声波的基础知识学时课件.pptx

1、2.1 2.1 声波的产生声波的产生n当当声源振动声源振动时，就会引起声时，就会引起声源周围源周围弹性媒质弹性媒质空气分空气分子振动，这些振动的分子又子振动，这些振动的分子又使周围的空气分子产生振动，使周围的空气分子产生振动，这样声源产生的振动就以声这样声源产生的振动就以声波的形式向外传播。波的形式向外传播。以鼓面振动为例以鼓面振动为例 鼓面波长n声源声源n弹性媒质弹性媒质声波形成的必要条件声波形成的必要条件n纵波：纵波：媒质质点的振动方向与声波的传媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致。播方向相一致。n空气中的声波即为纵波，又称疏密波。空气中的声波即为纵波，又称疏密波。n横波：横波：媒质质

2、点的振动方向与声波的传媒质质点的振动方向与声波的传播方向垂直。播方向垂直。n固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。固体和液体中可能有横波，也可能有纵波。波动波动n声波在空气中传播时，空气质点本声波在空气中传播时，空气质点本身并不随声波一起传播出去，空气身并不随声波一起传播出去，空气质点只是在它的平衡位置附近前后质点只是在它的平衡位置附近前后做纵向振动。做纵向振动。n也就是说：声音的传播实质是物体也就是说：声音的传播实质是物体振动的传播，即振动的传播，即传播出去的是物质传播出去的是物质运动的能量运动的能量，而不是物质本身。，而不是物质本身。波动波动n声音是物质的一种运动形式，声音是物质的一种运动

3、形式，这种运动形式叫这种运动形式叫波动波动。声波的类型声波的类型n波阵面：空间中波阵面：空间中同一时刻同一时刻波波到达的各点到达的各点可以连接成一个可以连接成一个面，称为波阵面。面，称为波阵面。声波的类型：声波的类型：平面声波n当声波的当声波的波阵面是波阵面是垂直于传垂直于传播方向的播方向的一系列平一系列平面时，就面时，就称其为平称其为平面声波。面声波。面声源面声源声波的类型：声波的类型：球面声波点声源点声源声波的类型：声波的类型：柱面声波线声源线声源n平面声波、球面声波、柱面声波平面声波、球面声波、柱面声波都是理想的传播类型。都是理想的传播类型。n在具体应用时可根据实际条件进在具体应用时可根

4、据实际条件进行合理近似。行合理近似。2.2 2.2 声波的描述声波的描述n波长波长n周期周期n频率频率n声速声速 n波长波长 相邻相邻相位相同的质点相位相同的质点之间的距离。之间的距离。鼓面波长 质点往复振动一次所需要的时间，称质点往复振动一次所需要的时间，称为周期。单位为秒（为周期。单位为秒（s）。）。也就是波走过一个波长所需的时间。也就是波走过一个波长所需的时间。n周期周期 Tn频率频率 fn单位时间单位时间（1s）媒质质点振动的次媒质质点振动的次数，单位为赫兹数，单位为赫兹（Hz）。nf=1/Tn每秒钟声源振动的次数越多，说每秒钟声源振动的次数越多，说明频率越高，人耳主观感觉到的明频率越

5、高，人耳主观感觉到的音调就越高，反之越低。音调就越高，反之越低。n可听声频率范围：可听声频率范围：2020000Hzn超声超声n次声次声n声速声速 cn单位时间内波走过的路程。(m/s)C=f=/T声速是媒质特性的函数，在不同的媒声速是媒质特性的函数，在不同的媒质中，声速是不相同的。质中，声速是不相同的。媒质名称媒质名称空气空气水水混凝土混凝土玻璃玻璃声速声速(m/s)m/s)344344137213723048304836583658媒质名称媒质名称铁铁铅铅硬木硬木软木软木声速声速(m/s)m/s)5182518212191219426742673353335321.121.1时声速近似值时

