第3章 声波的基本性质
声音的基本性质(传播特性)
声音的共振与共鸣 • 声音的振动和传播过程中，有一种很重要的物理 现象——共振，也叫共鸣。 • 定义：当策动力变化的频率跟物体的固有频率相 一致时，振动的振幅就会特殊地增大到最高峰值， 这种现象叫共振。
• 例一：部队行军步伐的振动频率与桥梁的固有振动 频率相一致时，会因共振的产生而坍桥。 • 例二：暖水瓶接水，听到的声音会由低频逐渐变成 高频率声音。水流击水产生的声音频宽很宽，即有 低频、又有高频。刚接时瓶的空间大固有振动频率 低，水流击水的低频音产生共振，低频加强，快满 时，水瓶的空间变小，共振腔变小，共振频率提高， 与水流击水产生的高频音产生共振，高频加强，即 听到高频音。
声音传播的基本特征
声波的反射与透射
声波在传播路径上常会遇到各种各样的“障 碍物”。例如，声波从一种媒质进入另一种媒质时， 后者对前一种媒质所传的声波来讲就是一种障碍物。 众所周知，当投掷一个物体时，物体碰到一块 挡板以后就会弹了回来；但是如果在声的传播路径 上放置一块挡板，则一般地讲来，会有一部分声波 反射回来，同时也有一部分声波会透射过去。例如， 一垛普通的砖墙既可以隔掉部分声音，但又不能把 全部的声音都隔掉；一垛木板墙将有更多的声音被 透射进去。声波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ这种反射、透射现象也是声传播 的一个重要特征。
声波的绕射
波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫 做波的绕射或衍射
一切波都能发生绕射，其程度与波长、障 碍物的大小有关。 只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长 相差不多或者比波长更小时，才能观察到明显 的衍射现象.
声音的散射：
当声波波长大于障碍物尺寸但在 10 倍以内时，障碍 物会化成一个声源使声波向四周散射，这种现象叫 声波的散射。 例一：声源处于人的背后时，由于人耳壳的遮蔽作 用，声源中低频音会绕过耳廊使人听到，而声源中 的高频音则在人耳处形成声影区使其减弱。
描述声波的特性及其应用
描述声波的特性及其应用一、声波的特性1.定义：声波是机械波的一种，是由物体振动产生的，通过介质（如空气、水、固体等）传播的波动现象。
2.分类：根据传播介质的性质，声波可分为空气声波、水声波和固体声波等。
3.频率：声波的频率是指声波振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
人耳能听到的声波频率范围约为20Hz～20000Hz。
4.波长：声波的波长是指相邻两个声波峰或声波谷之间的距离。
声波的波长与频率成反比。
5.速度：声波在介质中的传播速度与介质的性质有关。
在常温下，空气中的声速约为340米/秒。
6.能量：声波具有能量，其能量与振幅有关。
振幅越大，声波的能量越大。
7.方向性：声波在传播过程中，能量会向四面八方扩散，具有一定的方向性。
二、声波的应用1.通信：声波在空气中传播，可应用于语音通信、广播、电视等领域。
2.医学：声波在生物体内传播，可用于超声波诊断、超声波治疗等。
3.工业：声波在材料中传播，可用于无损检测、声纳测距等。
4.音乐：声波在空气中传播，可应用于音乐演奏、录音等领域。
5.环境监测：声波可用于监测噪声污染、评估生态环境等。
6.军事：声波在水中传播，可用于水下通信、潜艇探测等。
7.科学研究：声波在地球内部传播，可用于地质勘探、地震监测等。
8.生物：声波在生物体内传播，可影响生物的生长、发育和行为。
9.教育：声波可用于教学演示、实验验证等。
10.日常生活：声波可用于各种声控设备、报警系统等。
综上所述，声波是一种具有广泛应用前景的波动现象。
了解声波的特性及其应用，对于中学生来说，有助于培养对物理学科的兴趣和认识。
习题及方法：1.习题：声波的频率是多少？解题方法：声波的频率是指声波振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
例如，人耳能听到的声波频率范围约为20Hz～20000Hz。
