Chapter2

聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

聲音的產(chǎn)生和傳播

聲波的描述

聲波的傳播特性

聲源的輻射特性Chapter2聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)聲音的產(chǎn)生和傳播1聲音的產(chǎn)生和傳播物體的振動(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。聲音的產(chǎn)生和傳播物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。2

聲音的產(chǎn)生和傳播

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。聲音的產(chǎn)生和傳播聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波3

聲波的描述

描述聲波的基本物理量

聲音的物理量度

聲波的類型聲波的描述描述聲波的基本物理量42.2.1描述聲波的基本物理量2.2.1描述聲波的基本物理量52.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相2.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位62.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相2.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位72.2.1描述聲波的基本物理量1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)每往復(fù)一次所需要的時(shí)間，單位為秒（s）。2.聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。頻率范圍(Hz)<2020-20000>20000聲音次<500500-2000>2000超低頻聲中頻聲高頻定義聲音頻聲聲2.2.1描述聲波的基本物理量1.周期：頻率范圍(Hz)<82.2.1描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長(zhǎng)，或者說聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。2.2.1描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：92.2.1描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會(huì)隨環(huán)境的溫度有一些變化。媒質(zhì)名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速3441372304836535182121933534267表21.1℃時(shí)聲速近似值（m/s）2.2.1描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的101.聲壓與聲壓級(jí)2.聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)3.聲功率與聲功率級(jí)4.聲能密度5.頻譜和頻程

聲波的物理量度1.聲壓與聲壓級(jí)聲波的物理量度112.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)2.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)121.聲壓和聲壓級(jí)

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。1.聲壓和聲壓級(jí)a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。13

1.聲壓和聲壓級(jí)：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)1.聲壓和聲壓級(jí)：聲音種類聲壓聲音種類聲壓正常人耳能聽到最14c.聲壓級(jí):該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘20，即：

1.聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝。

c.聲壓級(jí):1.聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝。152.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(jiǎn)稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米

。2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.聲強(qiáng):16b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。b.聲強(qiáng)級(jí):2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。17聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：183.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。3.聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:19b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積20c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。214.聲能密度定義：聲場(chǎng)中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。

對(duì)于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言：

4.聲能密度定義：225.頻程和頻譜：a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。5.頻程和頻譜：a.頻譜圖：23常見噪聲的頻譜圖常見噪聲的頻譜圖245.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。5.頻程和頻譜：b.頻程：25**級(jí)的運(yùn)算

a.級(jí)的疊加（公式法）當(dāng)n個(gè)聲源互不干涉時(shí)：當(dāng)n=2時(shí)，**級(jí)的運(yùn)算a.級(jí)的疊加（公式法）當(dāng)n=2時(shí)，26a.級(jí)的疊加（公式法）

由于：代入上式：a.級(jí)的疊加（公式法）由于：代入上式：27a.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：a.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：28a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：則：代入下式中：可得：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：令：則：代入下式中：可得：29a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：令：30a.級(jí)的疊加：△Lpa.級(jí)的疊加：△Lp31a.級(jí)的疊加：

求出總聲壓的有效值當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：先求出瞬時(shí)聲壓求出總聲壓級(jí)a.級(jí)的疊加：求出總聲壓的有效值當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：求32b.級(jí)的相減儀器測(cè)的噪聲聲源真實(shí)噪聲背景噪聲b.級(jí)的相減儀器測(cè)聲源真實(shí)噪聲背景噪聲33b.級(jí)的相減b.級(jí)的相減34b.級(jí)的相減：

b.級(jí)的相減：352.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：或2.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波或362.2.2聲波的類型波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。根據(jù)波振面的形狀可將聲波分為不同的類型。聲線：常稱為聲射線，就是子聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。2.2.2聲波的類型波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)372.2.2聲波的類型1.平面聲波：聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱其為平面聲波。波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面稱為波前。2.2.2聲波的類型1.平面聲波：381.平面聲波：1.平面聲波：391.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：1.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：401.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅1.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅411.平面聲波：c.聲阻抗率：對(duì)于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pa·s/m）1.平面聲波：c.聲阻抗率：對(duì)于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗421.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。1.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。432.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。a.波動(dòng)方程：對(duì)于從球心向外傳播的簡(jiǎn)諧球面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。2.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。對(duì)于從球心向外442.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。2.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。453.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。a.波動(dòng)方程：對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)諧柱面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。3.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)463.柱面聲波：

b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。3.柱面聲波：b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。47聲波的類型

聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳播方向的平面相互平行的直線平面聲源球面聲波以任何值為半徑的球面由聲源發(fā)出的半徑線點(diǎn)聲源柱面聲波同軸圓柱面線聲源發(fā)出的半徑線線聲源聲波的類型聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳48Chapter2

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聲音的產(chǎn)生和傳播

聲波的描述

聲波的傳播特性

聲源的輻射特性Chapter2聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)聲音的產(chǎn)生和傳播492.3聲波的傳播特性2.3.1聲場(chǎng)2.3.2聲波的反射、透射、折射

2.3.3聲波的散射與衍射

2.3.4聲波的疊加2.3.5聲波在傳播中的衰減2.3聲波的傳播特性2.3.1聲場(chǎng)50

聲場(chǎng)（SoundField）1.聲場(chǎng)的概念：聲場(chǎng)是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ目臻g。按聲場(chǎng)的性質(zhì)可以將聲場(chǎng)分為：自由聲場(chǎng)；擴(kuò)散聲場(chǎng)；半自由聲場(chǎng)

聲場(chǎng)（SoundField）1.聲場(chǎng)的概念：512.聲場(chǎng)的分類自由聲場(chǎng):我們把可以忽略邊界影響，由各向同性的均勻介質(zhì)形成的聲場(chǎng)稱為自由聲場(chǎng)。2.聲場(chǎng)的分類自由聲場(chǎng):52自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室53自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室542.聲場(chǎng)的分類擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）:如果室內(nèi)各處的聲壓級(jí)幾乎相等，聲能密度也處處相等，那么這樣的聲場(chǎng)就叫做擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）。半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):2.聲場(chǎng)的分類552.聲場(chǎng)的分類半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):2.聲場(chǎng)的分類56聲波的反射、透射、折射aθpiptpr聲波的反射、透射、折射aθpiptpr571.聲波的反射定律與折射定律aθ入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿足Snell定律：a.反射定律：b.折射定律：1.聲波的反射定律與折射定律aθ入射聲波、反射聲波與折射聲波58c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：聲波的折射是由聲速?zèng)Q定的。思考題：1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：思考題：59思考題1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？思考題1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？60思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？612.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。聲壓的透射系數(shù)為透射聲壓與入射聲壓的比值。2.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)62a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：可以導(dǎo)出：a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)63b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：643.吸聲系數(shù)定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱為吸聲系數(shù)。rp

的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入射的方向有關(guān)。3.吸聲系數(shù)定義：rp的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入654.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)

當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：4.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)當(dāng)聲波垂直入662.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射在聲波傳播過程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長(zhǎng)差不多，則當(dāng)聲波入射時(shí)，就產(chǎn)生各個(gè)方向的反射，這種現(xiàn)象稱為散射。聲波的散射既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)。2.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射672.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：在聲波傳播過程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長(zhǎng)比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。2.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：682.聲波的衍射2.聲波的衍射692.3.4聲波的疊加

1.聲壓的疊加2.能量的疊加2.3.4聲波的疊加1.聲壓的疊加70聲波的疊加

3.聲波的干涉現(xiàn)象:兩列波的頻率相同，振動(dòng)方向相同和具有恒定相位差的聲波，合成聲仍是同一頻率的振動(dòng)，在空間某一些位置的振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置的振動(dòng)始終減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源。聲波的疊加3.聲波的干涉現(xiàn)象:71聲波的干涉現(xiàn)象聲波的干涉現(xiàn)象72

聲波在傳播中的衰減1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）2.空氣吸收引起的附加衰減（Aa）3.地面吸收的附加衰減（Ag）4.聲屏障衰減（Ab）5.氣象條件的影響（Am