6、声速近似值空气中的声速空气中的声速nC=331.45+0.61t（t为温度，）n一般计算时，空气中的声速可取340m/s（15 值）2.3 2.3 频程和频谱频程和频谱n噪声是复音，一个声源发出的声音往往是噪声是复音，一个声源发出的声音往往是由很多由很多不同频率、不同强度不同频率、不同强度的成分合成的。的成分合成的。那么，如果我们要描述一个声音，就必须那么，如果我们要描述一个声音，就必须把它的这些频率组份及其对应强度全部表把它的这些频率组份及其对应强度全部表示出来。示出来。n可听声频率范围：可听声频率范围：2020000Hzn实测发现：两个不同频率的声音做相对比实测发现：两个不同频率的声音做相

7、对比较时，有决定意义的是它们频率的比值。较时，有决定意义的是它们频率的比值。1.1.频程频程n为了研究和实用上的需要，在声为了研究和实用上的需要，在声学学科中，把宽广的可听声频率学学科中，把宽广的可听声频率范围划分成若干小区间，称其为范围划分成若干小区间，称其为频程、频段或频带。频程、频段或频带。倍频程倍频程n把把202020000Hz20000Hz的声频范围，按频率倍的声频范围，按频率倍比关系划分为比关系划分为1111个段落。每个频带的个段落。每个频带的上限频率和下限频率相差一倍。上限频率和下限频率相差一倍。n即频率比为即频率比为2 21 1的频程，称它为倍频程。的频程，称它为倍频程。12下

8、上ff倍频程倍频程上限频率2244881773557101420284056801136022720中心频率1631.563125250500100020004000800016000下限频率1122448817735571014202840568011360倍频程倍频程推而广之：推而广之：n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为2 2倍频程倍频程；n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为3 3倍频程倍频程；n若频率比为若频率比为 ，则称为，则称为n n倍频程倍频程。2 222 232 2n倍频程倍频程n若频率比为若频率比为2 21/31/3，则称为，则称为1/31/3倍频倍频程。程。n倍频程

9、和倍频程和1/31/3倍频程是最常用的。倍频程是最常用的。倍频程的表示倍频程的表示n某一倍频程常常由其中心频率某一倍频程常常由其中心频率f中中表示表示.中心频率是上、下频率的中心频率是上、下频率的几何平均值，几何平均值，简写成简写成f。下上fff ffff)212(下上n倍频带的宽度倍频带的宽度n对含有多个频率成分的声音，我们只对含有多个频率成分的声音，我们只要关注它的要关注它的各个频率及其对应的强度各个频率及其对应的强度就可以了。就可以了。n一般以一般以频率为横坐标，声压级为纵坐频率为横坐标，声压级为纵坐标标，绘出的线条来表示声音，这就是，绘出的线条来表示声音，这就是声音的频谱，也称频谱图。

10、声音的频谱，也称频谱图。2.频谱频谱频谱图频谱图n线状谱（乐音）线状谱（乐音）n连续谱（噪声）连续谱（噪声）n复合谱（有调噪声）复合谱（有调噪声）线状谱（乐音）线状谱（乐音）声压级，dBf，Hz连续谱（噪声）连续谱（噪声）声压级，dBf，Hz复合谱（有调噪声）复合谱（有调噪声）声压级，dBf，Hz频谱分析频谱分析n在噪声控制中，要了解噪声的特在噪声控制中，要了解噪声的特性，往往需要详细分析它的各个性，往往需要详细分析它的各个频率成分和相应的强度，这也称频率成分和相应的强度，这也称作作频谱分析频谱分析。n一般以倍频程或一般以倍频程或倍频程倍频程中心中心频频率值为横坐标率值为横坐标，声压级为纵坐标

11、声压级为纵坐标，绘出的折线来表示声音的频谱。绘出的折线来表示声音的频谱。频谱分析、频谱图频谱分析、频谱图63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 中心频率中心频率f，Hz声压级，声压级，dB 90 80 70 60 2.5 2.5 声音的物理量度声音的物理量度n声功率声功率n声压声压n声强声强1.1.声功率声功率Wn声功率是表示声源特性的物理量，声功率是表示声源特性的物理量，是单位时间内声源辐射出来的总是单位时间内声源辐射出来的总声能量，用声能量，用W表示，单位是瓦，表示，单位是瓦，记为记为w。n声源声功率仅是声源总功率中以声源声功率仅是声源总功率中以声波形式辐射出来的声波形式辐射

