.频程频程n为了研究和实用上的需要，在声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，称其为范围划分成若干小区间，称其为频程、频段或频带。频程、频段或频带。倍频程倍频程n把把202020000Hz20000Hz的声频范围，按频率倍的声频范围，按频率倍比关系划分为比关系划分为1111个段落。每个频带的个段落。每个频带的上限频率和下限频率相差一倍。上限频率和下限频率相差一倍。n即频率比为即频
8、率比为2 21 1的频程，称它为倍频程。的频程，称它为倍频程。12下上ff倍频程倍频程上限频率2244881773557101420284056801136022720中心频率1631.563125250500100020004000800016000下限频率1122448817735571014202840568011360倍频程倍频程推而广之：推而广之：n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为2 2倍频程倍频程；n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为3 3倍频程倍频程；n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为n n倍频程倍频程。2 222 232 2n倍频程倍频程n若频率比为若频率比为2
9、 21/31/3，则称为，则称为1/31/3倍频倍频程。程。n倍频程和倍频程和1/31/3倍频程是最常用的。倍频程是最常用的。倍频程的表示倍频程的表示n某一倍频程常常由其中心频率某一倍频程常常由其中心频率f中中表示表示. .中心频率是上、下频率的中心频率是上、下频率的几何平均值，几何平均值，简写成简写成f。下上fff ffff)212(下上n倍频带的宽度倍频带的宽度n对含有多个频率成分的声音，我们只对含有多个频率成分的声音，我们只要关注它的要关注它的各个频率及其对应的强度各个频率及其对应的强度就可以了。就可以了。n一般以一般以频率为横坐标，声压级为纵坐频率为横坐标，声压级为纵坐标标，绘出的线条
10、来表示声音，这就是，绘出的线条来表示声音，这就是声音的频谱，也称频谱图。声音的频谱，也称频谱图。2.频谱频谱频谱图频谱图n线状谱（乐音）线状谱（乐音）n连续谱（噪声）连续谱（噪声）n复合谱（有调噪声）复合谱（有调噪声）线状谱（乐音）线状谱（乐音）声压级，dBf ，Hz连续谱（噪声）连续谱（噪声）声压级，dBf ，Hz复合谱（有调噪声）复合谱（有调噪声）声压级，dBf ，Hz频谱分析频谱分析n在噪声控制中，要了解噪声的特在噪声控制中，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，这也称频率成分和相应的强度，这也称作作频谱分析频谱分析。n一般以倍频程或
11、一般以倍频程或倍频程倍频程中心中心频频率值为横坐标率值为横坐标，声压级为纵坐标声压级为纵坐标，绘出的折线来表示声音的频谱。绘出的折线来表示声音的频谱。频谱分析、频谱图频谱分析、频谱图63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 中心频率中心频率f，Hz声压级，声压级，dB 90 80 70 60 2.5 2.5 声音的物理量度声音的物理量度n声功率声功率n声压声压n声强声强1.1.声功率声功率Wn声功率是表示声源特性的物理量，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是单位时间内声源辐射出来的总声能量，用声能量，用W表示，单位是瓦，表示，单位是瓦，记为记为w。n声源声功
12、率仅是声源总功率中以声源声功率仅是声源总功率中以声波形式辐射出来的声波形式辐射出来的一小部分功一小部分功率率。 500kw鼓风机，一般声功率只有鼓风机，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万人同时说话，所发出的声能也只相当于一只一只450w的电灯在相同时间内所消耗的电能。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一些声源的声功率和声功率级噪声源噪声源宇宙火箭宇宙火箭喷气飞机喷气飞机大型鼓风机大型鼓风机气锤气锤声功率声功率（w）声功率级声功率级(dB)196160140120噪声源噪声
13、源织布机织布机汽车汽车（72km/h)轻声耳语轻声耳语声功率声功率（w）声功率级声功率级(dB)110110304107104102110-110-110-9 声源工作情况一定声源工作情况一定时，辐射的时，辐射的声功率声功率是一恒量是一恒量2.2.声压声压n以鼓面振动为例。声波在传播过以鼓面振动为例。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，稀疏时则低于大超过大气压强，稀疏时则低于大气压强。气压强。鼓面波长n瞬时声压瞬时声压p ：我们把声场中某点：我们把声场中某点在某一瞬时，由静压在某一瞬时，由静压
14、P0改变到压改变到压强强 时，所产生的压强增量称为时，所产生的压强增量称为该点的瞬时声压该点的瞬时声压p，即即0Ppppn瞬时声压瞬时声压是时间的函数。是时间的函数。n有效声压有效声压pe ：瞬时声压传入人耳，瞬时声压传入人耳，由于耳膜的惯性作用，分辨不出由于耳膜的惯性作用，分辨不出声压随时间的变化，而是一个稳声压随时间的变化，而是一个稳定的有效值，称为有效声压定的有效值，称为有效声压。n有效声压有效声压p 是瞬时声压对时间是瞬时声压对时间t取取均方根值，即均方根值，即eTedtpTp021n对于符合正弦运动的声波，有效声对于符合正弦运动的声波，有效声压压p 等于声压的最大值除以等于声压的最大
15、值除以 ，即，即e222maxppe 实际应用中一般所指实际应用中一般所指声压，如未加说明，声压，如未加说明，就是指有效声压。就是指有效声压。声压单位声压单位n1 1大气压大气压 n 1bar= 1bar= n = = 10bar = = 10bar105Pa105N/m2106bar1Pa1N/m23. 3. 声强声强I In声强声强I：单位时间内通过垂直于单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声波传播方向单位面积的平均声能量，称为声强。一般用声能量，称为声强。一般用I I表表示，单位为示，单位为 。W/m2SWI 平面声波的声强平面声波的声强声功率声功率W WSSWI 在理想媒质中
