声学原理-第二讲-2013

16
8
§1.2.3 声功率、声强及平方反比定律
声功率——声源振动时，每秒钟所发射出的声能量 叫声功率。 声强——在声波中，波阵面上每单位面积传递的声 功率叫声强，单位是w/m2。 平方反比定律——平面声波波阵面都一样大小，传 递的功率相同所以声强不变。但声源传递的功率是不 变，球面声波面积（4πr2，r为球半径）随r改变，所 以球面波的强度与距离的平方成反比，越远越弱，这 称为平方反比定律。
4
2
波峰（crests）波谷（troughs）
横波的波峰 和波谷是介 质离静止点 最远的点。
纵波的密部 对应于横波 的波峰。
5
振幅（amplitude ）
横波的振幅是介质静止位置到波峰或波谷的距离。
纵波的振幅是度量介质变得紧凑或稀疏程度的量。
6
3
波长（wavelength）频率（frequency）
14
7
§1.2.2 声波的性质
SPL 线谱 HZ 连续谱 HZ 混合谱 HZ
15
§1.2.2 声波的性质
G.S.Ohm(1787-1854)首先提出了音乐的声音是由 音 音 许多频率的简谐振动合成的概念，他还认为人耳能把 任何一个复杂的声音分解成一组简谐音调。这在数学 上就是所谓的Fourier分解。
SPI 10 lg I / I 0 ; I 0 10 12 w / m 2
（1-2-3）
但在声学中，强度和功率都难以直接测量（70年代中期 兴起的声强测量热，现在正发挥着越来越重要的作用）， 所以常用的是声压 因为声压是可以经传声器接受变为电 所以常用的是声压，因为声压是可以经传声器接受变为电 压，然后可用电学方法测量、分析。声压有正有负（象交 流电压一样），一般讲声压是指它的有效值（平方平均值 的根，简称均方根值），和电压相似。
13
§1.2.2 声波的性质
纯音 最简单的声音称为纯音。例如，音叉的声音就是纯 音 声压 质点速度或质点位移作为距离或时间的函数 音。声压、质点速度或质点位移作为距离或时间的函数 ，画出来为正弦曲线。 复音 实际生活中纯音是比较少的，一般的声音常包含许 多甚至无穷多纯音，称为复音。它的波形就不是正弦波 了。纯音就是复音的分离，把分音按频率次序排列起来 所得到的图称为频谱，这是表示波形的一种方法。
0.00063Pa 0.63Pa 3dB 90dB
耳语 地铁
交谈 喷气飞机
0.02Pa 630Pa
60dB 150~170dB
听觉——0.00002Pa 0 00002Pa；痛觉 痛觉——20Pa 20Pa 听阀——0dB； 痛阀——120dB 根据声压级、声功率级、声强级的定义即可以进行分 贝的计算，要点是两个声源辐射的声压级不能线性相加。
1
§1.2.1 声波的分类
声音和声波
一定频率的机械振动在弹性媒质中传播形成声音，这种机械波称为声波
声源
形成声波的振动源称为声源
次声波和超声波
人耳能感觉到的频率为20Hz～20kHz 频率高于20kHz的声波称为超声波 频率低于20Hz的声波称为次声波
波的分类
根据波的运动方式，可将其分为：横波（transverse waves）、 纵波（longitudinal waves）、表面波（surface waves）视频
22
11
§1.2.4 声强级和声压级（续）
声强和声压的平方成正比，相当于1Pw / m 2 的声压是20μPa ，所以声压级的基准值取为20 μPa， SPL 20 lg g P ' / P0' ; P0' 20Pa （1-2-4 1 2 4）
P0' 2.0 10 5 1 5 P0 1.013 10 50亿
§1.2 声波及声学量的基本定义
§1.2.1 声波的分类 §1.2.2 声波的性质 §1.2.3 声功率、声强及平方反比定律 §1.2.4 声强级和声压级 §1.2.5 1 2 5 球面波、平面波和柱面波 球面波 平面波和柱面波 §1.2.6 补充：次声的危害与应用
§1.2.1 声波的分类
机械波
波（wave）是把能量从 ）是把能量从一 个地方传播到另一个地方 的扰动。需要通过介质（ medium）才能传播的波称 为机械波（mechanical waves）。当一个能量源 引起 种介质的振动时 引起一种介质的振动时， 波就产生了。
15
§1.2. 1.2.6 6 补充：次 补充：次声的危害与应用
次声的声波频率很低，一般均在20赫兹以下，波长却很长，传播距离 也很远．它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远．例如，频率 低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方。 次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还 能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞 机都不在话下。次声穿透人体时，不仅能使人产生头晕、烦躁、耳鸣 、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木 ，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤。次声波 对心脏影响最为严重，最终可导致死亡。
