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1、第三章 声波的基本概念和性质声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质主要内容 声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的基本概念u 敲打音叉之后，音叉产生振动，振动中的音叉会来回推撞周围的空气，使得空气的压力时高时低，而使得空气分子产生密部和疏部的变化。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质音叉振动时，周围的空气分子受到扰动，形成疏密波。向外振动的音叉，使相邻的空气形成密部接着音叉向内到平衡位置，密部继续往外传送然后音叉向内缩，密部继续往外
2、传送，但音叉外侧形成疏部声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的基本概念 瞬时声压 instantaneous sound pressure 某点的瞬时声压等于在该点的瞬时总压力减去静压力.在一定时间间隔中最大的瞬时声压称为峰值声压。有效声压 effective sound pressure 声音的强弱只与瞬时声压的某种时间平均值有关，这种声压的平均值称为有效声压 对简谐波有 从能量上考虑声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声压 声压和大气压相比是很小的，例如20Pa的声压差不多是人耳听觉的最高极限。声压再高将使人耳疼痛难受，这一极限称为痛阈。如果声压很低人耳便听不见了
3、。具有正常听力的人耳所能听到的最低声压为2*10-5Pa，这个最低极限称为可听阈。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声压 声波波动方程 声场的特征可以通过媒质中的声压p，质点速度v，密度的变化量来表征。根据声波过程的物理性质，建立声压随空间位置的变化和随时间的变化两者之间的联系 声波波动方程声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 运动方程声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波波动方程 连续性方程（媒质中单位时间内流入体积元的质量与流出该体积元的质量之差应等于该体积元内质量的增加或减少）声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波波动方程理想流体媒质中
4、的三个基本方程运动方程（p 与v的关系）连续性方程（与v的关系）物态方程（p 与 的关系）绝热体积压缩系数 绝热体积弹性系数 假设条件：媒质为理想流体；没有声扰动时媒质的初速度为零，且是均匀的；声波传播是绝热过程；传播的是小振幅声波声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波波动方程均匀的理想流体媒质中小振幅声波的波动方程（线性声波方程）：三维波动方程：声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波波动方程 声功率与声强 声功率 sound power 是表示声源单位时间内向外发射的声能 用W表示，单位为瓦声源名称 声功率/W 声源名称 声功率/W强力火箭 对话汽车 0.1 小电
5、钟钢琴 0.02 轻声耳 语 一些典型声源的声功率 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 对于平面波，在无反射的自由声场中,由于声波在传播过程中，波阵面的大小相同，因此，声强与离声源的距离无关。即平面波的声强保持不变。对于球面波，波阵面随传播距离的增加而扩大，在离声源距离r处，其波阵面为以r为半径的球面，面积，则该处的声强为 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声功率与声强 声压级与声强级 人们主观听觉机构对声压大小的感受不是与声压或声强成线性关系，而是与其对数成近似线性关系。因此通常选用对数量来表示声学量“级”一物理量与某一参考量的比值的对数为“级”它表示的不是绝对值而
6、是比值，即它代表比基准量高出了多少“级”声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 人耳的分辨能力不但与声压、声强和声功率的绝对值有关，而且还与它们的相对值有关。声压级：声压p与基准声压p0之比，取以10为底的对数乘以20即为声压级声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声压级与声强级 频带声压级某一频带上的声压级声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声压级与声强级 声功率级 声功率W与基准声功率W0之比，取以10为底的对数乘以10即为声功率级。声强级：声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声压级与声强级声音的传播速度及有关现象 声波的传播速度指的是声振动状态的
7、传播速度，其大小取决于传声媒质在声扰动作用下的可压缩性（或弹性）。若媒质的可压缩性大，则声波在这种媒质中的传播速度就小，即传播得慢；反之，若媒质可压缩性小，则声波在此媒质中传播得就快。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 空气中，声音的传播速度 c331.6+0.6 t（m/s）在流动媒质中，声速则为静止状态下的声速加上媒质的流动速度 声音在实际气象条件下受声速变化而引起的传播现象可由声线的变化方式来分析。声能从声源沿波阵面的法向传播，其传播的路径就称为声线，它与波阵面相垂直。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声音的传播速度及有关现象 声波从声速大的媒质传播到声速小的媒质
