第三章 声波的基本性质
1声波的基本性质
（6）声功率
声源在单位时间内辐射的总的声能量。如果一个点声 源在自由空间辐射声波，则在与声源相同距离r的球面任 一点声强I都相同。 W=I 4πr2
Lw
10 lg
W W
0
蚊子发出声音是因为它翅膀振动频率高。一只蚊子飞过的声 音大概约40分贝。 1分贝大约是人刚刚能感觉到的声音。适宜的生活环境不应 超过45分贝，不应低于15分贝。 按普通人的听觉： 0－20分贝 很静、几乎感觉不到。 20－40分贝 安静、犹如轻声絮语。 40－60分贝 一般、普通室内谈话。 60－70分贝 吵闹、有损神经。 70－90分贝 很吵、神经细胞受到破坏。 90－100分贝 吵闹加剧、听力受损。 100－120分贝 难以忍受、呆一分钟即暂时致聋。
►
附：一些声音的分贝 -80分贝：核潜艇的麦克风在水下听到的100米外一只虾咀嚼食物的声音 -30分贝：20英里外一个人的说话声 0分贝：10英尺（约3米）外一只蚊子在飞 10分贝：非常安静的房间 13分贝：灯泡的嗡嗡声 15分贝：1米外一根别针从1厘米的高度掉落下来的声音 20分贝：乡村的夜晚 30分贝：沙漠的夜晚 40-60分贝：正常谈话的声音 50-53分贝：洗衣机的工作声
第一章
声波的基本性质
一、声音的产生与传播
1.声音的产生：物体震动 2.传播：C 温度15 空气340 水1450 钢5100
二、传播特性
1.方向性
2.反射和折射
3.衍射和散射
4.声波的强度
（1）声压 P 帕（牛顿/平方米）
声波传播时，空气的压强发生变化，我们将此压强的变化量称 为声压。
（2）基准声压 使大多数人产生听觉现象的最低声压。 Pr （3）平面声波 2×10-5Pa 球面声波
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)
第二讲声波基本性质
二． 在房间中高声谈话声 ( 相距 1m 处 ) 约 68dB ～ 74dB ；
三． 交响乐队演奏声 ( 相距 5m 处 ) 约 64dB ； 四． 飞机强力发动机的声音 ( 相距 5m 处 ) 约 140 dB。
声压、声功率和声强的关系
一．声强与声压的关系： P2 I=-----ρ 0c0 二．声强级和声压级在数值上相等
2. 声场媒质：声场中能够传递声波的媒质。 3. 基本参量。
媒质密度 ： 静态时为0、压缩时 > 0( >0) ， 扩张时 < 0 ( <0)
声压 p: 媒质的压强增量P=P-P0，单位：Pa(帕)。
舒张----------------压缩 P < P0 < P
质点振速v：媒质质点在平衡位置附近振动的速度。
小结 一．描述声波的基本参量：频率、波长、相位、 声压。 二．平面声波与球面声波是解决实际声波问题的 两个简化模型。 三．声场的能量是声波的本质属性。
四．分贝是表示声学参量关系的独特单位。
思考与练习 一．两个人合唱，在1米处测得各自的声压级都为80 分贝，问该处总的声压级为多少？推而广之： 多声源合成时，总声压级该如何计算？
波线
波阵面
球面声波与平面声波
若波振面为球面，称为球面波
若波振面为平面，称为平面波
常见的球面声波有：气球爆破声、点声源等 常见的近似平面声波： 大鼓声，平面扬声器声等
平面声波基本性质
1. 平面声波的振动方程为：
2. 平面声波的声压传递方程：
p 1 v x, t pm cos(t kx) 0c 0 0c 0
c0
声功率级：
W LW 10 lg W0
dB
第三章 声波的基本性质
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
④ 声道现象
声线总是向声速减小的方向发生弯曲，所以在高度H0以 下的声线向上弯曲，而在高度H0以上的声线向下弯曲， 因而声音传播出来的能量被限制在一定区域内传播，就 出现了声道现象。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
主要内容
声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比
强力火箭
汽车 钢琴
10 0.1
0.02
9
对话
小电钟 轻声耳语
10 8 10
10
9
5
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
③ 声功率与声强
声强 sound intensity ,sound energy flux density
声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。声场中 某一点的声强即在单位时间内，在垂直于声波传播方向的 单位面积上所通过的声能，符号为I，单位为瓦/米2 （W/m2）。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声波的反射与折射定理
反射波声压与入射波声压之比
rp pra R2 R1 R12 1 pia R2 R1 R12 1
vra R1 R2 1 R12 via R1 R2 1 R12
反射波质点速度与入射波质点速度之比
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声波波动方程
声场的特征可以通过媒质中的声压p，质点 速度v，密度的变化量ρ’来表征。 根据声波过程的物理性质，建立声压随空 间位置的变化和随时间的变化两者之间的 联系——声波波动方程
海底探测技术 第3章 声波探测的基本原理
T
Y
S
薄层（风暴层）
Y
... . . ...
