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第二章声波的基本性质及其传播规律【课时安排】声波的产生及描述方法1学时声波的基本类型1学时级的概念1学时声波在传播中的衰减1学时总计4学时第一节声波的产生及描述方法【教学内容】1声波的产生2描述声波的物理量【教学重点】描述声波的物理量声压P、波长入、频率f、周期T、声速c、振幅【教学难点】声波的形成过程【教学目标】1理解声波的形成过程2掌握描述声波的各种物理一声波的产生1声源定义凡能产生声音的振动物体声源的振动是指物体或质点在其平【教学内容】声波传播过程的各种衰减Ad;随距离的发散衰减;Aa空气吸收的附加衰减;Ag:地面吸收的附加衰减;Ab声屏障衰减;Am气象条件对声传播的影响【教学重点】Ad随距离的发散衰减的计算【教学难点】Aa;空气吸收的附加衰减Am气象条件对声传播的影响【教学目标】掌握Ad随距离的发散衰减的简单计算了解Aa空气吸收的附加衰减,Am气象条件对声传播的影响声波在传播过程中除发生反射、折射和衍射等现象,并在传播过程中引起衰减,这些衰减包括Ad;随距离的发散衰减Aa空气吸收的附加衰减Ag;地面吸收的附加衰减Ab;声屏障衰减Am;气象条件对声传播的影响总衰减A=Ad+Aa+Ag+Ab+Am一Ad随距离的发散衰减Ad=201gr2/h假设以声源为中心的球面对称地向各个方rWWWW/=——=7/=—=rS4+s2/向辐射声能)Iw1Lz=101g-=101g--=101gJL空气中wo=10-12WIo=10-12W/m2L[=Lw-101gS=Lw-101g(4冗口)=L\v-201gr-ll(全空间)L[=Lw-l°lgS=Lw-l°lg(2兀口)=L\v-201gr-8(半空间)二空气吸收的附加衰减声波在空气中传播时,因空气的粘滞性和热传导,在压缩和膨胀的过程中,使一部分的声能转化为热能而损耗,这种吸收称为空气的经典吸收空气分子转动或振动时存在固有频率,当声波的固有频率接近这些频率时要发生能量交换,能量交换的过程都有滞后现象,这种现象称为驰豫吸收,它能使声速改变,声能被部分吸收420℃^8XIU1+/W三地面吸收的附加衰减Ag当地面是非刚性表面时,短距离,声能的衰减可以忽略,70米以上时不可忽略在厚草地或穿过灌木丛传播时衰减Ag=
0.181gf-
0.31d穿过树木或森林的声衰减Ag=
0.01f1/3d四声屏障衰减Ab声屏障衰减与声源及接受点相对屏障的位置、屏障的高度及结构,以及声波的频率密切相关五气象条件对声传播的影响Am雨、雪、雾等对声波的衰减量大约每1000米不到
0.5dB因此可以忽略,风和温度梯度对声波的传播影响很大衡位置附近进行的往复运动分类固体声源、液体声源、和气体声源2声源的形成声源的振动一声源周围弹性媒质(空气分之的振动)一周围空气分子的振动一A形成声波(传播的振动的形式和能量)(注意声波不能在真空中传播)横波质点的振动方向与声波的传播方向垂直;纵波质点的振动方向与声波的传播方向一致(在空气中声波中纵波,在固体和液体中即可能存在横波也可能存在横波)二描述声波的基本物理量1声压P:当声源振动时,邻近的空气分子受到交替的压缩和扩张,形成疏密相间的状态当空气变密时PPo(Po为平衡状态下的大气压强);当空气变稀时PPo所以p=P—Po单位为帕(Pa)称为声压2波长入在同一时刻,声波中两个相邻的最稠密区或最稀疏区之间的距离称为波长,单位为米(m)a3频率f单位时间内介质质点振动的次数称做声波的频率,记作f,单位为赫兹Hz人耳能听到的声音其频率一般在20Hz至20000Hz之间这个范围内的声音称为可听声高于20000Hz的声音称为超声,低于20Hz的声音称为次声蝙蝠、狗等动物可以听到超声,老鼠等动物可以听到次声在声频范围内,声波的频率愈高,声音显得愈尖锐反之显得低沉通常将频率低于300Hz的声音称做低频声;300-1000Hz的声音称做中频声,1000Hz以上的声音称做高频声4周期T振动重复一次的最短时间间隔,单位为秒s5声速c振动在煤质中传播的速度叫声速在任何一种媒质中的声速取决于该煤质的弹性和密度声音在空气中的传播速度还随空气温度的升高而增加声音在不同媒质中传播的速度也是不同的,在液体和固体中的传播速度一般要比在空气中快得多,例如在水中声速为1450m/s而在钢中则为5000m/mo空气中的声速c=
331.-4s+
