第六章 机械噪声分析基础

常见噪声的频谱图
6.4 声波的反射、透射、折射、衍射
• 一、知入射波求反射波2）平面波动方程
二、反射系数和透射系数
1.声压的反射系数和透射系数
声压的反射系数的定义为反射声压与入射声压的 比值。
声压的透射系数为透射声压与入射声压的比值。
a.声压的反射系数和透射系数
声强和声强级：
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：
声强级单位：分贝。
声压级和声强级的关系：
平面声波
一个大气压下，38.90C空气的 c 400
【3】声功率和声功率级
a.声功率: 声源在单位时间内发射的总能量，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。
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。
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
6.3 声场描述
• • • • 【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
声波的物理量度
【1】声压和声压级：
p ( P P0 )
静态压强
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 。
扩散衰减的定义： 由于波阵面的扩展而引起的声强随距离而减 弱的现象称为扩散衰减。
1.扩散引起的衰减
根据声强的定义： 波阵面面积为S处的声强级可表示为：
b.点声源的扩散衰减
点声源辐射的一般为球面波，波阵面面积 可表示为：
因此从r1处传播到r2处时的发散衰减：
c.线声源的扩散衰减
• r0≤L/π，线声源视为 无限长线声源：
L r0 A
• r0>L/π，线声源视为点 声源。
2.空气吸收引起的附加衰减
• 空气吸收：声波在空气中传播时，因空气 的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中 ，使一部分声能转化为热能而损耗，称为 空气吸收。这种吸收称为经典吸收。 • 弛豫吸收：所谓弛豫吸收是指空气分子转 动或振动时存在固有频率，当声波的频率 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，这种现象称为弛 豫吸收。
可以导出：
3. 吸声系数
定义：
我们将入射声波在界面上失去的声能（包括透射 到媒质2中去的声能）与入射声能之比称为吸声系 数。 2 2
kpi kpr 1 r 2 kpi
2
rp 的数值与入射方向有关，因此α也与入射 的方向有关。
2.4.3声波的散射与衍射
• 1.声波的散射 在声波传播过程中，遇到的障碍物表面 较粗糙或者障碍物的大小与波长差不多 ，则当声波入射时，就产生各个方向的 反射，这种现象称为散射。 声波的散射既与障碍物的形状有关，又 与入射声波的频率有关。
几种典型声源的辐射特性
声源类型 辐射特性 点声源 线声源 声偶极子 平面声源 无指向性 有一定的指向性 有很强的方向性 复杂的指向性分 布 不均匀 低 声压空 间分布 均匀 辐射效率 高
6.5 噪声的评价
1 噪声首先是对听力的影响，作用是累计性的。噪声性耳聋 是不可逆的。当对500、1000、2000HZ三个频率损失的 平均值超过25—40分贝时，为轻度耳聋；40—65分贝时 为中度耳聋；65分贝以上是重度耳聋。 2 噪声对神经系统的影响，使大脑皮层的兴奋和抑制平衡失 调，长久接触产生头痛、头晕、耳鸣、失眠多梦、记忆力 减退称为神经衰弱或神经官能症。 3 对心血管系统亦有影响，使脉频和血压波动。交警比农民 的心率不齐率高出1.4倍。 4 噪声对消化系统、内分泌系统、视觉器官的影响亦有报道 。噪声对胎儿发育、儿童智力均有影响，不可掉以轻心。
第六章 机械噪声分析基础
目录
• 6.1 声学波动方程 • 6.2 声场类型 • 6.3 声场描述
• 6.4 声波在传播中的衰减
• 6.5 室内声场
• 6.6 噪声的评价
6.1 声学波动方程
1声波的产生
物体的振动是产生声音的根源。 声源： 我们把产生声音的振动物体称作声源。
声波：在弹性媒质中，物体的机械振动由近及远的传播过 程。
b.声强的反射系数和透射系数：
2.4.2斜入射声波的反射、透射、折射
1c1
pr
2c2
pt
r
t
i
pi
声波的反射定律与折射定律
入射声波、反射声波与折射声波的传播方 向应该满足以下定律：
a.反射定律： b.折射定律：
a.声压的反射系数和透射系数
• 在边界上，两面的声压与法向的质点速 度应该连续，即：
2 描述声波的基本物理量
2 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。
2 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。
表 21.1℃ 时声速近似值（m/s）
或
拉普 拉斯 算法
1.平面声波：
ξ = ξ 0cos（ωt+Ф）
A.平面声波：
声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，
称其为平面声波。
注意：远离声源的声波可看作平面声波。
波前：
声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前。
1.平面声波：
a.波动方程：
对于简谐振动,沿X正方向传播的平面声波：
图例：
3频谱：
a.频谱图： 以频率为横轴，以声压为纵轴，绘出的图叫声音 的频谱图。
• 1可以确定单个频率处的声压
• 2周期振动的声源产生线状谱 • 3基频—与振动周期相同正弦形 式的频率。 • 4谐波---频率等于基频整数倍的 正弦形式。 • 例如某一个周期振动声源周期 T=1//100S，发出声音的基频是 100hz,二次谐波为200hz.