2.习题：声波的波长与频率之间的关系是什么？解题方法：声波的波长与频率成反比。
频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。
3.习题：声波在空气中的传播速度是多少？解题方法：在常温下，空气中的声速约为340米/秒。
《医用物理学》 声波的基本性质
同一声压下，Z愈大，介质质元获得的振动速度愈小； 反之则反。
三、声强(intensity of sound)
定义：声波平均能流密度的大小 即声波的强度
I 1 u 2 A2 pm2 pe2 pe2
2
2u u Z
4.1 声波的基本性质
四、声的反射和折射
声强反射系数（ rI ）：反射波与入射波强度之比. 声强透射系数（ I ）：透射波与入射波强度之比
4.1 声波的基本性质
p
uA
cos t
y u u
2
声压幅值 pm uA
Vm A
有效声压
pe
pm 2
uA
2
uVm
2
4.1 声波的基本性质
二、声阻抗(acoustic impedance)
Z
p
pm uA u 单位：瑞利 m A
Pa s m1
声阻, 仅由介质的性质决定
i (incidence); i(reflect) r (transmission)
垂直入射时：
rI
Ii Ii
Z Z
2 2
Z1 Z1
2
Ii Ii
Z1
I
Ir Ii
4Z1Z 2 Z1 Z2 2
Z2
Ir
4.1 声波的基本性质
2
rI
Ii Ii
Z Z
2 2
Z1 Z1
I
Ir Ii
4Z1Z 2 Z1 Z 2 2
4.1 声波的基本性质
机械波
次声波：< 20Hz 声 波：20-20000Hz （sound wave） 超声波：> 20000Hz
4.1 声波的基本性质
一、声压(sound pressure)
声波的基本性质
纵波
横波（SV）
横波（SH）
表面波－－沿无限大固体介质自由表面传播的波。
制导波－－在有限空间传播的波。（兰姆波、 斯通利波）
波动方程。
2 p x2
1 c02
2 p t 2
C0 为声波传播速度。
声波在介质中的传播速度指声场能量单位时 间的传播距离。
其大小与介质声学性质、介质体密度及声波 类型有关。与声场强度无关。
声波在介质中传播时，致使介质质点产生 振动，质点振动速度不同于声波传播速度。 质点振动速度与介质、声场强度、声波类型 有关。
单位：帕（N/㎡）。1帕=1 N/㎡
1标准大气压(bar)＝1.01325105 Pa (帕)
同理，由声扰动造成的密度的变化量也是位 置和时间的函数。
' 0 '(x, y, z,t) 0、－声扰动前、后的介质密度； ' 密度变化量。
声场－－存在声压的空间。 有效声压－－一周期内瞬时声压的均方根值。
d
)s
P为压强。
讨论：1、理想气体 C 的表达式。
理想气体的绝热方程
PV const.
对于一定质量的理想气体，有
P
const.
由此得：c2 P
P为理想气体的压强。 C 为声波在流体中的传播速度。
2、一般流体
c2
( dp
d
)s
dp
(
d
)
s
m V const.
Vd dV 0
d
声传播的基础知识
其三角函数表达式为：
ppacots (k)x
对简谐波有：
2f c f
k/c2 /
声波作为一种振动运动，其主要的描述物
理量有：
（1）频率 f
人耳可闻的声波频率约为20~20kHz， 亦称为“声频声”。相对于 “声频声”有 “次声”和“超声”的概念。
不同声学研究领域的声波频率范围：
• 研究表明：无论是经典吸收还是驰 豫吸收，都与空气的气压、温度、湿度 密切相关。特别是空气的湿度对分子振 动驰豫的影响很大。
• 在环声工程中，可采用如下公式：
（2）有限长线声源：
p2
W
2r0l
0c02
1
W——总辐射声功率； l——线声源长度。
当观察点离线声源较近，视角 21 ：
p2
W 2r0l
0c0
——柱面波
当观察点离线声源很远，视角 21 lco /r ：s
p2
W
2r2
0c0
——球面波
（公式推导：参见《环境声学基础〉P18图1.10）
• 二、空气吸收对声传播的影响 • 1、经典吸收
• 在工程上，声压级的叠加计算还可以 采用计算表计算：
（参见建声P10表1-3）
• 四、声信号的频率特性、时间特性和指 向性
• 1、频率特性