0.61t实际计算时取为340m/s波长入、周期T和声速c之间的关系为入=c/f=cT6相位在任意时刻茱一质点的振动状态,包括该质点振动的位移和运动方向,或者压强的变化7振幅指通过零压力线测得的波峰或波谷的高度,在一个振动周期内平均压力为零,与振幅无关第二节声波的基本类型【教学内容】1声波的基本类型平面声波、球面声波、柱面声波2声能量、声强、声功率【教学重点】基本概念平面声波、球面声波、柱面声波、波阵面、声密度、瞬时声强、声功率等【教学难点】描述各种声波的波动方程【教学目标】1掌握平面声波、球面声波、柱面声波、波阵面、声密度、瞬时声强、声功率等基本概念2在已有数学和物理知识的基础上了解描述各种声波的波动方程.固体的振动产生声波,或当流体越过、环绕或穿过固体孔洞时流体分离产生声波空气压缩使空气局部密度和压力增加;相反,膨胀则使密度和压力减小.这些交替的压力变化即是人耳所听到的声音.空气交替压缩与膨胀产生的正弦波:在均匀的理想流体煤质中小振幅声波的波动方程式中:拉普拉斯算将,在直角坐标系中声压n是空间和时间的函数记为}c}...、u描述不同时刻的声压变化规律波振面一空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线根据声波传播时波振面的形状不同将声波分为:平面声波、球面声波和林面声波一平面声波波阵面空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线平面声波声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面,通常可以将各种远离声源的声波看作平面声波若将振动活塞置于均匀直管的一端,,另一端伸向无穷远当活塞在平衡位置作小振幅往复运动时,在管内任一截面上各质点将同时受到压缩或扩张,具有相同的振幅和相位,就形成了平面声波二球面声波概念当声源的几何尺寸比声波波长小得多时,或者测量点离声源相当远时,则可以将声源看成一个点,称为点声源在各项同性的均匀媒质中,从一个表面同面同步胀缩的点声源发出的声波是球面声波三柱面声波概念波振面为同轴圆柱面的声波其声源一般可视为“线声源”四声能量、声强、声功率1声能量声波在媒质中传播,一方面使媒质在平衡位置附近做往复运动产生动能,同时又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程,具有形变的势能声能量=动能+势能;声密度声场中单位体积媒质所含有的声能量,记为DJ/m32声强声强是衡量声音强弱的一个物理量瞬时声强声场中,在垂直于声波传播方向上,单位时间内通过单位面积的声能称做声强常以I表示,单位为w/m20声强实质是声场中某点声波能量大小的度量,声场吊窠点声强的大小与声源的声功率、该点距声源的距离、波阵面的形状及声场的具体情况有关通常距声源愈远的点声强愈小,若不考虑介质对声能的吸收,点声源在自由声场中向四周均匀辐射声能时,距声源r处的声强为/一4一式中I一距点声源为r处的声强w/m2;W—点声源功率w若S表示包围声源的封闭面面积,声功率W和声强I的关系为W=”滥式中是声强在微元面积dS法线方向的分量3声功率声源在单位时间内辐射的总声能量称为声功率常用W表示单位为瓦w声功率是表示声源特性的一个物理量声功率越大,表示声源单位时间内发射的声能量越大,引起的噪声越强声功率的大小,只与声源本身有关W=IS第三节级的概念【教学内容】1分贝的概念2声压级、声功率级、声强级3级的叠加、级的相减【教学重点】基本概念分贝、声压级、声功率级、声强级级的叠加、级的相减的计算【教学难点】级的叠加、级的相减的计算公式的使用【教学目标】掌握分贝、声压级、声功率级、声强级等基本概念掌握级的叠加级的相减的简单计算引1)生活中声音强度变化范围相当宽,人正常说话声功率为10-5w而强力火箭发射时的声功率为10-9W相差1014数量级2)人耳对声音强度的感觉不正比于强度的绝对值,而更接近对数值一分贝的定义级对被量度量与基准量的比值求对数,这个对数值称为被量度量的“级分贝如果所取对数是10为底,则级的单位为贝尔(B)分贝贝尔的单位太大,将贝尔分为10档,每一档则称为分贝(dB)二声压级、声强级、声功率级1声压级声压级=201gdBPo尸.•被量度量的声压的有效值,po基准声压2X10-5Pao2声强级声强级L=201g-^-dB/o为基准声强,I-%w/m2o在空气中,10取10-12w/m2对于平面声波,pc则:=101gf叫+101gmlPoIpcIo在一个大气压下,
38.9℃的空气中,Pc=400pa.s/m止匕时L1心Lpp°3声功率级:W=101gW/W,空气中Wo=10-12W对于给定的声源,其声功率是不变的三级的叠加pT2=pi2+p22+^+pn2n=2时Lpi=101gpi2/p02Lp2=101gp22/p02pt2=po
2.1001Lplp22=po
2.1001Lp2Pt2=P12+P22=Po
2.1001Lpl+1001Lp2LpT=101gpT2/p02=101g1001Lpl+1001Lp2LpT=101gE1001Lpi当两个不同的噪声源同时作用在声场中同一点上,如果两个声源单独作用产生的声压级分别为Lpl和Lp2且LpGLp2;为计算方便,列出表7-1Lpl-Lp2差值相对应的增值AL这点的总声压级LpT为两个声源Lp】-Lp2差值与增值AL的对应关系L口T—Lp、+ALdB四级的相减LpT=101g10+0-1LpB
100.1LpS.Lps=101g1001LpT_虫
0.1LpB第四节声波在传播中的衰减LpiLp2ALLpi-Lp2AL
0361.
012.
570.
822.
180.
631.
890.
541.
5100.
451.
2110.3。