8、时，声波传播的方向会发生变化，与入射声波的传播方向相比，折射声波的传播方向将靠近法线方向。声波从声速小的媒质传播到声速大的媒质时，折射声波的传播方向将偏离法线方向。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声音的传播速度及有关现象声速与风速风速梯度引起的声波折射 当声波顺风传播时，相对于地面的声速应加上风速。一般来说，由于地面对空气运动的摩擦阻尼，风速随离地面高度的增加而增大，使靠近地面的风有一个梯度。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 顺风时，声速也随高度的增加而增大，声线向下弯曲；逆风时，声波朝逆风方向传播时，相对于地面的声速应减去风速，声速随高度的增加而减小，声线向上弯曲
9、，就可能出现“声影区域”。声影区指因折射而传播 不到直达声的区域声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质夜间声传播 晴天的傍晚，地面由于热辐射和热传导而迅速冷却，靠近地面的空气温度下降，而离地面较高处的空气仍保持较高的温度。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声速与温度白天声传播 晴天的中午，大气温度随高度的增加而降低因此，在晴天时，地面上声源所发的声音在傍晚比白天传播得更远声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声速与温度 声速与风速、温度当温度和风速的作用同时存在时，声影区的形成稍复杂一些，这两个因素的作用有可能相互加强，也可能相互抵消气象条件的复杂性表现在风力、
10、风向经常是不稳定的，由此引起声波在大气中传播时声级的随机起伏。在比较稳定的大气中，如静夜、弱风条件下，典型的起伏范围是5dB。在不稳定的大气中，如晴天、强风，典型起伏范围为1520dB。向下风传播时，起伏大小随信号频率和距离增大而增加。向上风传播时，在靠近声影区边界处起伏最大。这些不稳定的因素，在现场测量时必须引起注意。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声道现象声线总是向声速减小的方向发生弯曲，所以在高度H0以下的声线向上弯曲，而在高度H0以上的声线向下弯曲，因而声音传播出来的能量被限制在一定区域内传播，就出现了声道现象。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质主要内容 声
11、波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质反射波声压与入射波声压之比 反射波质点速度与入射波质点速度之比 透射波声压与入射波声压之比透射波质点速度与入射波质点速度之比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的反射与折射定理 反射定律：入射角等于反射角，即 折射定律：入射角的正弦和折射角的正弦的比值等于两媒介中声速的比值声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的反射与折射定理 声强反射系数：反射波声强和入射波声强之比叫做声强反射系数 声强透射系
12、数：折射声强与入射声强之比叫做声强透射系声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的反射与折射定理.全反射 当反射波幅值等于入射波幅值，即入射声波的能量全 部反射回来，只是相对于入射波而言产生了一个相位跃变。全反射临界角 全透射（1）（2）声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质声波的反射与折射定理主要内容 声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波的绕射和其它波动现象 声波在传播路径上遇到障碍物时，有时会有部分声波绕过障碍物继续前进，这种
13、现象为衍射或绕射。衍射是波动过程的基本现象之一，其产生的条件是必须保证物体的尺寸L小于或接近于波动的波长，即L时衍射现象才比较显著。可听声的波长为2cm20m，与障碍物的尺寸可比拟，因而声波的衍射现象较为显著。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 惠更斯原理（Huygens Principle）波所到达的每一点，都可以看作新的波源，从这些新的波源发出次波来，新的波前就是这些次波的包迹。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波的衍射（a）宽缝（b）窄缝 平面波的波前接近一个宽度大于波长的缝时，可以把缝上的各点看作新的波源，从此发出球面形的次波，画出这些次波的包迹线声学基础声
14、学基础 第三章 声波的基本概念和性质 在缝中间前方的波前还是平面，而在缝边处的波前已不是平面，缝两边的波前发生了弯曲，声线即波的传播的方向改变了方向，说明波的传播方向改变了。一部分波，也就是一部分能量没有继续向前传播而向旁边传播，这就是衍射现象。缝宽越大，则波的越多的部分继续向前传播而不改变方向，即衍射的部分越小，衍射现象越不显著；反之，缝宽越小，衍射现象越显著当波长比缝宽度大的时候，则缝处可以看成是一个点波源，于是衍射现象就很显著。因此，对于同样大小的狭缝或障碍物，波长越长，衍射现象就越显著。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声波的衍射 主要内容 声波的基本概念 声音的传播速度
