声学知识普及ppt课件.ppt

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1、声学知识普及声学知识普及车辆试验部2022年7月31日声音声音 :来源于物体的振动。来源于物体的振动。声音是一种物理现象，是描述由于媒体质点振动运动引起的质点密度随时间变化的情况声音传播声音传播周期T是一次声振动所经历的时间。单位是s 波长：波长：声波传播过程中两个相继的同相位点之间的空间距离 用符号表示，单位是m频率：频率：每秒声振动的次数，记作f，单位是赫兹(Hz) 不同声源的频率范围不同声源的频率范围 声学基本术语声学基本术语 1、声的基本特性参数、声的基本特性参数1.1频率和周期频率和周期 每秒声振动的次数称为声的频率，记作f，单位是赫兹(Hz)。人耳能听到的声，其频率范围是20200

2、00Hz。低于20Hz的称为次声，高于20000Hz的称为超声。人耳对于3000Hz左右的声感觉最灵敏；对低于63Hz和高于16000Hz的声，即使勉强听得见，反应也很不灵敏。所以，在噪声控制领城内，主要对6316000Hz的声有兴趣。 周期T是一次声振动所经历的时间。它是频率的倒数，单位是s。 T=1/f1.2波长和声速波长和声速 声波传播过程中两个相继的同相位点之间的空间距离叫波长，用符号表示，单位是m。 声速是扰动在介质中传播的速度，记作c，单位是m/s。空气中的声速和风速是两个不同的概念。风速是空气分子往某个方向迁移的速度，而声速是空气分子在某个方向上的往复振动的传播速度。 15时空气

3、中的声速为340m/s。频率f、波长、声速c之间有如下关系式： fc1.3质点振动速度质点振动速度 介质分子在声传播过程中往复运动的速度叫质点振动速度，记作v。质点振动速度 有别于声速。在声传播过程中，质点在平衡位置附近振动。这种振动被传播出去，而质点振动的平衡位置却保持原地不动。1.4声压及其瞬时值、平均值和有效值声压及其瞬时值、平均值和有效值 考虑声在理想气体介质中传播的情况。设没有声波传播时介质处于平衡状态，压力为p0。声在气体介质中以疏密波疏密波的形式进行传播。因此声场中每一点的压力都在平衡压力p0上叠加一个瞬息变化的微小压力，叫做声压，单位是帕(Pa)。声压瞬时值记作p(t)。测量声

4、压的传感器是传声器。有了声压，人耳才能听到声音。 假定讨论的是纯音，就是由单一频率组成的声音，则其声压瞬时值可用余弦函数表述：式中，pm为幅值，即最大值，为圆频率，=2f。声压平均值为 对纯音来说，其平均值为零。幸好人耳听到的声音强弱不是由平均值的大小决定的，否则将听不到任何纯音。声音的强弱是由声压的有效值决定的。TavdttpTp0)(1)cos()(tptpm有效值就是均方根值，记作prms，时常简单地写成p，对周期函数有：对纯音来说，有效值 通常我们说到声压，如果不加说明，那么就是指声压的有效值。1.5声强声强 单位时间内在某一点通过与某一方向垂直的单位面积的声能量的平均值叫声强，用符号

5、I表示，单位是Wm2。 显然，谈论声强而不提所论方向，是毫无意义的。迄今还没有能够直接测量声强的传感器。只能用两个声压传感器通过信号分析及处理来间接测量声强。1.6声功率声功率 声功率是声源以空气声的形式辐射的功率，记作W，单位是W(瓦)。 声功率不能直接测量，而只能根据声压和测量面等间接测量。 声压是就声场中某一点而论的，声强是就声场中某一点和某一方向而论的。声压是就声场中某一点而论的，声强是就声场中某一点和某一方向而论的。而声功率是就某一声源而论的。而声功率是就某一声源而论的。TrmsdttpTp02)(12mrmspp声压及声功率声压及声功率 温度温度 t C功率功率 P W电加热器电加