自然界中各种声音信号，如语言声、 音乐声、机器噪声、风雨声等，都不是 单频的声音，而是包含多种频率成分的 “复音”。不同的声音其含有的频率成 分及各频率上的能量分布是不同的。将 这种声能按频率标定的分布图，就称为 声信号的频谱。
fm f1f2
• 2、时间特性 声信号的时间特性也有多种多样，如连续
稳定的、间断的、起伏变化的、脉冲性的等等， 大致可分类为：
声波的基础特性与应用
声波的基础特性与应用声波是一种机械波，是由物质的震动传播而产生的波动现象。
声波在空气、水、固体等介质中传播，是人类日常生活中不可或缺的一部分。
本文将介绍声波的基础特性以及其在各个领域中的应用。
### 声波的基础特性声波是一种纵波，其传播方向与振动方向一致。
声波的传播速度取决于介质的性质，一般在空气中的传播速度约为343米/秒。
声波的频率决定了声音的音调，频率越高，音调越高。
而声波的振幅则决定了声音的大小，振幅越大，声音越响亮。
声波的传播遵循波动方程，可以用以下公式表示：$$v = f \times \lambda$$其中，$v$表示声波的传播速度，$f$表示声波的频率，$\lambda$表示声波的波长。
声波的波长与频率成反比关系，频率越高，波长越短。
### 声波在医学领域的应用在医学领域，声波被广泛应用于超声波检查和超声波治疗。
超声波检查利用声波在人体组织中的传播特性，通过探头发射声波并接收回波来获取人体内部器官的影像，用于诊断疾病。
超声波治疗则利用声波的机械作用，对人体组织进行治疗，如碎石治疗、肿瘤消融等。
### 声波在通信领域的应用在通信领域，声波被应用于声纹识别技术。
声纹识别是一种生物特征识别技术，通过分析个体的声音特征来进行身份识别。
声波在此过程中起到传输和识别信息的作用，具有较高的安全性和准确性。
### 声波在工业领域的应用在工业领域，声波被应用于无损检测技术。
超声波无损检测是利用声波在材料中传播的特性，通过检测声波的传播时间和回波强度来判断材料内部是否存在缺陷，如裂纹、气孔等。
这种技术可以帮助工程师及时发现材料缺陷，确保产品质量。
### 声波在生活中的应用除了以上领域，声波在生活中还有许多其他应用。
例如，声波在音响系统中的应用，使人们能够享受高品质的音乐和影视体验；声波在声纳系统中的应用，用于水下通信和探测；声波在声波清洗中的应用，可以去除物体表面的污垢等。
总的来说，声波作为一种重要的机械波，在各个领域都有着广泛的应用。
声波的基本性质及其传播规律
一. 垂直入射声波的发射和透射
• 当声波入射到两种媒质的界面时,一部分会 经界面反射返回到原来的媒质中，称为反 射波,一部分将进入另一种媒质中称为投射 波. • 示例见图2-6
二. 斜入射声波的入射.反射和折射
• 当声波倾斜入射于两媒质的界面时,会产生 声波的反射和折射. • 反射波与法向成Qr角,在第二个媒质中,透射 声波与法向成Qt角,投射声波与入射声波不 再保持同一传播方向，形成声波的折射。 • 入射声波.反射声波与折射声波的传播方向 满足Snell定律 • 反射定律:Qi=Qr • 折射定律:sinQi/sinQr=c1/c2
三. 声波的散射与衍射
如果障碍物的表面很粗糙或者其大小与 波长差不多,入射声波就会想各个方向散射. 总声场是由入射声波与散射声波叠加而成 的.对于低频情况,在障碍物背面散射波很弱, 总声场基本等于入射声波产生的声场，即 入射声波能够绕过障碍物传到其背面形成 声波的衍射. 波长越大,衍射现象越明显.
五. 声能量.声强.声功率
• 1. 声能量 声波使媒质质点在平衡位置附近往复运 动,产生动能;其又使媒质产生了压缩和膨胀 的疏密过程,使媒质单位体积媒质所含有的声能量称 为声能密度.
• 2. 声强 声场中某点处与质点速度方向垂直的单位 面积上在单位时间内通过的声能称为瞬时 声强,对于稳态声场,声强是指瞬时声强在一 定时间T内的平均值.
二. 球面声波
• 声源的几何尺寸远小于声波波长时,或者测 量点离声源相当远时,可以将声源看成一个 点,称为点声源. • 在各相同性的均匀媒质中，从一个表面同 步胀缩的点声源发出的声波是球面声波,也 就是在以声源为球心,以任何R值为半径的 球面上声波的相位相同. • 球面声波的一个重要特点:振幅随传播距离 R的增加而减少，二者成反比关系.
声波的基本特性与声速
声波的基本特性与声速声波是由物体振动产生的机械波，可以在气体、液体和固体中传播。
声波在我们日常生活中起着重要作用，它具有一些基本特性，并且传播速度也是一个重要参数。
一、声波的基本特性声波具有以下几个基本特性：1. 频率：声波振动的频率决定了声音的音调，单位为赫兹(Hz)。
频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。
人类可以听到的频率范围约为20 Hz到20,000 Hz。
2. 波长：声波的波长表示声波一个完整振动的空间长度，通常用λ表示，单位为米(m)。
声波的波长与频率成反比关系，即频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。
3. 振幅：声波振动的振幅表示了声音的强度或音量，通常用声压表示，单位为帕斯卡(Pa)。
振幅越大，声音越响亮；振幅越小，声音越轻柔。
4. 声速：声速是声波在介质中传播的速度，通常用v表示，单位为米每秒(m/s)。
声速与介质的性质有关，例如在空气中的声速约为343 m/s，而在水中的声速约为1500 m/s。
二、声速的影响因素声速的大小受以下几个因素的影响：1. 温度：声速与温度呈正相关关系，温度越高，声速越大。
这是因为在高温下，分子的热运动加剧，导致声波传播的速度增加。
2. 介质的类型：不同的介质具有不同的声速。
一般而言，固体的声速最高，液体次之，气体最低。
这是因为固体分子之间的相互作用力较大，导致声波传播速度较快。
3. 介质的密度和弹性系数：介质的密度越大，声速越小；弹性系数越大，声速越大。
这是因为密度和弹性系数反映了介质中分子的紧密程度和分子之间相互作用的强度。
4. 湿度：湿度对声速的影响较小，一般可以忽略。
但在特定情况下，比如高湿度和高温下的空气中，湿度的增加会略微降低声速。
三、应用与意义声波的基本特性和声速在许多领域都有广泛的应用与意义。
1. 声音传播：声波的传播使我们能够听到声音。
声波在空气中的传播使得我们能够进行语言交流，而声波在固体和液体中的传播也被用于水中通讯、超声波成像等领域。
声波的基本概念与特性
声波的基本概念与特性声波是一种机械波，通过传播介质的震动引起的，能够使人的耳膜振动并产生听觉的波动。
声波在生活中无处不在，我们可以通过声音来感知和交流。
本文将介绍声波的基本概念和特性。
一、声波的基本概念声波是一种机械波，需借助介质传播，无法在真空中传播。
声波通过介质中的分子间碰撞传递能量，以压缩和稀疏的形式传播。
声波的传播速度与介质的性质有关，一般固体传播速度最快，液体次之，气体最慢。
二、声波的特性1. 频率：声波的频率是指单位时间内波动周期的次数，单位为赫兹（Hz）。
频率越高，音调越高。
人类听觉范围一般为20Hz到20kHz。
2. 波长：声波的波长是指一个完整波动的起点到终点的距离。
波长和频率成反比关系，即频率越高，波长越短。
3. 振幅：声波的振幅是指波动的幅度大小，可理解为声音的大小或强度。
振幅越大，声音越响亮。
4. 声速：声速是声波在特定介质中传播的速度，单位是米每秒（m/s）。
在空气中的声速约为343m/s。
5. 声级：声级是用来描述声音强度的一种物理量，单位为分贝（dB）。
声级的计算公式是：L = 10lg(I/I₀)，其中I是声音的强度，I₀是人能听到的最小声音的强度。
声级的增加代表声音的响度增加。
三、声波的应用声波的特性使其在各个领域有广泛的应用：1. 通信领域：声波可以作为电话、无线对讲机等通信工具中的信号传输媒介，用于语音通信。
2. 医学领域：超声波是一种高频声波，可以在医学检查中进行成像，常用于观察胎儿、内脏器官等。
3. 工业领域：声波在工业领域中被广泛应用，如声纳用于水下探测、超声波清洗等。
4. 音乐领域：声波是音乐的基础，不同频率和振幅的声波通过乐器演奏出不同的音调、音色。
5. 环境监测：声波可以用于环境噪音监测和控制，通过测量噪音的强度和频谱来评估环境的噪声状况。
总结：声波是一种机械波，通过介质的震动传播，并引起人的听觉感知。
声波具有频率、波长、振幅、声速和声级等特性。
声波的基本性质及传播规律
垂直于传播 相互平行 方向的平面 的直线 以任何值为 由声源发出 半径的球面 的半径线 同轴圆柱面 线声源发出 的半径线
球面声波
点声源
p r, t
p pA
pA cos(t kr ) r
柱面声波
线声源
2 cos(t kr ) kr
2.3 描述声波的基本物理量
声压：压强的改变量(p′- p0)(Pa)
DI是指向性指数，
DI 10 lg R
Lp LW 20lg r 11 DI
r2 L 20 lg r1
2.7.2 点声源在半自由空间中的辐射
某一方向θ上的声压级计算
上次课内容回顾
声压和声压级、声强和声强级、声功率和声功率级
声压级的叠加
Lp 10lg(10
i 1
n
0.1Lpi
)(dB)
3 2 1 0
81dB、 72dB 、 78dB、81dB
0
5
10
15
分贝相加曲线
上次课内容回顾
声压级的相减
熟悉倍频程的 概念和划分
0.1Lp 2
Lp1 10lg(10
2.声波的基本性质及传播规律
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 声波的产生和传播 声波的类型 描述声波的基本物理量 声波的频率和噪声的频谱 声波的叠加（级的叠加） 声波的反射、折射和衍射 声源的辐射 声波在传播中的衰减
2.1 声波的产生和传播
声源振动
纵波和横波 声场
弹性媒介振动
Lp（dB）
f2 n 2 f1
Lp（dB） Lp（dB）
离散谱
f（Hz）
连续谱
第3章 声波和超声波
痛域曲线: 痛域曲线
1000HZ:
1 W.m-2
15.