. . . ...
><1探/4测探波测长波1长/4
地质钻孔发现的薄层会很多很多，但物探仪器 探测探出的层，会随着探测频率的增高而增加。
波的干涉不利的一面之二
理想情况
实际情况
？ 震源
震源
A
海底回波不是A 一个点而是一 定面积反射声波的总和
V=ƒ × ʎ
R2=30.1072-900=6.4
水深 30m
海管直径76cm
探测点海管悬 空于海底1m
声
海底管线，声波屏蔽界面
波
干
涉
的
结 果
波的扩散反射所形成
管线下的海底、地层 并没有被屏蔽!?
波的绕射造成的
管线直径小于探测 波波长，海底还会 有阴影吗？
4、波的吸收现象
声波在传播过程中，震动能量转化为热能被介 质吸收的现象－－波的吸收现象
松散沉积物命名 砂
沉积物柱状图
粉沙砂 粉沙质砂
含粉沙砂
粉沙
砂
粘土
声波探测上，界面为声阻抗界面，其存在与否取决于R值
正 粒 序
逆 粒 序
不存在声阻抗 界面
成因差异
举例
水下三角洲
边
河流水动力条件不变
界 条 海洋为静水盆地，无动力
件
河流
海退
海岸位置 海岸位置
钻孔
粒径增大
. .. . . ...
地层中有否声阻抗界面？声波探测能看到 什么？
波尾面——振动区的另一个面将要停止振动与已经停
止振动的质点间的分界面称波尾面；
等相位面——在同一时刻相同相位的质点联系起来构 成了等相位面；在均匀介质中点震源作用下，等相 位面是以震源为球心的同心球面。
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.