16、，平面声波的在理想媒质中，平面声波的声强与离开声源的距离无关声强与离开声源的距离无关柱面波的声强柱面波的声强rlrlWSWI2在理想媒质中，柱面声波的在理想媒质中，柱面声波的声强随离开声源中心的距离声强随离开声源中心的距离增加，按反比规律衰减。增加，按反比规律衰减。球面声波的声强球面声波的声强r24 rWSWI自由空间自由空间在理想媒质中，球在理想媒质中，球面声波声强随离开面声波声强随离开声源距离的增加，声源距离的增加，按平方反比规律衰按平方反比规律衰减。减。球面声波的声强球面声波的声强r半自由空间半自由空间22 rWSWI平均声能密度平均声能密度n平均声能密度平均声能密度 ：为单位媒质：为单
17、位媒质具有的平均动能和平均势能之和，具有的平均动能和平均势能之和，即：即：D202/cpDeDn声波在不同弹性媒质中传播时，声波在不同弹性媒质中传播时，与之密切相关是与之密切相关是媒质密度及声速媒质密度及声速。n声阻抗率或声特性阻抗声阻抗率或声特性阻抗Z Zs s，单位：单位：Pa.s/mPa.s/mcZs0声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系SSx1x2Vx媒质体积为媒质体积为V V声波从声波从x1 1运动到运动到x2 2，经过时间经过时间t t。垂直于垂直于x方向的截面方向的截面为为S S，厚度为厚度为x，声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系nt t时间内通过时间内通过截面截面S
18、S的声能量的声能量 。xSD SSx1x2Vx声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系cDItSxSDI由声强的定义有：由声强的定义有：声强与声压的关系声强与声压的关系cpccpIcDIee022024.4.声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级n大量实测显示：一定频率的声波，其大量实测显示：一定频率的声波，其强度存在上、下两个限值。强度存在上、下两个限值。n在下限以下，人耳听不到声音，一般在下限以下，人耳听不到声音，一般称下限值为称下限值为听阈值听阈值。n在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，上限值为上限值为痛阈值痛阈值。n频率不同，上、下限值不同。频率不
19、同，上、下限值不同。n空气中传播的声波，在空气中传播的声波，在1000Hz时，正常人耳的听阈声压时，正常人耳的听阈声压为为 ，痛阈声压是，痛阈声压是20Pa。n对应的听阈声强对应的听阈声强 ，痛，痛阈声强为阈声强为 。210-5Pa 10-12w/m21w/m2n对人的听觉来说，从听阈到痛阈所对人的听觉来说，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，因要实现一定精确的测量也很难，因此引进此引进“级级”的概念，用它来衡
20、量的概念，用它来衡量声音的相对强弱。级在声学中的单声音的相对强弱。级在声学中的单位为分贝，记作位为分贝，记作dBdB。声压级声压级0lg20ppLpaPpp500102基准声压，；有效声压，式中aPp10001000HzHz对应的听阈声压对应的听阈声压声压级声压级n例例2-12-1：当声压级增大：当声压级增大2020dBdB时，时，问声压是原来的多少倍？问声压是原来的多少倍？n答：是原来的答：是原来的1010倍。倍。一些噪声源或噪声环境的声压和声压级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噪声源或噪声环境声压（声压（PaPa）声压级（声压级（dBAdBA）导弹发射场导弹发射场2000
21、2000160160锅炉排空放气，离喷口锅炉排空放气，离喷口1 1m m200200140140汽车喇叭，距离汽车喇叭，距离1 1m m2020120120织布机车间，织机间走道织布机车间，织机间走道3.173.17104104大型卡车，车厢内大型卡车，车厢内0.630.639090大声讲话，距离大声讲话，距离1 1m m0.20.28080轻声耳语，距离轻声耳语，距离0.30.3m m0.000630.000633030声强级声强级0lg10IILI21200/10mwII基准声强，；声强，式中2/mwI10001000HzHz对应的听阈声强对应的听阈声强声功率级声功率级0lg10WWLWw
22、WW120010基准声功率，；声功率，式中wW10001000HzHz对应的听阈声功率对应的听阈声功率声强级与声压级的关系声强级与声压级的关系bLcIpppcIpIILpI00202020020lg10lg10lg10声强级与声压级的关系声强级与声压级的关系nb b值与声特性阻抗值与声特性阻抗 有有关，因此其值与气温、气关，因此其值与气温、气压有关。压有关。c02020时不同海拔高度的修正值时不同海拔高度的修正值b b海拔高度海拔高度(m)(m)10010050050010001000 15001500 20002000 25002500 30003000大气压强大气压强(kPa)(kPa)
23、10010095.495.4 89.889.8 84.584.5 79.579.5 74.774.7 70.170.1修正值修正值b(dB)b(dB)0 00.20.20.50.50.70.71.01.01.21.21.51.5声功率级与声强级的关系声功率级与声强级的关系在自由声场中，均匀辐射的声源在自由声场中，均匀辐射的声源W=IS。因此有：因此有： LW=10lg(W/W0) =10lg(IS/I0S0) =10lg(I/I0)+10lg(S/S0) =LI+10lgSn点声源、自由声场、球面波11lg2011lg20)4lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIWn点声源、半自由声场、半球面波8lg208lg20)2lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIW