《声学基本知识条》PPT课件.ppt
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1、环境噪声控制工程,Chapter 2 声学基础知识,2.1 声音的产生和传播 2.2 声波的描述 2.3 声波的传播特性 2.4 声源的辐射特性,2.1声音的产生和传播,物体的振动是产生声音的根源。 声源: 凡能产生声音的振动物体称作声源。,2.1.2 声音的产生和传播,声波:这种向前推进着的空气振动称为声波。 声场:有声波传播的空间叫声场。,声音传播的实质: 声音的传播是物体振动的传播,声音产生于物体的振动并通过气体、液体或固体以波的形式进行传播,声音是物质的一种运动形式,即波动。,2.2 声波的描述,2.2.1 描述声波的基本物理量 2.2.2 声音的物理量度 2.2.3 声波的类型,2.
2、2.1 描述声波的基本物理量,振幅,位移,位移:物体离开静止位置的距离称为位移,最大的位移叫振幅,振幅的大小决定了声音的大小。,周相,2.2.1 描述声波的基本物理量,1.周期: 质点振动每往复一次所需要的时间,单位为秒(s)。 2.声波频率: 一秒钟内媒质质点振动的次数,单位为赫兹(Hz)。,2.2.1 描述声波的基本物理量,3.波长: 声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距 离叫做波长,或者说声源每振动一次,声波 的传播距离。,2.2.1 描述声波的基本物理量,4.声速:振动在媒质中传播的速度。 媒质特性的函数,取决于该媒质的弹性和密度; 声速会随环境的温度有一些变化。,表 21.1 时声
3、速近似值(m/s),1. 声压与声压级 2. 声强与声强级 3. 声功率与声功率级 4. 声能密度 5. 频谱和频程,2.2.2 声波的物理量度,2.2.2 声波的物理量度,1.声压和声压级:,静态压强,1.声压和声压级,a.瞬时声压:某一瞬间的声压。 b.有效声压(pe):在一定时间间隔中将瞬时声压对时间求方均根值即得有效声压。,1.声压和声压级:,日常生活中声音的声压数据 (Pa),人耳感觉听阈到痛阈的范围是: 210-5 20 Pa,c. 声压级: 该声音的声压与参考声压的比值取以10为底 的对数再乘20,即:,1.声压和声压级:,声压级单位:分贝。,用声压级表示人耳听阈与痛阈范围是:0
4、 120 dB,2.声强和声强级:,a.声强: 在声传播方向上单位时间内垂直通过单位面 积的声能量,称为声音的强度,简称为声强, 单位是瓦每平方米 。,b.声强级: 该声音的声强与参考声强的比值取以10为底 的对数再乘10,即:,2.声强和声强级:,声强级单位:分贝。,声压级和声强级的关系:,3.声功率和声功率级,a.声功率: 声源在单位时间内辐射的总能量,单位是瓦。 意义: 声功率是衡量声源声能量输出大小的基本物理 量;声功率可用于鉴定各种声源。,b.声功率与声强的关系,球面辐射时:,波阵面面积,c.声功率级,声功率级单位:分贝。,4.声能密度,定义: 声场中单位体积媒质所含有的声能量。 对
5、于在自由空间内传播的平面声波而言:,5. 声音的频率分析(频程和频谱),(1)频段及其划分,(2)倍频程,n 倍频程数,正实数 f1,f2任一频程的上限和下限频率,(3)中心频率,频程又称频带。两个声或其他信号的频率间的距离,是频率的相对尺度。以高频与低频的率比的对数来表示。此对数通常以2为底,单位称为倍频程(oct)。也可以以10为底的对数表示,此时单位为10倍程。,每频程的上限与下限频率的几何平均值称为该频程的中心频率 中间8段称为倍频程中心频率。将每一倍频程再分为3份,称为1/3倍频程中心频率。 噪声测量最常用的是倍频程中心频率和1/3倍频程中心频率。,声音可以分解为若干(甚至无限多)频
6、率分量的合成。为了测量和描述声音频率特性,人们使用频谱。频率的表示方法常用倍频程和1/3倍频程。倍频程的中心频率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz十个频率,后一个频率均为前一个频率的两倍,因此被称为倍频程,而且后一个频率的频率带宽也是前一个频率的两倍。在有些更为精细的要求下,将频率更细地划分,形成1/3倍频程,也就是把每个倍频程再划分成三个频带,中心频率是20、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1K、1.25K、1.6K、2K、2.5K、3.15K、4K、5K、6.3K、8