声波的性质
声波的性质
声音是由物体振动所产生。
在振动介质(空气、液体或固体)中某一质点沿中间轴来回发生振动，并带动周围的质点也发生振动，逐渐向各方向扩展，这就是声波。
声波的传播不是介质分子的直接位移，而是能量以波动形式的扩展。
声波的能量随扩展的距离逐渐消耗，最后声音消失。
连续振动的音叉，使周围的空气分子形成疏密相间的连续波形。
在空气中传播的声波是纵波，在纵波中，介质分子的振动方向和波前进的方向平行。
根据物理学，声波是一种振动的机械波，它的基本参数是频率f (frequency)和振幅(amplitude)。
频率是某一质点以中间轴为中心，1秒内来回振动的次数(单位为赫兹Hz)，而质点完成一次全振动经过的时间为一个周期 T，其单位为秒。
显然，f＝1/T。
频率与人耳主观感觉声音的音调有关。
频率越高，音调也越高。
振幅是某一质点振动时距中间轴的位移。
对某一质点而言，振幅随时间周期性变化。
距中间轴的最大位移为最大振幅。
振幅与声音的强度有关。
声波传播时，介质中每个质点都是在自己的平衡位置做往返的简谐运动，所谓简谐运动就是质点的位移幅度与时间变化的关系呈正弦函数关系。
人耳能感觉到的声波频率范围在20～20000Hz ，称为音频波。
在这个频率范围以外的振动波，就其物理特性而言与声波相似，但在人类不引起声音感觉。
声速亦称音速，是声波通过介质传播的速度，它和介质的性质与状态(如温度)等因素有关。
在空气中声速为334.8m/s(22℃时)，水中声速为1440m/s ，在钢铁中声速为5000m/s 。
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
工程心理学——精选推荐
工程心理学第一章1、工程心理学的研究范围与发展简史？（1）工程心理学是以实验心理学和人体科学的原理与方法为基础，研究技术设计与人的生理、心理和行为特点的匹配关系，使工程技术设计与使用者的身心行为特点相适应，使人能够高效、安全、健康和舒适地工作与生活。
（2）发展史：以二战为中心二战前：以机器为中心二战后：以人为中心，使机器适应人2、人－机－环系统的涵义？1）人－指操作者或使用者。
2）机－泛指人操作或使用的物。
3）环境－指人、机所处的周围环境。
4）人－机－环系统：指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机以及它们所处的周围环境所构成的系统。
3、工程心理学研究为什么要坚持以人为中心的观点？（具体：P7）（1）人是机器的创造者（2）人和机器之间存在着控制与被控制的关系（3）人和机器的可塑性4、模拟法对工程心理学研究有什么重要意义？（具体：P52）（1）模拟法具有经济、易控制、易检验、安全、效率高、可观察等优点。
模拟实验主要的特点是它具有现场研究的真实感，但不受现场条件的限制。
（2）对情境的模拟可以用来研究各种技能的学习和训练。
例如，利用模拟装置在不离开地面的情况下训练飞行员、宇航员、在陆地上训练深水潜水员，在模拟室内训练汽车驾驶员及机器、仪表操作员等。
这些模拟研究有助于发现和解决人类在特殊工作环境下所出现的问题，具有特别重要的意义。
5、什么是模拟逼真度？（具体：P53）（1）设备逼真度（2）环境逼真度（3）心理逼真度6、请结合自己的认识谈谈工程心理学研究的应用价值。
7、研究方法：（1）观察法（2）模拟研究（3）实验法（4）访谈与问卷调查法（5）心理测量与测验法（6）现场研究第二章1.视觉显示器设计的基本原则和工效学要求？1）视觉显示器设计中的人机匹配原则(1)选择最适宜的维度作为传递信息的代码，并将视觉代码的数目限制在人的绝对判别能力的允许范围之内；(2)使显示精度与人的视觉辨认能力相适应；(3)尽量采用形象直观的显示方式；(4)尽量采用与所表示意义有内在联系的显示方式；(5)对同时呈现的有关联的信息尽可能采用综合显示；(6)目标和背景之间要有适宜的对比关系；(7)应有良好的照明性质和适宜的照明水平，避免眩光；(8)根据任务的性质和使用条件，确定显示器的尺寸和位置；(9)应使同时使用的显示器在信息编码上尽可能互相兼容；(10)显示器与相应的控制器在空间关系和运动关系上应相互兼容。
声波的基本性质及其传播规律
而媒质中声波传播速度为c，则： t’= x/c代入上式则有 p（x,t）=P0cos[ω (t－x/c)]为方便起见，定义（圆）波数为 k＝ω/c ＝2π/λ其物理意义是长为2πm的距离上所含的波长λ的数目，于是p(x,t)又可以写成： p(x,t)=P0cos (ωt- kx ） （2－7） 上式表示沿x方向传播的平面波。又因声波只含有单频ω，没有其他频率成分，所以叫简谐平面声波， P0为声压的幅值， (ωt- kx ）为其相位，它描述在不同地点x 和各个时刻t声波运动状况。