12、出来的一小部分功一小部分功率率。500kw鼓风机，一般声功率只有鼓风机，一般声功率只有100w；900万人同时说话，所发出的声能也只相当于万人同时说话，所发出的声能也只相当于一只一只450w的电灯在相同时间内所消耗的电能。的电灯在相同时间内所消耗的电能。不同声源辐射的声功率有很大的不同不同声源辐射的声功率有很大的不同一些声源的声功率和声功率级一些声源的声功率和声功率级噪声源噪声源宇宙火箭宇宙火箭喷气飞机喷气飞机大型鼓风机大型鼓风机气锤气锤声功率声功率（w）声功率级声功率级(dB)196160140120噪声源噪声源织布机织布机汽车汽车（72km/h)轻声耳语轻声耳语声功率声功率（w）声功率级声

13、功率级(dB)110110304107104102110-110-110-9 声源工作情况一定声源工作情况一定时，辐射的时，辐射的声功率声功率是一恒量是一恒量2.2.声压声压n以鼓面振动为例。声波在传播过以鼓面振动为例。声波在传播过程中，引起空气质点振动，致使程中，引起空气质点振动，致使空气密度发生变化，密集时压强空气密度发生变化，密集时压强超过大气压强，稀疏时则低于大超过大气压强，稀疏时则低于大气压强。气压强。鼓面波长n瞬时声压瞬时声压p：我们把声场中某点：我们把声场中某点在某一瞬时，由静压在某一瞬时，由静压P0改变到压改变到压强强 时，所产生的压强增量称为时，所产生的压强增量称为该点的瞬时

14、声压该点的瞬时声压p，即即0Ppppn瞬时声压瞬时声压是时间的函数。是时间的函数。n有效声压有效声压pe：瞬时声压传入人耳，瞬时声压传入人耳，由于耳膜的惯性作用，分辨不出由于耳膜的惯性作用，分辨不出声压随时间的变化，而是一个稳声压随时间的变化，而是一个稳定的有效值，称为有效声压定的有效值，称为有效声压。n有效声压有效声压p 是瞬时声压对时间是瞬时声压对时间t取取均方根值，即均方根值，即eTedtpTp021n对于符合正弦运动的声波，有效声对于符合正弦运动的声波，有效声压压p 等于声压的最大值除以等于声压的最大值除以 ，即，即e222maxppe 实际应用中一般所指实际应用中一般所指声压，如未加

15、说明，声压，如未加说明，就是指有效声压。就是指有效声压。声压单位声压单位n1 1大气压大气压 n 1bar=1bar=n =10 =10barbar105Pa105N/m2106bar1Pa1N/m23.3.声强声强I In声强声强I：单位时间内通过垂直于单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声波传播方向单位面积的平均声能量，称为声强。一般用声能量，称为声强。一般用I I表表示，单位为示，单位为 。W/m2SWI 平面声波的声强平面声波的声强声功率声功率W WSSWI 在理想媒质中，平面声波的在理想媒质中，平面声波的声强与离开声源的距离无关声强与离开声源的距离无关柱面波的声强柱面波的声

16、强rlrlWSWI2在理想媒质中，柱面声波的在理想媒质中，柱面声波的声强随离开声源中心的距离声强随离开声源中心的距离增加，按反比规律衰减。增加，按反比规律衰减。球面声波的声强球面声波的声强r24 rWSWI自由空间自由空间在理想媒质中，球在理想媒质中，球面声波声强随离开面声波声强随离开声源距离的增加，声源距离的增加，按平方反比规律衰按平方反比规律衰减。减。球面声波的声强球面声波的声强r半自由空间半自由空间22 rWSWI平均声能密度平均声能密度n平均声能密度平均声能密度 ：为单位媒质：为单位媒质具有的平均动能和平均势能之和，具有的平均动能和平均势能之和，即：即：D202/cpDeDn声波在不同