6、热器类比类比声压声压 p N/m2 = Pa声源声源Lp dB声功率声功率 P W每小时3次开始于每小时的第10分 . 06:1006:3006:5007:1007:3007:5008:10.火车时刻表火车时刻表112234567891011频谱分析概念频谱分析概念时间时间(何时?)频率频率(频度?)为什么进行频谱分析？为什么进行频谱分析？ 幅值时间频率ABCDE幅值声学振动的数字化描述DE振动ABC声音自然界时域中，各种影响混叠在一起。而频域中，通常却明显分离信号类型信号类型时间频率正弦时间频率方波时间频率瞬态时间频率理想脉冲时域上无限长时域上无限长频域上带宽有限频域上带宽有限时域上有限长时

7、域上有限长频域上带宽无限频域上带宽无限信号类型信号类型确定性随机连续瞬态非稳态信号稳态信号时间时间频率频率频率频率时间时间时间时间由于许多声学性质，如吸声、隔声、绕射、衰减、阻尼等等都与频率大小有关，我们研究声学不能只研究声压、声强、声功率等等而忽略声的频率结构。所以噪声控制工程中分析声的频率是一件十分重要的工作。常用的方法有两种，一种是根据声压的时间历程记录进行快速Fourier变换(FFT)，另一种是将整个频率范围划分成许多首尾相连的频带(频程)，对应于每一个频带设置一个带通滤波器，以便测定每个频带的声压值。频谱分析因其带宽的划分方法不同而分成： 倍频程(或记作11倍频程)分析； 13倍频

8、程分析；2.1倍频程分析倍频程分析 倍频程频带是这样划分的，每个频带的上限截止频率为其下限截止频率的两倍。而中心频率为上、下限截止频率乘积的平方根。所以，若设 f1=下限截止频率； f2=上限截止频率； f0=中心频率； bw=带宽，即上、下限截止频率之差。则由上面公式可得 下一个倍频带的下限截止频率就是上一个倍频带的上限截止频率。因此，两个相邻的倍频程频带的上、下限截止频率、中心频率和带宽之间均相差一倍。 在可闻的频率范围内，各个倍频程倍频带的中心频率为31.5，63，125，250，500，1k，2k，4k，8k和和16k(Hz)。这是国际标准化组织ISO的规定。2.2 13倍频程分析倍频

9、程分析将一个倍频程频带再分成三个频带，每个频带的上限截止频率f2为其下限截止频率f1的21/3倍，即这样的频带称为13倍频程频带。相应地有2/2221011221012ffffffbfffffw13122 ff 0616113112612161210)22() 12(2/2ffffbfffffw一般地，一个m倍颠程的上、下限截止颠率、中心频率和带宽之间有如下关系3、声级与分贝、声级与分贝 描述风力大小用112级。每一级对应于一定的风速范围。天气预报一般只说风力多少级，而不说风速多少。这样做似乎不很精确，但一听便知道风力多大，清楚明了。反之，如果天气预报不讲风力的级别而报风速多少，便可能因为风速

10、的数值范围太大，反倒觉得不能跟日常生活经验联系了。声学中的情况类似。从刚刚听得出的声强到人耳可能接触到的最大声强，数值相差10000亿倍，即1012倍以上。在这样广阔的数值范围内描述其大小极不方便。所以声学中也用声级来描述声的强弱。声级包括声强级、声压级和声功率级等。这是一种无量纲的对数值，对数能压缩数值范围。3.1 声强级和声压级声强级和声压级 声强级的定义为 0221221202)22() 12(2/22ffbfffffmmmwmmmreIIILlg10式中，I为所论声强(W/m2)，Ire为参考声强，为10-12(W/m2)。 有的文献用SIL表示声强级，但我国国家标准规定用LI表示。