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设两声源频率相同，到声场中某点s的距离分别为x1和x2，则两列波在s点的瞬时声压分别为 p1＝P01cos(ωt－kx1)=P01cos(ωt-φ1) p2＝P02cos(ωt－kx2)=P02cos(ωt-φ2)式中 P01、P02－－第一列波和第二列波的声压幅值； φ1、 φ2－－ ， ，是第一列波和第二列波的初相位。
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图2.5 声场中媒质单元体受力图
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由于该力的作用使体积元ΔV产生加速度，在我们所讨论的一般声音的情况下，由牛顿第二定律得 式中ρ为媒质的密度， 为加速度。 又由于 ΔV ＝SΔx 所以写成微分形式为或写成积分形式
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2.1.2 描述声波的基本物理量声压：通常用p来表示压强的起伏量，即与静态压强的差p=(P-P0)，称为声压。Pa,1Pa=1N/m2波长：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）的地点到相邻的另一个最稠密(或最稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长，λ(m)周期：振动重复1次的最短时间间隔称为周期。T(s)频率：周期的倒数即单位时间内的振动次数，称为频率，f, 赫兹(Hz),1Hz=1s-1声速：振动状态在媒质中的传播速度称为声速，c(m/s)。实际计算常取340m/s。
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
声学基础了解声波的性质
声学基础了解声波的性质声波是一种机械波，是由物质的振动引起的，通过介质传播的波动现象。
声波在空气、水、固体等介质中传播，是我们日常生活中常见的一种波动形式。
了解声波的性质对于深入研究声学领域具有重要意义。
本文将从声波的定义、特点、传播方式以及应用领域等方面进行探讨，帮助读者更好地理解声波的基本知识。
### 声波的定义声波是一种机械波，是由声源振动引起的，通过介质传播的波动现象。
声源振动使介质中的分子或原子发生周期性的位移，从而形成波动。
声波是一种纵波，其传播方向与振动方向一致，具有一定的频率、波长和振幅。
### 声波的特点1. **机械波特性**：声波是一种机械波，需要介质传播，无法在真空中传播。
在空气、水、固体等介质中传播时，声波会引起介质分子或原子的振动，从而传播能量。
2. **纵波特性**：声波是一种纵波，其传播方向与振动方向一致。
介质中的分子或原子沿着声波传播方向作周期性的压缩和稀疏运动。
3. **频率和波长**：声波的频率决定了声音的音调高低，频率越高，音调越高。
波长与频率成反比关系，频率越高，波长越短。
4. **振幅**：声波的振幅决定了声音的大小，振幅越大，声音越响亮。
振幅与声音的音量成正比关系。
### 声波的传播方式声波在介质中传播时，会引起介质中分子或原子的振动，从而传播能量。
声波的传播方式取决于介质的性质，一般可分为气体中的声波、液体中的声波和固体中的声波。
1. **气体中的声波**：在气体中传播时，声波会引起气体分子的振动。
声波在气体中传播速度较慢，约为343米/秒（在20摄氏度下），传播距离较远。
2. **液体中的声波**：在液体中传播时，声波会引起液体分子的振动。
声波在液体中传播速度较快，约为1500米/秒，传播距离较短。
3. **固体中的声波**：在固体中传播时，声波会引起固体中原子或分子的振动。
声波在固体中传播速度最快，取决于固体的材质和密度。
### 声波的应用领域声波作为一种重要的波动形式，在生活和科学研究中有着广泛的应用。
声波【可编辑的文档】
频率高于 20000 Hz 的波叫做超声波。 20到20000 Hz 之间能引起听 觉的称为 可闻声波 ，简称声波。 20Hz
频率低于 20 Hz的叫做次声波
20000 Hz
声波
第一节 声波的基本性质
一、声压 1. 声波在空气中的传播
?纵波
在媒质中传播时，媒质密度ρ作周期性变化。 ρ↑→P↑；ρ↓→P↓→P作周期性变化
将频率不同、响度级相同的各对应点连成一 条线，构成 等响曲线
同理，给另一标准声音，作另一等响曲线。
响度级（loudness level ） ：
响度的数量等级
人为规定f =1000，L = 60dB， →响度级 60方 即：f=1000 时，数量上：声强级= 响度级 形状：开口向上，最低点4000Hz附近。
?