听觉区域(auditory region): 由听阈曲线、痛阈曲线、20 由听阈曲线、痛阈曲线、 听觉区域 赫兹线、 赫兹线所围成的区域—称为听觉区域 赫兹线、20000赫兹线所围成的区域 称为听觉区域。 赫兹线所围成的区域 称为听觉区域。
16.
7.
一. 声波的基本概念
能够使听觉器官引起声音感觉的波称为声波。 能够使听觉器官引起声音感觉的波称为声波。 声波是机械振动在弹性媒质中产生的纵波。 声波是机械振动在弹性媒质中产生的纵波。 声波 频率范围 次声波 超声波 水 肌肉 密质骨 空气 20Hz ~ 20000Hz 低于20Hz 低于 高于 20000Hz 1480 m s-1 1570 m s-1 3600 m s-1 331 m s-1
4. 空化作用
pm = ρuA ω
34.
在强大的声压下， 在强大的声压下，液体被拉断而出现微小空腔
二. 超声波的产生
电致伸缩 压电晶体 把压电晶体放在高频电场中， 把压电晶体放在高频电场中，利用其压电伸缩的性 在媒质中产生超声波---逆压电效应 电能—机械能 逆压电效应： 质，在媒质中产生超声波 逆压电效应：电能 机械能
四. 声强级和响度级
人耳能感觉到的声音的声强变化范围很大， 人耳能感觉到的声音的声强变化范围很大， 数量级相差有10 数量级相差有 12倍 人耳对声音的主观感觉到的强弱更接近于和 声强的对数成正比。 声强的对数成正比。
声 波
1、声强级 、
I L = lg I0
单位:贝尔(B) 单位:贝尔(B)
通常取1000 声音的听阈值 通常取1000 Hz 声音的听阈值I0=10-12W•m-2 m 作为标准参考声强
波的性质和声音传播
声音的传播速度
声音传播速度与介质有关，在固体中传播最快，其次是液体，最后是气 体。
声音在真空中的传播速度是最快的，为343米/秒。
声音在不同介质中的传播速度不同，但都随着温度的升高而增大。
声音的传播速度还受到声源和接收器距离的影响，距离越远，传播速度 越慢。
声音的传播介质
固体：声音通过固 体传播时，速度较 快，能够传递更多 的信息
声波的应用
声音信号传输
声波在通信中的 应用，如电话、 广播和电视
声波在医学领域 的应用，如超声 波诊断和声波治 疗
声波在军事领域 的应用，如声呐 和声音武器
声波在环境监测 中的应用，如声 音传感器和噪声 控制
声音传感器
声波传感器是一种能够将声音信号 转换为电信号的装置，广泛应用于 声音检测、语音识别等领域。
波的性质和声音传播
汇报人：XX
波的性质 声音传播 声波的特性 声波的应用 声波的传播规律
波的性质
波动现象
波动现象的定义和分类 波动的基本特性：振动、传播和干涉 波动方程和波动速度 波动在声学、电磁学等领域的应用
波的分类
机械波：由物体振 动产生的，如声波、 水波
电磁波：由电磁场 变化产生，如无线 电波、光波
声波的干涉和衍射
干涉：当两个或多个 声波相遇时，它们会 相互叠加，形成加强 或减弱的现象，从而 影响声波的传播。
衍射：声波遇到障碍 物时，会绕过障碍物 继续传播的现象，这 是声波的波动性质所 决定的。
衍射现象在日常生 活中比较常见，比 如我们常说的回声 ，就是声波在传播 过程中遇到障碍物 后返回形成的现象 。
声波的传播规律
声波的反射和折射
声波遇到障碍物时会 发生反射，反射波与 入射波的传播，会发 生折射，折射角与入 射角和介质间的关系 有关
声波的基本特性与传播
声波的基本特性与传播声波是一种通过介质传播的机械波，它是由物体振动引起的，能够在流体、固体和气体等介质中传播，声波是人类与周围环境进行交流的重要方式之一。
本文将介绍声波的基本特性以及其在传播过程中的相关知识。
一、声波的产生声波的产生是由振动物体引起的，当物体振动时，会导致周围的介质也发生振动，从而形成了声波。
振动物体的振动越快，声波的频率也就越高；振动物体的振动幅度越大，声波的音量也就越大。
二、声波的特性1. 频率：声波的频率是指单位时间内声波振动的次数。
频率的单位是赫兹(Hz)，频率越高，声音听起来越尖锐。
2. 波长：声波的波长是指声波传播一个完整周期所需要的距离。
波长的单位是米(m)，波长越短，声音听起来越高调。
3. 速度：声波在特定介质中的传播速度与介质的性质有关。
在空气中，声波的传播速度约为每秒340米，而在水中，声波的传播速度约为每秒1482米。
4. 音量：声波的音量是指声音听起来的响度。
