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1、第二章 声波的基本性质第一节第一节 声场与声波声场与声波第二节第二节 声场中的能量声场中的能量第三节第三节 声波的传播声波的传播第一节第一节 声场与声波声场与声波一、一、声波声波二、二、声波的有关参量声波的有关参量三、三、平面波的基本特性平面波的基本特性四、四、声阻抗率与媒介特性阻抗声阻抗率与媒介特性阻抗五、五、声传播的声压与振速声传播的声压与振速一、声一、声 波波1.1.什么是声波什么是声波2.2.声波的特征声波的特征 5.5.声波与声音声波与声音 1 1.什么是声波什么是声波定义：机械振动或气流扰动引起周围定义：机械振动或气流扰动引起周围 弹性介质发生波动的物理现象弹性介质发生波动的物理现
2、象.关键词关键词 声源声源:引起声波的物质引起声波的物质 声场声场:声波存在的空间声波存在的空间2 2.声波的特征声波的特征 a.a.弹性媒质的存在是声波传播的必要条件弹性媒质的存在是声波传播的必要条件b.b.空气中声波是纵波（疏密波）质点振动方空气中声波是纵波（疏密波）质点振动方向与声波方向平行向与声波方向平行c.c.声波的性质与声源有关，与传播媒质有关声波的性质与声源有关，与传播媒质有关3 3.声波与声音声波与声音 声波：是一种物理现象声波：是一种物理现象.其频率范围是其频率范围是:0 20Hz 20KHz 100KHz 次声 可闻声 超声声音：声音：是声波的存在所引起人耳的主观感受。因此
3、它与声源的特点有关、与人耳的听觉特性有关。二、声波二、声波的有关参量的有关参量1.声声 压压2.媒质的密度媒质的密度3.媒质质点振动的速度媒质质点振动的速度4.波速（声速）波速（声速）静态密度0（20 C时、无声波扰动时）2.媒质的密度媒质压强的变化值叫声压:单位为帕（Pa=牛/米 2=10微巴）习惯上用声压的有效值来表示：几种声压 1kHz时人耳可闻10-5Pa的声压 房间1米大声说话：0.05-0.1Pa 微风吹树叶：210-4Pa 飞机发动机5米处：102Pa1.声 压3.媒质质点振动的速度振速 ：质点位移的速度，一般用 表示，它与多种因素有关。例：当：振速为：一般情况下质点振动的振幅较
4、小（即使很强的声波）一般情况下质点振动的振幅较小（即使很强的声波）当振幅为当振幅为0.2cm时人耳会感到疼痛时人耳会感到疼痛 4.大气中的声波的波速 声速与媒质的性质状态有关，与声源无关 水：铜：铁：-定压比热定压比热-定容比热定容比热三、平面波三、平面波的基本特性的基本特性.平面波平面波.声波的频率和波长声波的频率和波长.声波的波速声波的波速1 1.平面波平面波 平面平面波特指弹性媒质中一无限大平板在其法线波特指弹性媒质中一无限大平板在其法线方向上的简谐振动所产生的声波。可用下式表示：方向上的简谐振动所产生的声波。可用下式表示：声压振幅声压振幅：角速度角速度波波 数：数：2 2.声波的频率和
5、波长声波的频率和波长频率：频率：周期：周期：波长：波长：3.声波的波速波速：式中：为波长 f:为振动频率四、声阻抗四、声阻抗率与媒介特性阻抗率与媒介特性阻抗.阻抗率：阻抗率：式中：声压振速.特性阻抗：特性阻抗：式中：空气介质密度波速.阻抗单位为rayl(惟利).平面波的特点平面波的特点4、平面波的特点（1）（常数）（常数）称为特性阻抗，声场中任一点称为特性阻抗，声场中任一点p和和v同相。同相。（2）p和和v均随时间和位置而简谐变化均随时间和位置而简谐变化（3）Pm和和Vm是不随时间和距离变化的常数。是不随时间和距离变化的常数。（4）任意时刻相位相同的点是一个平）任意时刻相位相同的点是一个平 面
6、，波阵面是平面面，波阵面是平面五、声传播的声压与振速平面声波的声压与振速：平面声波的声压与振速：当当 x 为定值为定值,p 和和v 均随时间做简谐变化。均随时间做简谐变化。当当 t 为定值，为定值，p和和v 均随位置做简谐变化。均随位置做简谐变化。第二节第二节 声场中的能量声场中的能量一、一、声能量与声能密度声能量与声能密度二、二、声强与声功率声强与声功率一.声能量与声能密度1.小体元的能量组成小体元的能量组成 2.声能密度声能密度3.平均声能密度平均声能密度1.1.小体元的能量组成小体元的能量组成小体元的能量:(小体元的体积V0)动能 势能 负号表示压强和体积变化方向相反.上式请查杜功焕P1