?
u
?'
?
u (u ? Vs )T
?
(u
u ? Vs
)
?
0
?结论：
波源运动情况下，频率的改变是由于波长的 缩短或伸长所致。
⑷ 波源和观测者同时相对于介质运动
vo ≠0
vs≠0
Towards source
Away from the source
?
?
u ? Vo u ? Vs
?? 0
Away from observer
Towards observer
由多普勒效应引起的接收频率的变化 ? ? ? 0 称为多普勒频移
例: 一汽笛A以速度vs=10m/s远离观察者O，向一固定 物B运动，设汽笛频率均为1000Hz，声音在空气中的速度 为 330m/s, 求
(1)观察者直接听到从汽笛传来的声音的频率是多少 ? (2)观察者直接听到从固定物反射回来的声音的频率是多少 ?
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。
声学理论与仿真
假设管道的横截面分别为S1和 S2 后面的管道成为前面管道的声负载，在分界面处有入射波、反射波和透射波
pi
=
p e j (ω t − kx ) ai
pr
=
p e j (ω t + kx ) ar
pt
=
p e j (ω t − kx ) at
它们相应的质点速度（particle velocity）为
只要听起来和这个1KHz纯音 一样响，其响度级就是80方；
声波的反射、折射和透射
声波在两中媒质的分界面上 满足下面两个边界条件
声压连续
p ia + p ra = p ta
法向质点振速连续
via + v ra = vta
声波的反射、折射和透射
声波的叠加原理
p = p1 + p2
情况1：频率相同且有固定相位差的声波叠加（干涉现象）
vi
=
pai ρ0cc
e j(ωt −kx)
vr
=−
par ρ0cc
e j (ωt+kx)
vt
=
pat ρ0cc
e j (ωt−kx)
声波在管中的传播
分别面处（x = 0）的边界条件：
（1）声压连续
p ai + p ar = p at
（2）体积速度连续
S1(vi + vr ) = S 2vt
声压比：
tI
=| t p
|2 =
Rb2
+
X
2 b
⎜⎛ ⎝
ρ0cc 2S
+
Rb
⎟⎞2 ⎠
+
X
2 b
共振式消声器
声波的基本性质
连续性方程：
v ' v x ,y ,z ,t) x( 0 x t
物态方程：
(
dP dP )s ( )s,0 d dp
P dP 2 0 c ( ) 0 s ,0 d 0
波动方程
三个基本方程
牛顿第二定律
运动方程
质量守恒定律
P、T、V物态方程
连续性方程
物态方程
波动方程
运动方程
F=ma
微元体体积：Sdx
左侧F1=(P0+ρ)S
右侧：F2=(P0+ρ+dρ)S
m Sdx
dv a dt
波动方程
p F1与F2方向相反， dp dx x p 合力： F F F S dx 1 2 x
p c '
2 o
波动方程
v p 0 t x
v ' 0
p c '
2 o
多维波动方程
dv p ρ dt x
(v) x t
ρ0
与一维同理 做线性化处理
dP P c2 ( )s d
dv gradp dt
dv gradp 三维运动方程： ρ dt
小振幅时， 泰勒展开 略去2次以上项 波动方程
p c '
2 o
dv p ρ dt x
(v) x t
dP P c2 ( )s d
导出波动方程
0
v p t x
p、v、ρ任意 消去两项
v ' 0 x t
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强力火箭
汽车 钢琴
10 0.1
0.02
9
对话
小电钟 轻声耳语
10 8 10
10
9
5
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
③ 声功率与声强
声强 sound intensity ,sound energy flux density
声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。声场中 某一点的声强即在单位时间内，在垂直于声波传播方向的 单位面积上所通过的声能，符号为I，单位为瓦/米2 （W/m2）。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
③ 声速与风速、温度