11、这一定义自电讯工程移植而来。电讯工程中为了描述一个电学量的大小，往往将其数值与人为地规定的参考数值之比取以10为底的对数，单位为贝(Bel)，以纪念电话发明人贝尔(Bell)。通常因为贝这个单位太大，故取其110作单位，叫分贝，简写为dB。既然单位缩小到原先的1/10，数值便要相应地乘以10，故得前文所示的定义式。声压级定义声压可以用传声器作为传感器直接测定，声强却不能利用某种传感器直接地测定，而只能利用声压传感器间接地测定。所以，虽然声压与声强之间有着如前面公式所描述的确定的关系，早期却只能用声压来描述人耳能听到的最弱声音的强度。大量统计数据表明，听觉正常的青年人能听得出的最低声压在2010

12、-6Pa即20Pa左右。因此将这一声压定为参考声压。即3.2 声功率级声功率级声功率级定义与声强的定义有类似的形式：式中，W为所论声功率，Wre为参考声功率，Wre=10-12W)/lg(20)/lg(1022rermsrermspppppLreWWWLlg10)(100 . 25Papre某些典型声源的声功率和声功率级声源声功率（W）声功率级（dB）轻声耳语小钟滴答谈话声叫喊声钢琴唱机（大声）织布机卡车喇叭气锤管乐器（峰值）大型鼓风机大型喷气机宇宙火箭10-92*10-810-510-32*10-310-210-110-11101021044*107304370909310011011012

13、0130140160196分贝分贝 声压级的范围声压级的范围 转换的简单规则转换的简单规则 向向dB转换的图表说明转换的图表说明 分贝（分贝（dBs）的理解）的理解 声级变化（dB）感知的响度变化3可以察觉5显著差异102倍（1/2倍）响15大幅变化204倍（1/4倍）响3.3 声压级的加法声压级的加法 噪声控制工程中经常会遇到这类问题： 已知各声源单独开动时传到某点的声压，求各声源同时开动时该点的声压。 或已知同一声源传到某点的各频带的声压，求总声压。 显然，由于分贝是对数值，所以声压叠加时不能简单地通过分贝值的算术相加来求取声压叠加的结果。 因为声压的均方值与能量成正比，所以按下式相加的方

14、法称为以能量为基础的加法 3.4 声压级的减法声压级的减法 下面的问题涉及声压级的减法： 已知两台机器同时开动和只开一台机器时某点的声压，求另一台机器单独开动时该点的声压。 或测量某台机器的声压级时要剔除背景噪声的影响。 或已知某台完整的机器开动时和拆除某一部件后机器开动时某点的声压，求被拆除的部件单独发出的噪声传到该点的声压。 声压级的减法也要以能量为基础进行。10/10/10/21101010pppLLL10/10/221010lg10ppLLpL两个声源两个声源 1.1 dB + 1 dB = 4 dB2.2 dB + 2 dB = 5 dB3.3 dB + 3 dB = 6 dB4.8

15、0 dB + 80 dB = 83 dB5.80 dB x 2 = 83 dB6.80 dB - 77 dB = 77 dB7.80 dB - 70 dB =79.5 dB8.90 dB x 10 = 100 dB9.80 dB + (-80 dB) = 80 dB3.5 声压级加、减法图解声压级加、减法图解1.声压级加法图解已知Lp1和Lp2，求两者叠加后得到的Lp。设Lp1Lp2。公式 两边同除以 ，得此式给出了(Lp-Lp1)与(Lp1-Lp2)之间的隐函数。这一隐函数示于下图，横坐标为(Lp1-Lp2) ，纵坐标为(Lp-Lp1) 。从图上查出Lp=Lp-Lp1,便可得出Lp=Lp1+

16、 Lp10/10/10/21101010pppLLL10/110pL10/ )(10/ )(21110110ppppLLLL2.声压级的减法图解已知两声压级之和Lp和其中之一Lp1，求另一声压级Lp2。公式 两边同除以 ，得此式给出了(Lp-Lp1)与(Lp-Lp2)之间的隐函数。这一隐函数示于下图，横坐标为(Lp-Lp1) ，纵坐标为(Lp-Lp2) 。从图上查出Lp=Lp-Lp2 ，便可得出Lp2=Lp- Lp10/10/10/21101010pppLLL10/110pL10/ )(10/ )(2110101ppppLLLL3.6 声压级的平均值声压级的平均值 在确定声原指向特性时要计算声