15、及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质运动声源的多普勒效应 当波源与波的接收者之间以一定速度作相对运动时，接收者所接收到的频率（或波长）就会改变，这就是多普勒效应 多普勒效应适合于任何有相对运动的声源和观察者，由声源和观测者的相对运动所引起的频率的变化量叫做多普勒频移。当声源与接收者之间做相对运动即相互靠近时，接收者接收到的频率就会升高 当声源与接收者之间作反向运动即相互远离时，接收者接收到的频率就会变低声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质Doppler Effect 当声源
16、向接收者靠近时，两个波阵面之间的距离即波长变小了，于是频率升高了当声源远离接受者时，波长变大，频率降低。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质运动声源的多普勒效应（1）声源和媒质一起向接收者以速度v运动（如果是离开，v取负值），或声源和媒质不动，而接收者向声源以速度v运动。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质（2）声源向接收者以速度v运动，而接收者和媒质保持不动，或者声源不动，媒质和接收者以速度v向声源运动。运动声源的多普勒效应（3）当声源和接收者的相对运动不在二者的连线上，而与连线成角时。若接收者运动，有若声源运动，则有 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质运动声
17、源的多普勒效应（4）当声源和接收者两者都相对介质运动，且彼此靠拢时 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质运动声源的多普勒效应 主要内容 声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声级 当存在不止一个声源时，在声场中某一点的声压应是这许多声源产生的声压的迭加。由于声压级是声压值相对于基准声压的对数，因此，要求几个声压产生的总声压级，不能直接将各声压的声压级相加。几个相同频率的单频声源？若有几个相同频率的单频声源，这时会产生干涉现象，因此不能单从各声压
18、级的相加来算出总声压级，还需知道各声波到达的相位。两个同频率的声波，当声压级相同时，若到达某点的相位相同，则相加后该点的声压值为各单个声波的二倍，即声压级比单个声压级高6dB，若两者的相位正好反相，则该点的总声压为零，即声压级降为负无穷声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 几个不相关的声源？在接收点各声源符合能量相加原理，即总能量是各声源在接收点产生的能量之和根据声压级的定义，可求得N个不相关的声源的总声压级为 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声级 问：三个不相关的声源在某位置处的声压级分别为70dB，70dB，75dB，求三个声源共同作用时的总声压级。声学基础声学基
19、础 第三章 声波的基本概念和性质 声级对于平面波、球面波以及柱面波这三种典型的声波，其声压级随距离的变化有以下规律：（1）平面波：声压级与距离无关，pA；（2）球面波：距离增加一倍，声压级降低6dB，p（3）柱面波：距离增加一倍，声压级降低3dB，p 声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 声级主要内容 声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质电-力-声类比 我们把物理本质完全不同的系统用形式完全相同的数学方程来描述的方法叫做类比 许多物理本质完全不
20、同的系统都可以用形式完全相同的微分方程式来描述。这种微分方程式形式相同的系统称为相似系统。在微分方程中占据相同位置的物理量叫做相似量。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 机电类比（a）力学振动系统（b）串联电回路（c）阻抗型力学类比线路图应用电路理论来解决机械振动系统的问题声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质机械系统的运动方程式：电系统的运动方程：（1）（2）声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 机电类比表1 机电参量类比（阻抗型）声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 机电类比（a）并联电路（b）力学振动系统等效线路图2 机电类比（导纳型）声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 机电类比表2 机械量与并联电路系统的类比(导纳型类比)R声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 机电类比 电声类比在声学中如果声学元件的线度比声波波长小的多时，声学元件中各部分的运动可以看作是均匀的，因而可以看作是集中参数系统，这样就很容易与电、力情况相类比，从而画出类比的声学线路图。声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质图 赫姆霍兹共鸣器示意图质量：力阻：u 最基本的声振动系统赫姆霍兹共鸣器工作原理空气弹簧 弹性系数 力顺声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 电声类比声学基础声学基础 第三章 声波的基本概念和性质 电声类比