P0 pr , t cos(t kr) r 特点：振幅随传播距离的增加而减少，二者 成反比关系。
从球心向外传播的简谐球面声波：
B.球面声波：
b.声线： 是由声源点发出的半径线。
C.柱面声波：
波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。“
线源”
2 a.波动方程1 （最简单，声场与坐标系的角度和轴向长度无关，仅 p 1 p
b.声功率与声强的关系
球面辐射时：
波阵面面积
c.声功率级
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。
声波的叠加
• 1相干波和驻波
• 2不相干波 • 3声音的频谱
1 相干波和驻波
• 1.声压的叠加
若两个声波频率相同，振动方向相同，且存在恒定 相位差。
p1 P01 cos( t kx1 )
p2 P02 cos(t kx2 )
pP t ) T cos(
PT P P02 2P01 P02 cos(2 1 )
• 结论： 合成声仍是同一频率 相位差△Φ 与时间无关，仅与空间位置有关。 PT随△Φ 发生变化，存在极大值和极小值。 驻波的极大值和极小值分别成为波腹和波节。当 驻波明显。
波长很长时，散射声波 的功率与波长的四次方 成反比，散射波很弱， 大部分均匀分布在对着 入射的方向。
当频率增加，波长变短 时指向性分布图复杂。 一半集中于入射波前进 方向，另一半均匀的分 布在其他方向
声波的散射与衍射
• 2.声波的衍射：
在声波传播过程中，遇到的障碍物或 孔洞时，如果声波的波长比障碍物尺寸大 得多，声波会绕过障碍物而使传播方向改 变，这种现象称为声波的衍射。
声压级单位：分贝（dB) 。
Lp 20lg p 94
0---120dB
例1
• • • • • • 当声压为原来声压的 加倍 减半 10倍 1/10 分别求声压级变化？
【2】声强和声强级：
a.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量，它是矢量。 稳态声场中，声强是指瞬时声强在一定时间T内的平均值。 I,单位是瓦每平方米 。
声波的产生
物体的机械振动是 声波产生的根源， 弹性媒质的存在是 声波传播的必要条 件。
纵波与横波
纵（横）波：媒质质点的振动方向与声波的传 播方向一致（垂直）。 空气中声波是纵波，固体和液体中可以是横波 也可是纵波。
2 描述声波的基本物理量
2 描述声波的基本物理量
x sin( 2ft )
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
2×10-5 2×10-2 0.2
织布车间 柴油发动机、球 磨机 喷气飞机起飞
2 20 200
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.声波的衍射
a.级的叠加（公式法）
由于：
代入上式：
a.级的叠加：
表示为声压级：
当n个声源时，
2.6 声波在传播中的衰减
• • • •
1.扩散引起的衰减（Ad） 2.空气吸收引起的附加衰减 （Aa） 3.地面吸收的附加衰减（Ag） 4.声屏障衰减（Ab）