s
（1-2-1） （1-2-2）
单位dB（分贝）由此，0dB 0dB=1PW 1PW，人演讲的功率是80dB。
19
表1.2.1 声功率和声功率级
20
10
图1.2.2 声功率和声功率级
21
§1.2.4 声强级和声压级
声强的基准值（声强级0分贝的值）一般取为1Pw/m2。 这差不多是刚能听见的频率为1000Hz的声音，用这个基 准值，所有能听到的声音都比它大，表示起来很方便。声 强的意义很清楚，每单位面积的声功率。
23
§1.2.5 球面波、平面波和柱面波
声波按照运动形式的不同可以分为平面波、球面波和柱面波
12
§1.2.5 球面波、平面波和柱面波
球面波——当一个小声源均匀地向各方向辐射声音 时 声波在同 时刻到达的点成 球面 这个球面叫 时，声波在同一时刻到达的点成一球面，这个球面叫 作波阵面，这种声波叫做球面波。一般地在离声源较 远处（与声源尺寸相比），声波都可以看作球面波。
11
§1.2.2 声波的性质
声波的传播 声波是纵波 空气质点只在原地振动 振动方向与传 声波是纵波，空气质点只在原地振动，振动方向与传 播方向相同。在这一点上，声波与水波不同，水波传播时， 水的质点基本是上下振动，与传播方向垂直，称为横波。 在流体（气体与液体）中只能有纵波，在流体表面只有横 波；在固体内可以有纵波也可以有横波，但在固体表面也 只有横波 从广义来说 以上都是声波 只有横波。从广义来说，以上都是声波。
25
平面波
平面波——声波如果沿管道传播，波阵面就是一系列与轴 垂直的平面，这种声波就是平面波。在距声源很远的地 方 球面波的局部（在较小范围内）也可以看作平面波 方，球面波的局部（在较小范围内）也可以看作平面波。
13
柱面波
柱面波——柱面波是波阵面为同轴柱面 的波。 一个理想的线声源所发出的声音会形成 柱面波，线声源由一串距离相等的单元 组成 。想在无限均匀媒质里有一无 限长的均匀线声源，它所产生的波就是 理想的柱面声波。在柱面声波中，声压 振幅沿轴向分布是均匀的，沿径向与距 轴的距离平方根成反比。其径向声强与 离轴的距离的一次方成反比。
12
6
§1.2.2 声波的性质
声波速度的影响因素 声音每秒钟振动的次数——频率f （Hz），声波同相 点相隔的距离——波长λ（m），则声速c= λ f。 在任何媒质中，声波传播都是弹性与惯性的 矛盾产物；因 此声波速度（传播速度）只和物质的性质有关。 在空气中声速在15℃时为340m/s，温度每升高1度， 速度增加0.6m/s。在有些情况温度不易甚至不可能直接测 量温度时，可以通过测量声速的方法来得到温度。例如， 几十公里高空大气的温度 核反应堆内温度 海洋内部结 几十公里高空大气的温度、核反应堆内温度、海洋内部结 构的温度、重度等、甚至地球内部结构，测声速（空间各 点）是唯一的方法。在海水中，声速约为1500m/s；在钢 铁中约为5000m/s，温度影响较小。
横波的波长是波 峰与波峰之间的 距离； 纵波的波长是密 部与密部之间的 距离。 波的频率：指单位时间内通过给定点的完整波的个数。 速度= 波长×频率
7
思考题:
1、波是怎么传播的？ 2、什么东西携带着波？ 3、是什么产生了波？ 是什么产生了波？ 4、波的种类？各举一例。 5、声波在传播中遇到障碍物，会进入 障碍物吗？ 6、人们常利用打桩机产生的振动来拆 毁路面，你认为打桩机在地面下产生了哪 毁路面 你认为打桩机在地面下产生了哪 种类型的波？为什么？
球面波与柱面波的比较
球面波在扩声中声音以三维方向传播，距离加倍时声压级衰减6dB
柱面波的波阵面则只在两维方向传播，距离加倍时声压级衰减3dB。
14
声线与声象
波阵面 声射线 声射线
平面波 波阵面
声射线
截面图
波阵面 波阵面
球面波
声射线
29
§1.2. 1.2.6 6 补充：次 补充：次声的危害与应用
1890年， 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然 神秘地失踪了． 20年后，人们在火地岛海岸边发现了它．奇怪的是：船上 的一切原封未动．完好如初．船长航海日记的字迹仍然依稀可辨；就连那些 死已多年的船员，也都“各在其位”，保持着当年在岗时的“姿势”； 1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员 莫名其妙地死光；在匈牙利鲍拉得利山洞入口， 3名旅游者齐刷刷地突然倒 地，停止了呼吸...... 经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很 了解的次声的声波．次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波。
17
声功率
声功率范围 - 一艘宇宙飞船的大型助推火箭所发声功率等于一架 喷气载客飞机的总功率； - 一架喷气载客飞机发声功率约等于一辆载重汽车的 总功率； - 大约四十万人齐声演讲所发的声功率毫无损失地变 为电能，才能点燃一个40w的电灯泡； - 全世界所有的人齐喊的声功率比不过一台大型火箭 发动机； - 一般声源功率都远远小于1瓦。