7、92.声能密度（声场中单位体积中声能的多少）（声场中单位体积中声能的多少）3 3.平均声能密度平均声能密度平均声能密度平均声能密度：单位：焦耳/立方米 J/m 3二、声强及声功率二、声强及声功率1.声强声强 (I)2.声功率：声功率：(W)3.几种常见声音的声功率几种常见声音的声功率1 1.声强声强 (I)(I)常用声常用声强强级级表示：表示：声声强强单单位位时时间间内内，通通过过垂垂直直于于传传播播向向上上的的单单位位面面积积上上的的声声能能量量(如如上上图图所所示示)。单单位位：焦焦耳耳/秒米秒米2=瓦瓦/米米2=w/m2对平面波而言：对平面波而言：（dB）分贝2 2.声功率声功率 (W)
8、(W)声功率声功率(W):单位单位时间内通过垂直于声波传播方向上面时间内通过垂直于声波传播方向上面积为积为S的平均声能量。单位为（焦耳的平均声能量。单位为（焦耳/秒）秒）平面波的声功率为：平面波的声功率为：单位：单位：J/S=W（瓦）瓦）平均声功率级：平均声功率级：基准基准声功率声功率W0=10-12W（瓦）（瓦）耳耳 语语：10-9 W 大声喊叫：大声喊叫：10-4W Lw=80 dB 波音波音707：104W Lw=160 dB火火 箭：箭：105W Lw=170 dB 一般一般谈话谈话：10-5 W 3.几种常见声音的声功率几种常见声音的声功率第三节第三节 声波的传播声波的传播一、一、声
9、波声波 的反射与透射的反射与透射二、二、声波的干涉声波的干涉三、三、声波的声波的绕射绕射一、声波一、声波 的反射与透射的反射与透射1.声波垂直入射时的反射与透射声波垂直入射时的反射与透射2.声波斜入射时的反射与透射声波斜入射时的反射与透射3.特征阻抗变化时对反射波与透射波的影响特征阻抗变化时对反射波与透射波的影响 1 1.声波垂直入射时的反射与透射声波垂直入射时的反射与透射由波动方程，及由波动方程，及X=0X=0边界条件有：边界条件有：Xptpi2 2.声波斜入射时的反射与透射声波斜入射时的反射与透射1）声波斜入射时的反射与透射声波斜入射时的反射与透射2）反射系数、透射系数、吸声系数反射系数、
10、透射系数、吸声系数平面声波斜入射时的反射与透射平面声波斜入射时的反射与透射入射角=反射角声波在分界面上反射、透射的多少决定于媒质的特性声波在分界面上反射、透射的多少决定于媒质的特性反射系数、透射系数、吸声系数反射系数、透射系数、吸声系数透射系数：透射系数：反射系数：反射系数：吸声系数：吸声系数：3 3.特征阻抗变化时对特征阻抗变化时对 反射波反射波与透射波的与透射波的影响影响 （用于声呐探头）射无反射，象界面不存在，全部透当 部分反射，部分透射或当无透射全反射,几乎空气如：水特软边界。当透射波是入射波的二倍全反射，水泥墙如：空气特硬边界。当C1Cd、C1CC1CC、CCb、CCa、122122
11、12211221122 rrrrrrrrrr=二二、声波的干涉声波的干涉干涉干涉两个频率相同（相近）的声波相加两个频率相同（相近）的声波相加 时的一种物理现象。时的一种物理现象。1、干干 涉涉 2、驻驻 波波 条件：频率条件：频率f f相同相同 有固定的相位差的声波有固定的相位差的声波:迭加时合成波为：迭加时合成波为：可见合成波仍是一个相同频率的声振动，但合可见合成波仍是一个相同频率的声振动，但合成声压的振幅与两列声波的位相差成声压的振幅与两列声波的位相差 有关，两有关，两列相干波在同一位置位相为一定值，不同位置位相列相干波在同一位置位相为一定值，不同位置位相差并不相同。差并不相同。如图示如图
12、示:驻波驻波 两两 频率相同，传播方向相反的平面波叠加频率相同，传播方向相反的平面波叠加 时的物理现象时的物理现象.驻波有以下特点特点：驻波有以下特点特点：(1)各位置的质点都在做同相振动各位置的质点都在做同相振动 (2)振幅的大小都随位置的不同而不同。有波腹振幅的大小都随位置的不同而不同。有波腹 （振幅最大处）波节（这些点始终不动）（振幅最大处）波节（这些点始终不动）(3)每一时刻驻波都有一定的波形，但波形不移动，每一时刻驻波都有一定的波形，但波形不移动，各点以确定的振幅在各自的平衡位置振动。各点以确定的振幅在各自的平衡位置振动。(4)驻波的波形和能量都不传播。所以可以说驻驻波的波形和能量都不传播。所以可以说驻 波并波并 不是一个波动，而是一种特殊形式的振不是一个波动，而是一种特殊形式的振 动。动。2.驻 波三、三、绕射绕射 （衍射）（衍射）波在传播过程中遇到障碍物时其传播方向要波在传播过程中遇到障碍物时其传播方向要发生改发生改 变，波能绕过障碍物的边缘继续前进即衍变，波能绕过障碍物的边缘继续前进即衍射现象。衍射的多少决定于障碍物的尺寸与波长的射现象。衍射的多少决定于障碍物的尺寸与波长的比例。比例。