第二章声波的基本性质

通过的声波的平均能量。在自由场中任一点的声强与
声压关系是 I p e 2
C
(W/m2)
ρ为介质密度（kg/m3），C为此介质中声速 （m/s），它们的乘积称为介质的特性阻抗，在声学 中是十分有用的物理量。
20℃时空气的特性阻抗为415瑞利。
2.2.4声功率
声源在单位时间内发射的总能量称为声源 功率，单位为瓦(W)。
播的地方），点声源作球面均匀辐射时，按球面 平均的声强 I球 为
W I
4 r 2
2.5噪声的物理度量
声强级
I L I 10 lg
声功率级
I0
式中 0I
W0
LW 10 lg W W0
——基准声强，取 I0 1012W /m2 ——基准声功率，取 W0 1012W
2.7声波在传播中的衰减
2.7.1随距离的衰减 LW Lp 10lgS b
物态方程（运用理想气体绝热物态方
程）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
p c2
p c2
t t
或
上式为理想气体得物态方程，它描述 了声场中瞬时声压随时间的变化与密度对 时间变化的关系。
2.1.5惠更斯原理
惠更斯原理内容为 ：介质中，波传到 的各点不论在同一 波阵面或不同波阵 面上，都可看作是 发射子波的波源。 在任一时刻这些子
2.5噪声的物理度量
2.5.1声压与声压级
正常人耳刚刚能听到的声压是2×10－5Pa （频率为1000Hz时），称为听阈声压，而刚刚使 人耳产生疼痛感觉的声压是20Pa，称为痛阈声 压。
声压级的定义是某一声压与基准声压（频率 为1000Hz时可听阈声压）之比的常用对数乘以 20。
2.5噪声的物理度量
（3）与其他污染相比，噪声的再利用问题很难 解决。
2.1振动与声波
2.1.1声波的产生 （1）声源
各种各样的声音都起始于物体的振动。 凡能产生声音的振动物体统称为声源。
2.1振动与声波
（2）声波在弹性介质中传播
当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒 质——空气分子的振动。这些振动的分子又会使 其周围的空气分子产生振动。这样，声源产生的 振动就以声波的形式向外传播（见下图）。
波的波迹就是该时 刻的波阵面。
基于惠更斯原理新波阵面 的形成示意图
2.1.6多普勒效应
声学多普勒效应指在声源相对介质运动, 观 察者相对介质静止; 声源相对介质静止, 观察 者相对介质运动; 声源和观察者相对介质都运 动三种情况下, 观察者接收到的声波频率和声 源的振动频率不相同的现象。
2.2声波的特性
分贝是最常用的级的单位，表示两个功率 之比的无量纲单位，分贝数等于功率比值的常用 对数的十分之一。
2.5噪声的物理度量
▪代表的是人们对声音的主观反映。
▪韦伯定理
感觉
变化量 基础量
▪声音的强度不是用线性量来描述的，而是用这 样的一个变化量与基础量的比值的以十为底的对
数值描述，单位是贝尔(纪念发明家贝尔)。
球面波的声压与离开声源的距离成反比，声 强与距离的平方成反比。
2.8声源的辐射
2.8.2线声源
线声源可以认为是由大量的分布在同一条直 线上且十分靠近的点声源所组成，如马路上接连 不断行驶的汽车噪声，一列火车的噪声等。线声 源所发出的声波是一个柱面波。柱面波的声强与 到柱面轴线的距离成反比。
2.8声源的辐射
2.1振动与声波
声波在传播过程中媒质应满足三个基本 物理定律：
牛顿第二定律——媒质的运动方程 质量守恒定律——连续性方程 绝热压缩定律——物态方程
2.1振动与声波
为了使问题简化，对声波传播过程和媒 质作出如下假定：
(1)媒质为理想流体，即媒质中不存在 粘滞性，声波在这种理想媒质中传播时没有 能量的耗损。
2.7.5气象条件对声传播的影响
图4 温度梯度对声传播速度的影响
2.8声源的辐射
声场中的声压大小、空间分布、时间特性、 频率特性等都与声源的辐射性质密切相关。
2.8声源的辐射
2.8.1点声源
假如声源尺寸比其波长小得多，则可以把此 声源作为点声源。点声源辐射的声波以声源为中 心按球面波的方式向四面八方扩散。点声源的波 阵面是球形表面，因而是球面波。
2.2.1声压 大气在无声波传播时所具有的压强，称
为静压强。当在有声波传播时，该处的空气 在某瞬间即产生了附件压强 p 。这个超过 （或低于）静压的量 p ，称为瞬时声压。
瞬时声压传入人耳，由于耳膜的惯性作 用，分辨不出声压的起伏，而是一个稳定的 有效值，称为有效声压。
2.2.2声能量 声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在
