《声学基本知识》PPT课件

p L p 20 lg p0
p0 2 10 pa
5
声压级单位：分贝。
用声压级表示人耳听阈与痛阈范围是:0 ~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 。
P I c
2
2.声强和声强级：
（3）中心频率
f
f1
n
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。 f
2
噪声测量最常用的是倍频程中心频
f2 2 f 2
n
2
率和1/3倍频程中心频率
n 2
f
。
f 1 f / 2n 2
在均匀的理想流体中的小振幅声波的波 动方程为：
2 p 2 p 2 p 1 2 p 2 2 2 2 2 x x x c t
或
2 1 p 2 p 2 2 c t
在直角坐标系中：
x y z
在球坐标系中：
2 1 1 1 2 2 (r 2 ) 2 (sin ) 2 r r r r sin r sin 2
f
• 声音可以分解为若干（甚至无限多）频率分量的合成。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、8K、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。
（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 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。
在三维直角坐标系中： 运动方程
u 0 p t
0u t
消去p、u、ρ中任意两个
2 p 2 2 c p 2 t
连续性方程
可得声压波动方程
2u 2 2 c u 2 t 2 2 2 c 2 t
物态方程
p c2 t t
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。
c cT f
f 1 T
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。
（2）倍频程
f2 2 f1
n
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 f2 对数通常以 2为底 n log 2 ,单位称为倍频程 f1 (oct)。也可以以10 为底的对数表示,
此时单位为10倍程。 n —倍频程数，正实数 f1,f2—任一频程的上限和下限频率
2 T 2 1 2 2 2 n
当n=2时，
p p p
2 T 2 1
2 2
a.级的叠加（公式法）
由于：
p L p 20 lg p0
p 10
2
0.1L p
p
2 0
代入上式：
p p p 10
2 T 2 1 2 2 0.1L p1
p 10
2 0
0.1L p2
2 p0
p (10
'

0.1L p

△Lp
a.级的叠加：
当n个声源发生干涉时： n •先求出瞬时声压 p p1 p2 ... pn pi
i 1
•求出总声压的有效值 •求出总声压级
n 0.1L pi L pT 10 lg 10 i 1
b.级的相减
L pT 10 lg 10
（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：
p p p ... p

仪器测 的噪声
0.1L p
B
声源真 实噪声
0.1L p
S
10

B
LpS 10 lg 10

0.1L p
T
10
0.1L p

背景 噪声
b.级的相减
令：L pB L pT L pB
LpS LpT LpS 10 lg 1 10

0.1L p
B

b.级的相减：
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：
I LI 10 lg I0
I 0 10
12
W m
2
声强级单位：分贝。
声压级和声强级的关系：
I LI 10 lg I0
P I c
2
P 2 c P 0c0 LI 10 lg 20 lg 2 P c P 10 lg c 0 0 0 0
环境噪声控制工程
Chapter 2 声学基础知识
2.1 2.2 2.3 2.4 声音的产生和传播 声波的描述 声波的传播特性 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。
2.2.2 声波的物理量度
1.声压和声压级：
p ( P P0 )
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 T 2 pe p (tபைடு நூலகம்)dt T 0
1.声压和声压级：
日常生活中声音的声压数据 (Pa)
声音种类 声压 声音种类 声压
正常人耳能 听到最弱声 普通说话声 （1m远处） 公共汽车内
2X10-5 2X10-2 0.2
织布车间 柴油发动机、球 磨机 喷气飞机起飞
2 20 200
人耳感觉听阈到痛阈的范围是: 2ⅹ10-5 ~ 20 Pa
1.声压和声压级：
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：
2 0
0.1L p1
10
0.1L p2
)
a.级的叠加：
表示为声压级：
2 pT 0.1L p1 0.1L p2 L pT 10 lg 2 10 lg 10 10 p0


当n个声源时，
n 0.1L pi L pT 10 lg 10 i 1
a.级的叠加（查表、图法）：
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ζ比波长λ要小得很多，即ζ ＜＜ λ ； ◆ 质点振动速度u比声速c要小得很多，即 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。
位移 振幅 周相
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。
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)。
频率范围 (Hz) 声音 定义
<20 次 声 20-20000 <500 500-2000 >2000 低频声 中频声 音频声 高频 声 >20000 超
L pS L pT L pS
LpS 10 lg 1 10

0.1L p
B

L pT L pB
2.2.3 声波的类型
（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。
400 LI L p 10 lg c
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
W I S
球面辐射时： I W 2
4r
波阵面面积
c.声功率级
W LW 10 lg W0
令： 则：
Lp Lp1 Lp2 Lp2 Lp1 Lp
代入下式中：
L pT 10 lg 10

0.1L p1
10
0.1L p2


可得：
L pT 10 lg 10

0.1L p1
10
0.1 L p1 L p


a.级的叠加（查表、图法）：
L pT 10 lg 10

0.1L p1
10
0.1 L p1 L p



LpT Lp1 10 lg 1 10
令：
L 10 lg 1 10
'

0.1L p '


0.1L p

LpT Lp1 L
'
a.级的叠加：
LpT Lp1 L
'
L 10 lg 1 10
W0 10
12
W
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。 对于在自由空间内传播的平面声波而言：
p D 2 0c
2 e
5. 声音的频率分析(频程和频谱)
（1）频段及其划分
频段名称 频率范围（Hz）
次声
可听声 超声 特超声 热振动
10-4~20
20~2×104 2×104~ 5×108 5×108 ~ 1012 1012~ 1014
声音传播的实质: 声音的传播是物体振动的传播
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。
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
2.2.1 描述声波的基本物理量
x sin( 2ft )
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).连续性方程〈质量不灭定律的应用）——给出了u和ρ（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ρ之间的关系。 联立以上三个方程，即可求出波动方程-p、u和ρ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。
表 21.1℃ 时声速近似值（m/s）
媒质 名称 声速 空气 水 344 1372 混凝 土 3048 玻璃 3653 铁 5182 铅 1219 软木 3353 硬木 4267
2.2.2 声波的物理量度
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