当温度和风速的作用同时存在时，声影区的形成稍复杂 一些，这两个因素的作用有可能相互加强，也可能相互抵 消 气象条件的复杂性表现在风力、风向经常是不稳定的， 由此引起声波在大气中传播时声级的随机起伏。 在比较稳定的大气中，如静夜、弱风条件下，典型的起 伏范围是5dB。 在不稳定的大气中，如晴天、强风，典型起伏范围为 15~20dB。 向下风传播时，起伏大小随信号频率和距离增大而增加。 向上风传播时，在靠近声影区边界处起伏最大。这些不 稳定的因素，在现场测量时必须引起注意。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
主要内容
声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声音的传播速度及有关现象
声波的传播速度指的是声振动状态的传播速度，其大小取 决于传声媒质在声扰动作用下的可压缩性（或弹性）。 若媒质的可压缩性大，则声波在这种媒质中的传播速度就 小，即传播得慢；反之，若媒质可压缩性小，则声波在此 媒质中传播得就快。
p 1 p 2 2 2 x c0 t
2 2
三维波动方程：
1 p p 2 2 c0 t
2 2
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
③ 声功率与声强
声功率 sound power
是表示声源单位时间内向外发射的声能 用W表示，单位为瓦
一些典型声源的声功率
声源名称 声功率/W 声源名称 声功率/W
dv p dt x
v x t
dP c 2 d
c2 1
s
Ks
绝热体积弹性系数
绝热体积压缩系数
假设条件：媒质为理想流体；没有声扰动时媒质的初速度为零，且是均匀的； 声波传播是绝热过程；传播的是小振幅声波
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
S
4S
9S
r
r
r
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
④ 声压级与声强级
人们主观听觉机构对声压大小的感受不是与声压 或声强成线性关系，而是与其对数成近似线性关 系。因此通常选用对数量来表示声学量
“级”——一物理量与某一参考量的比值的对数为 “级” 它表示的不是绝对值而是比值，即它代表比基准 量高出了多少“级”
② 声波波动方程
连续性方程
（媒质中单位时间内流入体积元的质量与流出该体积元的质 量之差应等于该体积元内质量的增加或减少）
( v) x S ( v) x dx S [( v) x ( v) x Sdx Sdx x t ( v) x t ( v) x dx]S x
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
④ 声道现象
声线总是向声速减小的方向发生弯曲，所以在高度H0以 下的声线向上弯曲，而在高度H0以上的声线向下弯曲， 因而声音传播出来的能量被限制在一定区域内传播，就 出现了声道现象。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
主要内容
声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比
声波的反射与折射定理
Ⅱ
法向
反射定律：入射角等于反射角，即
1 1 '
折射定律：入射角的正弦和折射角的正弦的比值 等于两媒介中声速的比值
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
第三章
声波的基本概念和性质
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
主要内容
声波的基本概念 声音的传播速度及有关现象 声波的反射与折射定理 声波的绕射和其他波动现象 运动声源的多普勒效应 声级 电-力-声类比
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
单位为牛顿/米2（N/m2）或帕（Pa）或微巴（μbar） 声压p一般是空间和时间的函数，即p=p（x,y,z,t）
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
① 声压
瞬时声压 instantaneous sound pressure
某点的瞬时声压等于在该点的瞬时总压力减去静压力. 在一定时间间隔中最大的瞬时声压称为峰值声压。
rv
透射波声压与入射波声压之比
tp
pta 2R2 2R12 pia R1 R2 1 R12
透射波质点速度与入射波质点速度之比
tv
vta 2 R1 2 via R1 R2 1 R12