17、压级的平均值；在测定内燃机声功率时也要计算声压级的平均值。 计算平均值首先要求和。声压级的平均以能量为基础。中的 代表着能量之和，将它除以n就是对能量进行平均，所以声压级的平均值按下式计算式中 是各声压级之和。以上是求声压级平均值的精确计算法。 niLLLLppipppL110/10/10/10/10lg10101010lg10321niLpi110/10nLnnLpniLniLppipilg1010lg101lg10)101lg(10110/110/pL4、计权声级、计权声级4.1几种计权声级几种计权声级等响曲线 上图的等响曲线反映了频率对人耳响度感觉的影响。可以看出人耳对30004000

18、Hz的声音特别敏感，而对低频声，特别是对100Hz以下的可听声却不敏感。这就是说，声压级相同但频率不同的纯音听起来并不是等响的。在评价组成某噪声的倍频带声压级总的后果时，若测试仪器仅简单地将它们按能量法则相加，则反映不出这种由频率影响引起的感觉上的差别。因此，人们试图使测试仪器(声级计)模仿人耳的特点，也能对声压级相同但频率不同的噪声产生不同的“感觉”。一种较为简单的方法是，对各频带声压级按其中心频率进行修正，然后按能量法则相加。修正可在仪器内自动进行。方法是将声信号经网络滤波，使有些频率成份衰减掉一些，而使另一些频率成份增强一些。修正后的各频带声压级与等响的1000Hz纯音的声压级接近。这种

19、方法叫做加权或计权。然后按能量法则相加，便得计权声级。目前国际上最常用的计权方法有三种，反映在声级计上就是A，B，C三档，分别模拟人耳对40方、70方和100方纯音的响应特性设置计权网络，测量时声信号经网络滤波后按频率获得不同程度的衰减或增益。三种计权网络的频率响应曲线如下图所示。可以看出，对于A档在低频范围衰减相当大，在12505000Hz反而略有提高。对于C档，在可听声范围内基本上是平坦的。对于B档则介于两者之间。在有些声级计中还设置D档计权网络，对高频声作了较大补偿，主要用于评价航空噪声。声级计上不经计权网络滤波的则称为线性档。 40dB的等响曲线和的等响曲线和A计权计权 l40dB的等

20、响曲线（ 1000Hz归一化到0dB）l40dB等响曲线的倒数和A-计权曲线的对比频率计权曲线频率计权曲线 经过A，B，C三档计权网络滤波后测得的各频带声压级按能量法则相加所得之总声压级叫做A，B，C计权声级，简称A，B，C声级，分别记为LA，LB，LC，单位都是dB，不过分别加上A，B，C成为dB(A)，dB(B)，dB(C)，线性档记为LT。 实际测量时，用声级计按照A，B，C及线性档测量相应的声级，可以大致得出噪声频谱特性而不需要外接滤波器。例如，当LA与LC， LT差不多时，即可确定所测的噪声以中高频成份为主，噪声频谱的主要成份在600Hz以上。特别是当LA略高于LC甚至LT时，可确定

21、噪声主要成份在16004000Hz范围内。又如当LA显著低于LC和LT时：即可确定所测噪声以低频成份为主，噪声频谱主要成分在500Hz以下。这时如果Lc与LT相差不多，可确定噪声主要成分在可听声的低频范围；如果Lc显著低于LT ，就可确定噪声主要成分在次声范围。 目前在噪声控制中，广泛采用A声级作为噪声评价的主要指标。由于A声级容易直接测定，并且A计权网络的衰减特性是完全确定的，用A声级评价易于对不同的测量结果进行比较，因此把A声级作为噪声评价的指标是很适宜的。4.2 A计权声级的计算计权声级的计算 噪声控制工程中，经常需要把倍频程或1/3倍频程声压级换算成A计权声级和总声级。例如对某一声源采