音量的大小与声波的振动幅度有关，振动幅度越大，音量也就越大。
5. 声波的传播方向：声波可以向各个方向传播，声源发出的声波会以球面扩散的方式传播。
三、声波的传播声波的传播是通过介质中的分子间的相互碰撞和振动实现的。
当声源振动时，介质中的分子会跟随振动并传递振动信号。
在传播过程中，声波会以机械能的形式传递，而不会带有介质本身的物质。
声波的传播速度与介质的性质有关。
在固体中，分子之间的相对位置比较稳定，因此声波的传播速度较快；在液体中，分子之间的相对位置较为松散，传播速度较固体慢；在气体中，分子之间相对位置更自由，传播速度较液体更慢。
除了介质的不同，声波的传播还受到温度、湿度和密度等因素的影响。
温度的升高可以增大分子的运动速度，因此会增加声波的传播速度；湿度的增加可以增加介质中的分子间的相互碰撞，从而使声波的传播速度减小；而介质的密度会影响声波传播的阻力，密度越大，阻力越大。
四、声波的应用声波具有很广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 声音传播：声波是我们进行人际交流的主要方式之一，通过声音的传播，我们可以传递信息、表达情感。
大学声学知识点总结
大学声学知识点总结一、声波的基本特性1. 声波的定义和特点声波是由物体振动产生的机械波，可以在各种介质中传播。
声波的传播受介质的性质影响，可以是固体、液体或气体。
2. 声波的频率和波长声波的频率是指声波振动的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。
声波的波长是声波在介质中传播一个完整波周期所需要的距离。
3. 声波的速度声波在不同介质中的传播速度不同，一般情况下在空气中的速度约为343米/秒。
声波的速度与介质的物理性质有关。
4. 声波的幅度和声压声波的幅度影响声音的大小，通常以分贝（dB）为单位来表示。
声波的声压是声波引起的气体压力变化，通常以帕斯卡（Pa）为单位。
二、声音的传播1. 声音的传播方式声音可以通过空气、水或固体传播，传播方式主要有远场传播和近场传播两种。
2. 声音的传播路径声音传播的路径包括直接传播、反射传播和绕射传播。
在不同环境中，声音的传播路径会发生改变。
3. 驻足波和行波声音传播时会形成驻足波和行波，行波是指声波的传播波动过程，而驻足波是指声波在固定位置上形成的波动。
三、声学原理1. 声源和声响声音产生的物体称为声源，声音在空间中的传播形成声响。
声源和声响的关系影响了声音的传播和接收。
2. 声音的特性声音具有频率、强度、音色和音高等特性，这些特性影响了声音的识别和分析。
3. 振动和声波声音是由物体的振动产生的声波，振动和声波的频率和幅度对声音的质量和响度有影响。
四、声音的接收和分析1. 声音接收器件常见的声音接收器件包括麦克风、声纳和耳朵等，它们可以将声音转换成电信号或神经信号。
2. 声学信号处理声学信号处理是将声音信号进行采集、分析和处理的过程，包括信号的滤波、压缩、识别和定位等操作。
3. 声学信息识别声音的频率、强度和音色等特性可以帮助人们识别声音的来源和含义，如语音识别和环境声音识别等。
五、声学应用1. 声学测量和监测声学可以用于测量和监测环境中的声音和振动，包括噪声、震动和声场等参数的检测。
第1节 超声波物理基本性质
介质元的动能：
mv2/2
声强单位：W / m2
声波传播的过程就是以声速将声源的能量传播出 去的过程。
23
4．声阻抗 Z 声阻抗：介质对声能的损耗，是声介质的力学特
征量，它定义为声压与声振动速度之比：
Z= P/v
单位：瑞利 101 Kg.M 2.S 1
24
当介质表现为一个纯声能传输的声阻时
29
本节完
30
迄今为止，压电材料使用锆钛酸铅（PZT）， 而此次开发的材料不含铅成分，可实现高性能，对 环境无害的传感器及换能器制造。该材料应用于超 声成像（特别是医用超声成像）、声纳、微驱动器 等器件可使其性能有重大提高。
17
三． 超声波的速度、声压、声强与声阻抗
1. 声速 超声在弹性介质中传播时，单位时间内传播的距离。
危害小。
本章内容：介绍超声波的基本性质和传播规律；在 超声物理特性的基础上介绍多普勒效应和相关血流
动力学效应。
4
第一节 超声波物理基本性质 一．超声波的分类
按其振动形式分类：纵波和横波。 在医学超声的应用中，超声波是纵波形式。