7、K、10K、12.5K、16K、20KHz等三十个频率,后一个频率均为前一个频率的21/3倍。,(5)频谱分析:使声音的强度成为频率的函数并考察其变化规律 以频率为横轴,以声压为纵轴,绘出的图叫声音的频谱图。,线谱,连续谱,混合谱,噪声频谱分析的目的:分析了解噪声的成分和性质,了解峰值噪声在 低频、中频、还是高频段,为噪声控制提供依据,*级的运算,a.级的叠加(公式法) 当n个声源互不干涉时:,当n=2时,,a.级的叠加(公式法),由于:,代入上式:,a.级的叠加:,当n个声源时,,表示为声压级:,a.级的叠加(查表、图法):,令:,则:,代入下式中:,可得:,a.级的叠加(查表、图法):,令
8、:,a.级的叠加:,Lp,a.级的叠加:,求出总声压的有效值,当n个声源发生干涉时: 先求出瞬时声压,求出总声压级,b.级的相减,仪器测 的噪声,声源真实噪声,背景噪声,b.级的相减,b.级的相减:,(1)按介质质点振动与波动传播方向的关系分: 横波:介质质点的振动和波动的传播方向相垂直的声波。 纵波:介质质点的振动和波动的传播方向相一致的声波。 在本课程中,主要讨论声波在空气的传播,空气具有体积弹性,声波在空 气中主要以纵波形式传播。,(2)按波阵面分: 波阵面:声波在介质中传播时,其相位相同的各点连成的面称为波阵面 球面波:波阵面为以声源为中心的同心球面 平面波:波阵面与传播方向垂直的波
9、柱面波:波阵面是同轴柱面的波,(3)按介质质点振动的连续性分: 连续波:声波在介质中传播时,介质中各质点均作连续不断地振动。 脉冲波:声波在介质中传播时,各质点均作单个的或间歇的脉冲运动。,2.2.3 声波的类型,声波的波动方程,1 目的: 为了定量地研究声波在介质中传播的规律,就必须首先了解介质运动时这些物理量(声压、密度、振动速度)之间的基本关系,从而推导出描述介质声场中物理量的波动方程式 。,2 方法: 为了确定声压、密度、振动速度三个物理量之间关系,我们从物理概念出发来建立各变量间相互关系的方程式,这三个方程式是: 1).运动方程(牛顿第二定律的应用)给出了p和u之间的关系。 2).连
10、续性方程质量不灭定律的应用)给出了u和(密度)之间的关系。 3).物态方程(绝热压缩定律的应用)一给出了p和之间的关系。 联立以上三个方程,即可求出波动方程-p、u和对时间空间坐标的偏微分方程式。从而建立声波的波动方程。,3 方程的基本假设 1).介质是理想介质,即不考虑介质的粘滞阻力和热交换,因而假设在声波的传播过 程中没有能量的损耗,介质对声能没有吸收。由于假没过程进行得很怏,因此可 以认为介质体积发生形变时没有热交换,即为绝热过程。 2).假设声波是小振幅声波,即满足: 声压P比大气压Po要小得很多,即 P Po 质点的位移比波长要小得很多,即 ; 质点振动速度u比声速c要小得很多,即
11、u c, 介质密度的相对变化要远远小于1,即 3).介质在宏观上处于静止状态,并忽略介质体元本身的自重作用。 上述假设总称为理想流体介质小振幅假定。在实际情况下,这些是很容易满足的满足其中一个,其它的也就满足了。,运动方程,连续性方程,物态方程,消去p、u、中任意两个,可得声压波动方程,在三维直角坐标系中:,在均匀的理想流体中的小振幅声波的波 动方程为:,或,在球坐标系中:,在圆柱坐标系中:,在直角坐标系中:,半径,方向角,极角,圆柱截面直径,Z轴坐标,方向角,声波的类型,波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。 根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。 声线:常称为声射线,就是子声
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