）聲波在傳播中的衰減1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）73

1.擴(kuò)散引起的衰減擴(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。

1.擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)散衰減的定義：74

1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)可表示為：

1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)75

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：

將W0=10-12W、I0=10-12W代入式中便得到：

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：將W0=10-12W、I76

1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可表示為：

1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可77

a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)：

因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減：

a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)：因此從S78

b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為：

因此從r1處傳播到r2處時(shí)的發(fā)散衰減：

b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積因79c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無限長(zhǎng)線聲源：r0>L/π，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr0c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無限長(zhǎng)線聲源：L80d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a/π≤r0<b/π,面聲源視為無限長(zhǎng)線聲源來計(jì)算。r0>b/π，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0a<bd.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲81

2.空氣吸收引起的附加衰減空氣吸收：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。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空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，因82

2.空氣吸收引起的附加衰減對(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，m

2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)于噪聲控制工程，可以采用下面的83

2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)于不同溫度，可采用下式來估算：

與20℃相差的攝氏溫度β=4×10-6

2.空氣吸收引起的附加衰減對(duì)于不同溫度，可采用下式來估算：84

3.地面吸收的附加衰減當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r(shí)：地面吸收將會(huì)對(duì)聲傳播產(chǎn)生附加衰減，但短距離（30-50m）其衰減可以忽略，而在70m以上應(yīng)予以考慮。

3.地面吸收的附加衰減當(dāng)?shù)孛媸欠莿傂员砻鏁r(shí)：85

3.地面吸收的附加衰減聲波在厚的草地上面或穿過灌木叢傳播時(shí)，在頻率為1000Hz時(shí)的附加衰減較大，可高達(dá)

25/100mdB。附加衰減量的近似計(jì)算公式為：聲波的頻率，Hz傳播距離，m

3.地面吸收的附加衰減聲波在厚的草地上面或穿過灌木叢傳播時(shí)86

3.地面吸收的附加衰減聲波穿過樹木或者森林時(shí)，不同樹林的衰減相差很大，在1000赫茲時(shí)：濃密的常綠樹樹冠23dB／100m地面上稀疏的樹干3dB／100m各種樹林平均的附加衰減大致為：

3.地面吸收的附加衰減聲波穿過樹木或者森林時(shí)，不同樹林的衰87

4.聲屏障衰減當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在密實(shí)材料形成的障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的附加衰減，這樣的障礙物稱為聲屏障。

4.聲屏障衰減當(dāng)聲源與接收點(diǎn)之間存在密實(shí)材料形成的障礙物時(shí)88

4.聲屏障衰減聲波遇到屏障時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、透射和衍射三種傳播現(xiàn)象。屏障的作用：阻擋直達(dá)聲的傳播，隔絕透射聲，并使衍射聲有足夠的衰減。聲屏障的附加衰減與聲源及接收點(diǎn)相對(duì)屏障的位置、聲屏障的高度及結(jié)構(gòu)以及聲波的頻率密切相關(guān)。

4.聲屏障衰減聲波遇到屏障時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、透射和衍射三種傳播89

4.聲屏障衰減聲屏障的附加衰減與聲源及接收點(diǎn)相對(duì)屏障的位置、聲屏障的高度及結(jié)構(gòu)以及聲波的頻率密切相關(guān)。

4.聲屏障衰減90

5.氣象條件的影響雨、雪、露等對(duì)聲波的散射會(huì)引起聲能的衰減。但這種因素引起的衰減量很小，大約每1000m衰減不到，因此可以忽略不計(jì)。風(fēng)和溫度梯度對(duì)聲波傳播的影響很大。

5.氣象條件的影響雨、雪、露等對(duì)聲波的散射會(huì)引起聲能的衰減91為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？92為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？93聲源的輻射特性聲源的指向性：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。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)：聲源的輻射特性聲源的指向性：聲源發(fā)出的聲波，在各個(gè)方向上的聲94聲源的輻射特性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θ上的聲壓級(jí)公式可表示為：DI是指指向性因數(shù)，聲源的輻射特性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952.4聲源的輻射特性聲源的指向性與聲源的尺寸有關(guān)。聲源的指向性與頻率相關(guān)。2.4聲源的輻射特性聲源的指向性與聲源的尺寸有關(guān)。96幾種典型聲源的輻射特性聲源類型輻射特性聲壓空間分布輻射效率點(diǎn)聲源無指向性均勻高線聲源有一定的指向性聲偶極子有很強(qiáng)的方向性不均勻低平面聲源復(fù)雜的指向性分布幾種典型聲源的輻射特性聲源類型輻射特性聲壓空間分布輻射效率點(diǎn)97Chapter2

聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

聲音的產(chǎn)生和傳播

聲波的描述

聲波的傳播特性

聲源的輻射特性Chapter2聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)聲音的產(chǎn)生和傳播98聲音的產(chǎn)生和傳播物體的振動(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。聲音的產(chǎn)生和傳播物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。99

聲音的產(chǎn)生和傳播

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。聲音的產(chǎn)生和傳播聲波：這種向前推進(jìn)著的空氣振動(dòng)稱為聲波100

聲波的描述

描述聲波的基本物理量

聲音的物理量度

聲波的類型聲波的描述描述聲波的基本物理量1012.2.1描述聲波的基本物理量2.2.1描述聲波的基本物理量1022.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相2.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位1032.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位置的距離稱為位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相2.2.1描述聲波的基本物理量振幅位移位移：物體離開靜止位1042.2.1描述聲波的基本物理量1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)每往復(fù)一次所需要的時(shí)間，單位為秒（s）。2.聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。頻率范圍(Hz)<2020-20000>20000聲音次<500500-2000>2000超低頻聲中頻聲高頻定義聲音頻聲聲2.2.1描述聲波的基本物理量1.周期：頻率范圍(Hz)<1052.2.1描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長(zhǎng)，或者說聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。2.2.1描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：1062.2.1描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會(huì)隨環(huán)境的溫度有一些變化。媒質(zhì)名稱空氣水混凝土玻璃鐵鉛軟木硬木聲速3441372304836535182121933534267表21.1℃時(shí)聲速近似值（m/s）2.2.1描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的1071.聲壓與聲壓級(jí)2.聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)3.聲功率與聲功率級(jí)4.聲能密度5.頻譜和頻程

聲波的物理量度1.聲壓與聲壓級(jí)聲波的物理量度1082.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)2.2.2聲波的物理量度1.聲壓和聲壓級(jí)：靜態(tài)壓強(qiáng)1091.聲壓和聲壓級(jí)

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。1.聲壓和聲壓級(jí)a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。110

1.聲壓和聲壓級(jí)：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)1.聲壓和聲壓級(jí)：聲音種類聲壓聲音種類聲壓正常人耳能聽到最111c.聲壓級(jí):該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘20，即：

1.聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝。

c.聲壓級(jí):1.聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝。1122.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(jiǎn)稱為聲強(qiáng)，單位是瓦每平方米

。2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.聲強(qiáng):113b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。b.聲強(qiáng)級(jí):2.聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。114聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：1153.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。3.聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:116b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系球面輻射時(shí)：波陣面面積117c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。c.聲功率級(jí)聲功率級(jí)單位：分貝。1184.聲能密度定義：聲場(chǎng)中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。

對(duì)于在自由空間內(nèi)傳播的平面聲波而言：

4.聲能密度定義：1195.頻程和頻譜：a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。5.頻程和頻譜：a.頻譜圖：120常見噪聲的頻譜圖常見噪聲的頻譜圖1215.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。5.頻程和頻譜：b.頻程：122**級(jí)的運(yùn)算

a.級(jí)的疊加（公式法）當(dāng)n個(gè)聲源互不干涉時(shí)：當(dāng)n=2時(shí)，**級(jí)的運(yùn)算a.級(jí)的疊加（公式法）當(dāng)n=2時(shí)，123a.級(jí)的疊加（公式法）

由于：代入上式：a.級(jí)的疊加（公式法）由于：代入上式：124a.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：a.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，表示為聲壓級(jí)：125a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：則：代入下式中：可得：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：令：則：代入下式中：可得：126a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：