22、用噪声控制技术时，根据各频带的降噪隔噪效果估计值可预测可望达到的各频带声压级，再换算成A声级。又如测定各频带声压级时，可将测得的数据换算成A声级，并与仪器直接测得的A声级对比，作为一种校验。 由各频带声压级换算成A声级时，可从各频带声压级Lpi加上该颇带中心频率所对应的A计权修正值i然后以能量为基础相加得LA。式中， Lpi为第i个频带的声压级， i为第i个频带所对应的A计权网络修正值，简称A修正，以dB为单位。 A修正可由计权网络频率特性图或下表查得。值得注意的是：在评价减噪措施的实际效果时单凭A声级的减少量是不够的，必须同时给出噪声频率的变化。 通常所说的噪声级，如果不加特别说明指的就是A

23、声级。其单位为dB，不一定记为dB(A)。)101lg(10110/ )(niiLApinL例 试由下列倍频程声压级Li计算总的A声级LA。dBAnLniiLAi90)10101010101010101010lg(10)101lg(1034. 859. 81 . 832. 85 . 768. 524. 549. 598. 346. 3110/ )(不同频带的A修正频谱图和总级值频谱图和总级值 听觉声场听觉声场 语音频率范围：200Hz-6000Hz 清晰语音频率范围：500Hz-4000Hz关于汽车噪声的基本概念l按危害区域分 车内噪声：匀速行驶噪声、怠速噪声、滑行噪声等。 车外噪声：加速行驶

24、噪声、匀速噪声、制动噪声等。l按声源性质分 燃烧噪声：发动机缸内燃烧过程直接产生的噪声。 空气动力性噪声：气体流动过程产生的噪声，包括进气噪声、排气噪声、风扇噪声和空气流过汽车结构表面或孔道时产生的噪声等。 机构噪声：汽车中机构运动的不平稳、摩擦、惯性冲击和不平衡等引起的噪声。 结构噪声：汽车中的各种结构受激励产生振动而辐射的噪声，如罩、壳类零件、车身壁板等的噪声。发动机、传动系发动机、传动系等运动机构等运动机构直接辐射汽车车外噪声汽车车外噪声进气、排气、冷却风扇等进气、排气、冷却风扇等空气动力性噪声空气动力性噪声关于汽车噪声的基本概念汽车车内噪声汽车车内噪声汽车轮胎、悬架汽车轮胎、悬架汽车车

25、架、车身结构汽车车架、车身结构孔缝泄漏噪声 激励混响路面激励风激励汽车噪声源识别技术l噪声源的分离技术（分别运行法、基于系统模型的分离法） 整车加速噪声分离的道路试验方法 整车、主要总成噪声分离的台架试验方法l表面声源识别技术 铅覆盖法、声强法等近场测量方式l信号特征分析和声源辨别l声振相关分析l功率流分析技术l统计能量分析技术汽车噪声的控制方法l汽车噪声控制的原则 不影响对象的主要功能和性能。 有限降噪目标，最低成本实现。l汽车噪声控制的基本途径 振源的控制、声源的控制：直接改进对象的工作原理或工作过程。 系统动态特性的改进：降低系统对振动的响应，降低系统辐射噪声的效率。 采用吸声、消声、隔

26、声、隔振等措施，在声传播途径中设法控制。噪声控制的基本措施：噪声控制的基本措施：l吸声，就是采用吸声材料和吸声结构来吸收噪声的声能，降低声能的发射量，达到降噪的目的。在汽车降噪中很多地方都采用了吸声处理，如发动机舱，驾驶室设计等。l隔声，就是用某种隔声装置将噪声源与周围环境隔离，使其辐射的噪声不能直接传播到周围区域，从而达到控制噪声污染的目的，汽车上经常使用的隔声装置有隔声罩等。l减振与隔振，机械设备主要是通过振动来产生和传播噪声，因此通过减振和隔振可以达到降噪的目的。例如发动机悬置就是一个隔振装置，它通过减少发动机振动向车架和车身的传播来减少车身的表面辐射噪声。汽车的一些薄板结构上一般都要通过贴涂阻尼材料来抑制薄板的振动，减少噪声辐射。