按频率分类：低频超声 1~2.75MHz 中频（常规用）超声 3~10MHz 高频超声 12~20MHz 超高频超声 20MHz以上
通过压电换能器将高频电磁振动的能量转换 为机械振动（超声）的能量，发射超声波；同时 也可以把超声振动的能量转换为电磁能量，通过 信号处理，完成超声的接收。
10
压电效应与电致伸缩效应
1. 压电效应 某些各向异性的材料，在外部拉力或压力的作
用下引起材料内部原来重合的正负电荷重心发生相 对位移，在相应表面上产生正负表面电荷，即在机 械力作用下产生了电场，这种机械能转变为电能的 现象称为压电效应。 超声接收换能器用的就是压电效应，将来自人 体的反射（散射）波转化为电压。
声波性质与波导的研究
声波性质与波导的研究——在声波跨界之路上声波，是一种机械波，传播的介质为固体、液体和气体，是我们日常生活中不可或缺的一部分。
随着科技进步，人们不断深入地研究声波的性质和应用，其中的一个核心领域就是在波导中进行声波的传输和控制。
本文将介绍一些声波的基本性质以及相关的波导研究。
一、声波的基本性质1.速度和相速度声波的传播速度取决于介质类型、密度和温度等因素。
在空气中，声波速度约为340米/秒。
相速度是指波峰或波谷在空间中移动的速度，当声波在传播过程中遇到不同介质时，会发生声速改变，此时声波的相速度保持不变。
2.反射和折射当声波从一个介质传播到另一个介质时，会发生反射和折射现象。
反射是指声波遇到介质边界时，一部分能量被反射回来，而折射则指声波在经过媒介边界时，其传播方向发生偏转的现象。
3.干涉和衍射干涉是指两个或多个声波在遇到经过干涉的区域时相遇并叠加产生的现象。
衍射是指声波在遇到障碍物或孔径时发生弯曲和扩散的现象。
二、基本波导波导是指一种用于声波传输的结构，它由刚性、有限阻抗的壁面限制，声波在波导中的传播与绕过固定障碍物的运动很相似，经过优化设计方能获得更好的声传播效果，除此之外，波导还可以用于声源和接收器之间的测量，从而得到更为精确的实验结果。
1.开放式波导开放式波导是指开口环境（如液面或气体）作为波导的一部分，是较为简单和直观的一种波导形式。
在采用开放式波导进行实验时，需要解决相应的环境噪声消除问题。
2.封闭式波导封闭式波导是通过封闭某种介质内部来限制声波传播，具体实现方法包括箍板（反射壁）、介质管和管壳结构等。
在进行封闭式波导实验时，需要保证内部强度及效率而进行一系列的设计优化。
三、特殊波导的研究为了更好地降低噪声干扰并提高传输效率，研究人员不断探索新型波导的设计和改进，这其中涉及到了许多有趣的研究。
以下简单介绍其中一些特殊的波导设计：1.超材料波导超材料波导具有负折射率特性，通过改变材料和几何形状，实现声波的负折射，即折射角小于入射角。
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P c0 0 s
2
一维波动方程
t 0
2
——流体压缩， 体积变小；流 体膨胀，体积 变大
v x
0
1 p c0 t
2
0
v x
0
1 p
2
p c0
c0 t
2
2
0
v
2
tx
0
v t
p x
; Az =
p z
( p )
p x
2
p
2
y
2
p z
2
p
2
25
( 0v ) t
t
p
( 0v ) 2 ( p ) p t
2
( 0 v ) 0
t
2
2
t
物态方程
p c0
2
24
微分运算关系
x i y j x k ; A Ax x Ay y Az x
标量
矢量
矢量
标量
p
p x
i
p y
j
p z
2
k Ax =
p x
2
; Ay =
p y
(v )
全导数
偏导数
对流项
19
线性声学：小振幅声波 非线性声学：有限振幅声波
一维方程线性化
0 ; p P P0 ; v v 0 v
( 0 , P0 , v 0 )
——没有声波时，流体的密度、压强和质 点速度（v0=0）
v t v x p x
1P a= 1N /m
2
——人耳对1kHz声音的可听阈约为 2 1 0 5 P a ——微风吹动树叶的声音 2 1 0 4 P a
——飞机发动机的声音 2 0 0 P a
声源 振动：弦；笛；鼓…… 气动：流体噪声……
压电效应、磁致伸缩效应……
8
9
3.2 线性化声波方程
理想流体的基本方程
三个基本物理定律： 牛顿第二定律、质量守恒定律、物态方程 运动方程
取一体积元，在x方向的位置从x 到 x+dx，横截面积为S=dydz.