平衡位置附件往复运动，产生动能。另一方面又 使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具 有形变的势能。这两部分能量之和就是由于声扰 动使媒质得到的声能量。
声场中单位体积媒质所含有的声能量称为 声能密度，记为D，单位为焦（耳）每立方米 （J/m3 ）
2.2声波的特性
2.2.3声强
在垂直于声波传播方向上的单位面积单位时间内
2.1.2声波的基本物理量
(1) 声压——衡量声波强弱的物理量。 声压是一种逾量压力，可正也可
负。
p —声压；
P —空气绝对 压力；
P0—平衡状态 压力。
p=P- P0 单位：Pa（帕） （1 Pa=1N/m2)
2.1.2声波的基本物理量
（2）波长 （3）频率 （4）振幅 （5）声速
材料 钢 铝 玻璃 铜 混凝土 水 铅 空气 橡胶
振幅不同、频率不同的波的叠加
2.4声波的反射、折射、散射和 衍射
反射定律：入射角等于反射角。
i r
折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦 之比等于两种媒质中声速之比。
sini c1 sinr c2
2.5噪声的物理度量
噪声的物理测量度量常用声压、声强、声 功率来表示。
由于人耳对声振动的响度感觉近似地与其 强度的对数成正比，因此采用“级”进行度量。
W I ds (W) S
S为包围声源的封闭面积（m2）。
2.3声波的叠加
傅里叶关于复杂波合 成的概念为当代声学家提 供了最强大的分析和振动 工具。当两个或两个以上 的声波叠加时，它们以线 性的方式相加，即在任一 时间的空间某点上的振幅 为单独每个波振幅的代数 和。由于这种叠加，一个 复杂的波通常可以由几个 基本的正弦波合成。
点声源 Lp2 Lp1 20lg r2
r1
线声源 Lp2 Lp1 10lg r2
r1
2.7.2空气吸收的附加衰减
2.7.3地面吸收的附加衰减——绿化降噪
绿化的降噪效果 与树种搭配、种 植方式、季节和 绿化带宽度等有 关。单一的乔木 林，噪声衰减大 约为1dB/10m；由 乔、灌、草搭配 的郁闭度大的绿 化带噪声衰减可 以达到 2~3dB/10m。
2.5.2声强与声强级、声功率与声功率级
声强是在垂直于声波传播方向上，单位时间 内通过单位面积的声能，常用I表示，单位是瓦/ 米2 （W/m2 ）。
声功率是声源在单位时间内辐射的总声能， 通常用W表示，单位是瓦(W)。
2.5噪声的物理度量
声功率与声强的关系为
W IdS
式中，S——包围声源的封闭面面积。 在自由声场中（即声波无反射的自由传
1. 噪声及危害
1.1 噪声
噪声定义为人们不需要的声音： ① 在物理上，指不规则的、间歇的或随机 的声振动。 ② 在心理上，指任何难听的、不和谐的声 或干扰。
噪声污染的特点：
（1）噪声污染是局部的，多发性的，一般从声 源到受害者的距离很近，不会影响很大的区域。
（2）噪声污染是物理性污染，没有污染物，也 没有后效作用。
(2)没有声扰动时，媒质在宏观上是静 止的，即初速度为零。同时媒质是均匀的，
因此媒质中静态压强P 0、静态密度0都是常
数。
2.1振动与声波
连续性方程 连续性方程是物质不灭定律在流体质
点运动中的运用。
t
0(
ux x
uy y
uz z
)
或
t
0u
称为连续性方程，它把质点振动速度
与流体密度联系起来。
2.1振动与声波
2.3.1相干波与驻波
两个声波在同一媒质中传播，且两个声 波的频率相同，以同样的相位到达某一点 时，则两个声波加强，其合成振幅是两波 振幅之和；两个声波相位相反时，则其声 波相互减弱或完全抵消，其合成振幅是两 波振幅之差。这就是声波的干涉现象。
2.3.2不相干波与拍频（或节拍）
振幅相同、频率不同的波的叠加
2.8.3面声源
假定各个点声源所辐射的声波是不相干的， 因此其合成声级可用能量叠加原理求出。
2.8.4声源的指向性
声源在不同方向上具有不同的声辐射本 领，声源辐射声能这种随方向分布的不均匀 性，称为声波辐射的指向性。比如人说话时前 面的声压级就比他背后的声压级高。
声速(m/s) 6100 4877 3962 3901 3231 1433 1158 343 150
表2.1 19℃时的声速近似值
2.1振动与声波
（2）频谱
线状谱(离散谱) 连续谱 复合谱
2.1振动与声波
2.1.4声波方程 声场的特性可通过媒质中的声压、媒
质密度变化量以及质点速度来表征。声波 方程就是根据声波过程的物理性质，建立 声压、密度变化量和质点速度随空间位置 和时间变化的关系。