令：a.級(jí)的疊加（查表、圖法）：令：127a.級(jí)的疊加：△Lpa.級(jí)的疊加：△Lp128a.級(jí)的疊加：

求出總聲壓的有效值當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：先求出瞬時(shí)聲壓求出總聲壓級(jí)a.級(jí)的疊加：求出總聲壓的有效值當(dāng)n個(gè)聲源發(fā)生干涉時(shí)：求129b.級(jí)的相減儀器測(cè)的噪聲聲源真實(shí)噪聲背景噪聲b.級(jí)的相減儀器測(cè)聲源真實(shí)噪聲背景噪聲130b.級(jí)的相減b.級(jí)的相減131b.級(jí)的相減：

b.級(jí)的相減：1322.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：或2.2.3聲波的類型在均勻的理想流體中的小振幅聲波的波或1332.2.2聲波的類型波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)的軌跡曲線。根據(jù)波振面的形狀可將聲波分為不同的類型。聲線：常稱為聲射線，就是子聲源發(fā)出的代表能量傳播方向的直線，在各向同性的媒質(zhì)中，聲線就是代表波的傳播方向且處處與波陣面垂直的直線。2.2.2聲波的類型波陣面:是指空間同一時(shí)刻相位相同的各點(diǎn)1342.2.2聲波的類型1.平面聲波：聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱其為平面聲波。波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面稱為波前。2.2.2聲波的類型1.平面聲波：1351.平面聲波：1.平面聲波：1361.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：1.平面聲波：a.波動(dòng)方程：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：1371.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)而言：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅1.平面聲波：b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅1381.平面聲波：c.聲阻抗率：對(duì)于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pa·s/m）1.平面聲波：c.聲阻抗率：對(duì)于平面聲波而言：媒質(zhì)的特性阻抗1391.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。1.平面聲波：d.聲線：相互平行的一系列直線。1402.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。a.波動(dòng)方程：對(duì)于從球心向外傳播的簡(jiǎn)諧球面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。2.球面聲波：波陣面是以任何值為半徑的球面。對(duì)于從球心向外1412.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。2.球面聲波：b.聲線：是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線。1423.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。a.波動(dòng)方程：對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)諧柱面聲波而言：特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。3.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱為柱面聲波。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)1433.柱面聲波：

b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。3.柱面聲波：b.聲線：是由線聲源發(fā)出的徑向線。144聲波的類型

聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳播方向的平面相互平行的直線平面聲源球面聲波以任何值為半徑的球面由聲源發(fā)出的半徑線點(diǎn)聲源柱面聲波同軸圓柱面線聲源發(fā)出的半徑線線聲源聲波的類型聲波的類型類型波陣面聲線聲源類型平面聲波垂直于傳145Chapter2

聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

聲音的產(chǎn)生和傳播

聲波的描述

聲波的傳播特性

聲源的輻射特性Chapter2聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)聲音的產(chǎn)生和傳播1462.3聲波的傳播特性2.3.1聲場(chǎng)2.3.2聲波的反射、透射、折射

2.3.3聲波的散射與衍射

2.3.4聲波的疊加2.3.5聲波在傳播中的衰減2.3聲波的傳播特性2.3.1聲場(chǎng)147

聲場(chǎng)（SoundField）1.聲場(chǎng)的概念：聲場(chǎng)是指?jìng)鞑ヂ暡ǖ目臻g。按聲場(chǎng)的性質(zhì)可以將聲場(chǎng)分為：自由聲場(chǎng)；擴(kuò)散聲場(chǎng)；半自由聲場(chǎng)