17、弹性媒质中传播时，声波在不同弹性媒质中传播时，与之密切相关是与之密切相关是媒质密度及声速媒质密度及声速。n声阻抗率或声特性阻抗声阻抗率或声特性阻抗Z Zs s，单位：单位：Pa.s/mPa.s/mcZs0声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系SSx1x2Vx媒质体积为媒质体积为V V声波从声波从x1 1运动到运动到x2 2，经过时间经过时间t t。垂直于垂直于x方向的截面方向的截面为为S S，厚度为厚度为x，声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系nt t时间内通过时间内通过截面截面S S的声能量的声能量 。xSD SSx1x2Vx声强与声能密度的关系声强与声能密度的关系cDItSxSDI由

18、声强的定义有：由声强的定义有：声强与声压的关系声强与声压的关系cpccpIcDIee022024.4.声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级n大量实测显示：一定频率的声波，其大量实测显示：一定频率的声波，其强度存在上、下两个限值。强度存在上、下两个限值。n在下限以下，人耳听不到声音，一般在下限以下，人耳听不到声音，一般称下限值为称下限值为听阈值听阈值。n在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，在上限以上，人耳会有疼痛的感觉，上限值为上限值为痛阈值痛阈值。n频率不同，上、下限值不同。频率不同，上、下限值不同。n空气中传播的声波，在空气中传播的声波，在1000Hz时，正常人耳的听阈声压时，正常人

19、耳的听阈声压为为 ，痛阈声压是，痛阈声压是20Pa。n对应的听阈声强对应的听阈声强 ，痛，痛阈声强为阈声强为 。210-5Pa 10-12w/m21w/m2n对人的听觉来说，从听阈到痛阈所对人的听觉来说，从听阈到痛阈所感觉到的声音的强弱变化范围非常感觉到的声音的强弱变化范围非常宽。若用声压和声强的绝对值来衡宽。若用声压和声强的绝对值来衡量声音的强弱是很不方便的，而且量声音的强弱是很不方便的，而且要实现一定精确的测量也很难，因要实现一定精确的测量也很难，因此引进此引进“级级”的概念，用它来衡量的概念，用它来衡量声音的相对强弱。级在声学中的单声音的相对强弱。级在声学中的单位为分贝，记作位为分贝，记

20、作dBdB。声压级声压级0lg20ppLpaPpp500102基准声压，；有效声压，式中aPp10001000HzHz对应的听阈声压对应的听阈声压声压级声压级n例例2-12-1：当声压级增大：当声压级增大2020dBdB时，时，问声压是原来的多少倍？问声压是原来的多少倍？一些噪声源或噪声环境的声压和声压级一些噪声源或噪声环境的声压和声压级噪声源或噪声环境噪声源或噪声环境声压（声压（PaPa）声压级（声压级（dBAdBA）导弹发射场导弹发射场20002000160160锅炉排空放气，离喷口锅炉排空放气，离喷口1 1m m200200140140汽车喇叭，距离汽车喇叭，距离1 1m m202012

21、0120织布机车间，织机间走道织布机车间，织机间走道3.173.17104104大型卡车，车厢内大型卡车，车厢内0.630.639090大声讲话，距离大声讲话，距离1 1m m0.20.28080轻声耳语，距离轻声耳语，距离0.30.3m m0.000630.000633030声强级声强级0lg10IILI21200/10mwII基准声强，；声强，式中2/mwI10001000HzHz对应的听阈声强对应的听阈声强声功率级声功率级0lg10WWLWwWW120010基准声功率，；声功率，式中wW10001000HzHz对应的听阈声功率对应的听阈声功率声强级与声压级的关系声强级与声压级的关系bLc

22、IpppcIpIILpI00202020020lg10lg10lg10声强级与声压级的关系声强级与声压级的关系nb b值与声特性阻抗值与声特性阻抗 有有关，因此其值与气温、气关，因此其值与气温、气压有关。压有关。c02020时不同海拔高度的修正值时不同海拔高度的修正值b b海拔高度海拔高度(m)(m)10010050050010001000 15001500 20002000 25002500 30003000大气压强大气压强(kPa)(kPa)10010095.495.4 89.889.8 84.584.5 79.579.5 74.774.7 70.170.1修正值修正值b(dB)b(dB)