体积元左侧受力：
F1 ( P0 p ) S
F1 dz dx
F2 dy x
10
体积元右侧受力：
F2 ( P0 p d p ) S
F1
F2
dz dx
y dy
(vy )
y
dy
z
( vx ) x
( vy ) y
( vz ) z
0
t
( v ) 0 ——矢量形式
14
物态方程 低频声波动：准平衡态；即使低频声波，在媒质压缩和 膨胀的一个周期内，相邻媒质来不及完成热交换。因此， 声波动过程是一个绝热过程
P P (s, )
p P P0 P ( s , ) P0
——流体的本构方程 平衡态热力学中：实验决定； 平衡态统计力学中：原则上，只要知道粒子—粒子相互 作用，可以理论得到状态方程；
15
小振幅声波方程
运动方程
连续性方程
t
dv dt
p
(v) 0
29
等相位面
kx t 常 数
不同时刻
kx 常 数 t i , ( i 0,1, 2......)
——垂直于x轴的平面 平面移动的速度
dx dt
k
c0
x
p x方 向 运 动 的 平 面 波 p x方 向 运 动 的 平 面 波
30
p P P0
——声压是时间和空间的函数
p p ( x, y, z, t )
pe
1 T
T 0
p dt
2
声
场：存在声压的空间或声波所到达的空间
瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值
峰值声压：一定时间间隔内最大的瞬时声压值 有效声压：一定时间间隔内，瞬时声压对时间取均方根值
6
7
声压的单位：Pa（帕）
等相位面移动的速度——相速度——声速
空气中声速
c0 P ~ 3 4 4 m /s s
P
空气
理想气体
绝热过程：P V
常数
常数
c0
P s ,0
P0 0
5
温 度 0 C : 1 .4 0 2; P0 1 .0 1 3 1 0
17
t 0
Euler描述 速度场：在空间建立速度场v(r,t).当时刻t,流到r的流 体质点具有速度v(r,t). x3 注意：由于流体的流动， 在同一空间点r，不同 时刻t和t+t的速度v(r,t) 和v(r, t+t)不是同一个 质点的速度. x1
18
f(x1,x2,x3,t)
O
x2
a
人大声讲话的声压 p 0 0.1P a
v 0 2.5 10
4
m /s
——远小于声速！
33
三维平面声波
1 p
2
c0 t
2
2
2 p 2 p 2 p 0 2 2 2 y z x
在稳定的简谐声源作用下产生的稳态声场
p ( x , y , z , t ) p ( x , y , z ) exp( i t )
d yd z ( v y )
d xd z ( v z )
z dz
d xd y
13
( vx ) t ( vz )
t
( vx ) x ( vy ) x dx dx ( vz ) z dz z dz
t 20 C : c 344 m /s
等温过程：
PV 常 数 P 常 数
错误
c0
P0
0
2 9 7 m /s
32
声速与媒质质点振动速度的区别
0
v t
p x
v0
p0
0c
p p 0 e x p [ i ( t k x )] v v 0 e x p [ i ( t k x )]
物态方程
p P P0 P ( s , ) P0
——非线性方程：5个方程，5个未知数
16
全导数和偏导数
流体运动的2种描述方法 Lagrange描述 (a,b,c)
r0(a,b,c,0)
O
v ( a , b , c , t ) lim
r(a,b,c,t)
r (a, b, c, t t ) r (a, b, c, t ) t r t
物态方程
2 P 1 P 2 p P ( s , 0 ) P0 ...... 2 s ,0 2 s ,0
P 2 c0 s ,0
21
p c0
第3章 声波的基本性质
3.1 声压的基本概念
3.2 线性化声波方程
3.3 平面声波的基本性质
3.4 能量关系和声的度量
3.5 声波的干涉
1
3.1声压的基本概念
媒质质点的机械振动由近及远的传播称为声振动的传播 或称为声波
2
声的分类
3
不同声音的频率范围
4
5
声压 设体积元受到扰动后，压强从P0改变为P, 则压强的变 化量称为声压（sound pressure）
——行波解——自由空间
p ( x ) A cos( kx ) B sin( kx )
——驻波解——有限空间
考虑到时间变量的行波解
p ( x ) A exp[ i ( kx t )] B exp[ i ( kx t )]
意义分析
p ( x ) A ex p [ i ( kx t )] p ( x ) B ex p [ i ( kx t )]
0
v
2
xt
p
2
x
2
22
1 p
2
c0 t
2
2
p
2
x
2
;
1
2
c0 t
2
2
2
x
2
——一维声波方程
0
v t
2
p x
0
v t
2
c
2
x
v
2
0
v
2
p c0
t 0 v x 0
1 p
2
c0 t
2
2
p
2
x
2
在稳定的简谐声源作用下产生的稳态声场
p ( x , t ) p ( x ) exp( i t )
d p(x) dx
2 2
k / c0
k p(x) 0
2
——波矢
27
管道中才能形成平面波
28
通解
p ( x ) A exp( ikx ) B exp( ikx )
运动方程
( 0 ) v v t
v t
,v
v x
0