聲場(chǎng)（SoundField）1.聲場(chǎng)的概念：1482.聲場(chǎng)的分類自由聲場(chǎng):我們把可以忽略邊界影響，由各向同性的均勻介質(zhì)形成的聲場(chǎng)稱為自由聲場(chǎng)。2.聲場(chǎng)的分類自由聲場(chǎng):149自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室150自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室自由聲場(chǎng)（FreeSoundField）消聲室1512.聲場(chǎng)的分類擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）:如果室內(nèi)各處的聲壓級(jí)幾乎相等，聲能密度也處處相等，那么這樣的聲場(chǎng)就叫做擴(kuò)散聲場(chǎng)（混響聲場(chǎng)）。半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):2.聲場(chǎng)的分類1522.聲場(chǎng)的分類半自由聲場(chǎng)(半擴(kuò)散聲場(chǎng)):2.聲場(chǎng)的分類153聲波的反射、透射、折射aθpiptpr聲波的反射、透射、折射aθpiptpr1541.聲波的反射定律與折射定律aθ入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿足Snell定律：a.反射定律：b.折射定律：1.聲波的反射定律與折射定律aθ入射聲波、反射聲波與折射聲波155c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：聲波的折射是由聲速?zèng)Q定的。思考題：1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？c.與折射定律有關(guān)的討論由折射定律可知：思考題：156思考題1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？思考題1.為什么聲音在晚上要比晴朗的白天傳播的遠(yuǎn)一點(diǎn)？157思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？思考題2.為什么逆風(fēng)傳播的聲音難以聽清？1582.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。聲壓的透射系數(shù)為透射聲壓與入射聲壓的比值。2.反射系數(shù)和透射系數(shù)a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)159a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：可以導(dǎo)出：a.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)在邊界上，兩面的聲壓與法向的質(zhì)點(diǎn)160b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：1613.吸聲系數(shù)定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱為吸聲系數(shù)。rp

的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入射的方向有關(guān)。3.吸聲系數(shù)定義：rp的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此α也與入1624.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)

當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以表示為：4.當(dāng)聲波垂直入射時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)當(dāng)聲波垂直入1632.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射在聲波傳播過程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長(zhǎng)差不多，則當(dāng)聲波入射時(shí)，就產(chǎn)生各個(gè)方向的反射，這種現(xiàn)象稱為散射。聲波的散射既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)。2.3.3聲波的散射與衍射1.聲波的散射1642.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：在聲波傳播過程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長(zhǎng)比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。2.3.3聲波的散射與衍射2.聲波的衍射：1652.聲波的衍射2.聲波的衍射1662.3.4聲波的疊加

1.聲壓的疊加2.能量的疊加2.3.4聲波的疊加1.聲壓的疊加167聲波的疊加

3.聲波的干涉現(xiàn)象:兩列波的頻率相同，振動(dòng)方向相同和具有恒定相位差的聲波，合成聲仍是同一頻率的振動(dòng)，在空間某一些位置的振動(dòng)始終加強(qiáng)，在另一些位置的振動(dòng)始終減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲波稱為相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的聲源稱為相干聲源。聲波的疊加3.聲波的干涉現(xiàn)象:168聲波的干涉現(xiàn)象聲波的干涉現(xiàn)象169

聲波在傳播中的衰減1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）2.空氣吸收引起的附加衰減（Aa）3.地面吸收的附加衰減（Ag）4.聲屏障衰減（Ab）5.氣象條件的影響（Am

）聲波在傳播中的衰減1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad）170

1.擴(kuò)散引起的衰減擴(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。

1.擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)散衰減的定義：171

1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)可表示為：

1.擴(kuò)散引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)172

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：

將W0=10-12W、I0=10-12W代入式中便得到：

1.擴(kuò)散引起的衰減由于：將W0=10-12W、I173

1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可表示為：

1.擴(kuò)散引起的衰減因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減可174

a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)：

因此從S1處傳播到S2處時(shí)的發(fā)散衰減：

a.平面聲源的擴(kuò)散衰減當(dāng)平面聲源輻射平面波時(shí)：因此從S175

b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為：

因此從r1處傳播到r2處時(shí)的發(fā)散衰減：

b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積因176c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無限長(zhǎng)線聲源：r0>L/π，線聲源視為點(diǎn)聲源。LAr0c.線聲源的擴(kuò)散衰減r0≤L/π，線聲源視為無限長(zhǎng)線聲源：L177d.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲壓不衰減。a/π≤r0<b/π,面聲源視為無限長(zhǎng)線聲源來計(jì)算。r0>b/π，面聲源視為點(diǎn)聲源。LabAr0a<bd.矩形面聲源的擴(kuò)散衰減r0≤a/π，聲源輻射平面聲波，聲178

2.空氣吸收引起的附加衰減空氣吸收：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。弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空