23、0 00.20.20.50.50.70.71.01.01.21.21.51.5声功率级与声强级的关系声功率级与声强级的关系在自由声场中，均匀辐射的声源在自由声场中，均匀辐射的声源W=IS。因此有：因此有：LW=10lg(W/W0)=10lg(IS/I0S0)=10lg(I/I0)+10lg(S/S0)=LI+10lgSn点声源、自由声场、球面波11lg2011lg20)4lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIWn点声源、半自由声场、半球面波8lg208lg20)2lg(10lg102rLrLrLSLLPIIIWn一个噪声源发出的噪声，一般都包含一个噪声源发出的噪声，一般都包含多多个频率

24、个频率的声波；的声波；n对于某噪声环境，可能同时存在对于某噪声环境，可能同时存在多个噪多个噪声源声源，每个声源都会发出各自的声波。，每个声源都会发出各自的声波。n也就是说，我们在研究噪声时就会涉及也就是说，我们在研究噪声时就会涉及到到“声波的叠加声波的叠加”。2.6 2.6 声波的叠加声波的叠加n波的最简单的形式就是一个频率的简谐波。波的最简单的形式就是一个频率的简谐波。n噪声可以看成许多不同频率、不同强度简谐波的合成。噪声可以看成许多不同频率、不同强度简谐波的合成。pA波长2/:ckksradPapPatxpA圆波数或波数，；振动圆频率或角频率，；声压幅值，；时刻的瞬时声压，处在声场中某位置

25、式中简谐波声压对时间和位移的函数关系是：简谐波声压对时间和位移的函数关系是：)cos(kxtppA声波的叠加原理n从前面我们可以知道：从前面我们可以知道：空间中某点实际上空间中某点实际上是多列简谐波共同作用的结果是多列简谐波共同作用的结果。n那么，那么，这点的这点的瞬时声压瞬时声压就等于各列波在这就等于各列波在这点的瞬时声压之和点的瞬时声压之和。niintppppp121n为了简化问题，首先讨论频率相同的两列简谐波的叠加。n设声场中某点P至两声源的距离为x1、x2。则两列波在这点的瞬时声压为：p1、p2第1、2列波在P点的瞬时声压，Pa；pA1、pA2第1、2列波的声压幅值，Pa；1、2第1、

26、2列波的初相位，即1kx1、2=kx2。xx)cos()cos()cos()cos(2222211111tpkxtpptpkxtppAAAA)cos(2coscossinsin)cos()cos()cos(12212221222112211100221121AAAAAtAAAAAttAAtppppppppptgtpptptpppp式中)cos(2222212202120222021202cppcpcpcpAAAAAt2Aepp)cos(12202120222021202cppcpcpcpAAeeet202cpDe)cos(12202121cppDDDAAtxx）（这两列波的相位差12122xx

27、 如果声场中某点的x1、x2为定值，则这两列波具有固定相位差。这种具有相同频率和固定相位差的声波称为相干波相干波，它们的叠加就是相干波叠加相干波叠加。xxxxP1P2)cos(12202121kxkxcppDDDAAt两列相干波在空间某些地方振动始终加强，在空间某些地方振动始终减弱，这种现象称为干涉现象。一、相干波叠加一、相干波叠加对某一定点来说，kx2-kx1是一定值，对空间中不同点空间中不同点而言，kx2-kx1是一变量，所以cos(kx2-kx1)是周期函数。n在一般的噪声问题中，经常遇到在一般的噪声问题中，经常遇到多个声波，或者多个声波，或者频率不同频率不同，或者，或者相互之间相互之间