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
入 射 θ1 θ1' θ2 折 射 反 射 Ⅰ
有效声压 effective sound pressure
声音的强弱只与瞬时声压的某种时间平均值有关，这种声 压的平均值称为有效声压 对简谐波有
1 T 2 p dt 从能量上考虑 pe 0 T
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
① 声压
声压和大气压相比是很小的，例如20Pa的声压差不多是人 耳听觉的最高极限。声压再高将使人耳疼痛难受，这一极 限称为痛阈。 如果声压很低人耳便听不见了。具有正常听力的人耳所能 听到的最低声压为2*10-5Pa，这个最低极限称为可听阈。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声速与温度
晴天的傍晚，地面由于热辐射和热传导而迅速冷却， 靠近地面的空气温度下降，而离地面较高处的空气仍 保持较高的温度。
夜间声传播
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声速与温度
晴天的中午，大气温度随高度的增加而降低
白天声传播
因此，在晴天时，地面上声源所发的声音在傍晚比白 天传播得更远
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声音的传播速度及有关现象
声波从声速大的媒质传播到声速小的媒质时，声波传播的 方向会发生变化，与入射声波的传播方向相比，折射声波 的传播方向将靠近法线方向。 声波从声速小的媒质传播到声速大的媒质时，折射声波的 传播方向将偏离法线方向。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声音的传播速度及有关现象
空气中，声音的传播速度 c≈331.6+0.6t （m/s） 在流动媒质中，声速则为静止状态下的声速加上媒质的流 动速度
声音在实际气象条件下受声速变化而引起的传播现象可由 声线的变化方式来分析。声能从声源沿波阵面的法向传播 ，其传播的路径就称为声线，它与波阵面相垂直。
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
顺风时，声速也随高度的增加而增大，声线向下弯曲；逆 风时，声波朝逆风方向传播时，相对于地面的声速应减去 风速，声速随高度的增加而减小，声线向上弯曲，就可能 出现“声影区域”。 声影区指因折射而传播 不到直达声的区域
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声速与温度
② 声波波动方程
小振幅声波一维波动方程 简化的方程： 1）运动方程：
v p 0 t x v 0 x t
2 0
2）连续性方程：
3）物态方程： p c
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声波波动方程
均匀的理想流体媒质中小振幅声波的 波动方程（线性声波方程）：
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
声波的反射与折射定理
反射波声压与入射波声压之比
rp pra R2 R1 R12 1 pia R2 R1 R12 1
vra R1 R2 1 R12 via R1 R2 1 R12
反射波质点速度与入射波质点速度之比
声音的传播速度及有关现象
声速与风速 ②声速与温度 ③声速与风速、温度 ④声道现象
①
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
① 声速与风速
当声波顺风传播时，相对于地面的声速应加上风速。一 般来说，由于地面对空气运动的摩擦阻尼，风速随离地面 高度的增加而增大，使靠近地面的风有一个梯度。
风速梯度引起的声波折射
声速与温度有关，温度越高，声速越快
当大气温度随高度的增加而提高时，声速也随高度 的增加而增大，从而使声线向下弯曲。 这时，地面上声源所发射的声音，由于集中在地面 附近区域，可以使声音传播到较远地方。 当大气温度随高度的减小而降低时，声速也随高度 的减小而降低，声线将向上弯曲。 这时地面附近所发射的声音将在离声源一定距离的 地面上掠过，并在离声源较远的地方形成声影区
声学基础
第三章 声波的基本概念和性质
② 声波波动方程
声场的特征可以通过媒质中的声压p，质点 速度v，密度的变化量ρ’来表征。 根据声波过程的物理性质，建立声压随空 间位置的变化和随时间的变化两者之间的 联系——声波波动方程