28、并不存在固定的相位差并不存在固定的相位差，或者或者两者兼有两者兼有。n怎么叠加呢？怎么叠加呢？n以两列频率相同频率相同，而不存在固定相位差不存在固定相位差的声波为例。同前面的过程一样：)cos(12202121cppDDDAAt2112122021210)cos()cos(DDDcppDDDtAAt，可得到：当平均时间足够长时，的平均值，足够长时间因此，我们对这一点取对空间中任意点来说，2-1随时间无规变化n具有具有不同频率不同频率，而有，而有固定的相位差固定的相位差或者具有或者具有不同频率不同频率，且，且并不存在固定的相位差并不存在固定的相位差的两列的两列波，运用上述方法，同样可得到：波，运

29、用上述方法，同样可得到：21DDDt因此，我们认为这些声波是互不相干不相干的。也就是说：具有相同频率相同频率，而没有固定的相位差没有固定的相位差；具有不同不同频率频率，而有固定的相位差固定的相位差或者具有不同频率不同频率，且并不存在固不存在固定的相位差定的相位差的波为不相干波不相干波。二、不相干波叠加二、不相干波叠加推广到推广到n列不相干波：列不相干波：ntDDDD21一般由几个噪声源发出的声波，或同一噪声源一般由几个噪声源发出的声波，或同一噪声源发出的不同频率的波都互不干涉，因此可以按发出的不同频率的波都互不干涉，因此可以按此规则叠加。此规则叠加。噪声的叠加原理噪声的叠加原理噪声的相加实际上

30、是能量的相加ntDDDD21niieneeeteppppp12222212niintppppp12222212简写为：202cpDe三、噪声的叠加三、噪声的叠加)10lg(1011.0niLpitLp写成声压级的形式：n一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个频率一个噪声源发出的噪声，一般都包含多个频率的声波；的声波；n对于某噪声环境，可能同时存在多个噪声源，对于某噪声环境，可能同时存在多个噪声源，每个声源都会发出各自的声波。每个声源都会发出各自的声波。2.7 2.7 分贝的运算分贝的运算n分贝和分贝和n分贝减分贝减n分贝平均分贝平均一、分贝和)10lg(1011.0niLpitLp例1n在某测点

31、处测得一台噪声源的声压级如下表所示，试求测点处总声压级有多少分贝?中心频率631252505001000200040008000声压级84879095969185801、公式法L1-L201234567891011L3.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.40.3步骤步骤：(1)将求和的声压级从大到小排列将求和的声压级从大到小排列(L1、L2，Ln)；(2)先求先求L1与与L2的差值：的差值：L1-L2；(3)由差值由差值L1-L2从表中查得从表中查得增值增值L(也可查曲线图也可查曲线图)(4)L1+2L1+L，(5)再将再将L1+2与与L3求和，直到最后，求出总合成声

32、压级求和，直到最后，求出总合成声压级2、图表法例2n分别测得两台机器在某测点处的声压级均为87dB，问总声压级是多少dB？计算结果说明了什么？二、分贝减n除待测噪声以外，环境中其他声音总称为本底本底噪声噪声，亦称背景噪声背景噪声。n在有本底噪声的环境里，被测对象的噪声是无法直接测定的，只能分别测到机器运转时的声机器运转时的声压级压级与机器停止时的本底噪声声压级。n如何才能从测量结果中扣去本底噪声从测量结果中扣去本底噪声，从而得到机器真实的声压级，这就涉及到分贝“相减”的运算。n设背景噪声为LpB，背景噪声和机器噪声的总声压级为Lpt，机器真实的声压级为Lps。)1010lg(101.01.0s

33、BLpLptLp)1010lg(101.01.0BtLpLpsLp例3n在某点测得机器运转时声压级为90dB,当机器停止时声压级为86dB，求机器真实的声压级。)1010lg(101.01.0BtLpLpsLp三、分贝平均应用情况：n有时我们需要在同一测量面上测量好几个同一测量面上测量好几个声压值声压值，计算其平均声压级来表示该测量面上的声压级。n对于一点多次测量一点多次测量的结果，也需要计算平均声压级。n分贝的平均是以分贝和的公式为基础来进行计算，计算式如下：niLppLin11.01.01010)101lg(1011.0niLpinpL例4n试求下列测量值Lp1100dB、Lp298dB、Lp395dB、Lp497dB的平均值。