《声学基础概述》PPT课件

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1、第二章声学基础概述物体的振动产生声音。把能够发声的物体叫做声源。声源可以是固体，也可以是流体。声源发出的声音必须通过介质才能传播出去，按照固体、空气、水等传播介质的不同，声音可划分为结构声、空气声、水声等类型。噪声控制的目的就是要获得适当的声学环境，把噪声污染限制在可容许的范围内。2.1声波的基本性质声音通过介质传播，它只是在平衡位置附近来回振动。声音的传播过程也就是振动的传播过程，传播的是物体的运动，而不是物体本身，这种运动方式叫做波动。声波本质上是一种机械波，只能在弹性介质中传播。本章着重讨论理想流体介质，理想流体介质在体积改变时产生弹性恢复力，但不出现切向恢复力，所

2、以理想流体介质中声音传播的方向与介质质点振动的方向是一致的，即理想流体介质中传播的是纵波。人耳能够感觉到的声波的频率范围从到，一般称为音频。频率低于的声音称为次声波，而频率高于的声音则称为超声波。声压p就是介质受到扰动后所产生的压强P的微小增量。存在声压的空间称为声场，声场中某一瞬时的声压称为瞬时声压。在一定时间间隔内最大的瞬时声压称为峰值声压，在一定时间间隔内瞬时声压对时间取均方根称为有效声压，(2.1.1)声压的大小反映了声波的强弱，声压的单位是帕斯卡。人耳对声音的强度感觉并不是随着声压成线性关系，而是接近于与声压的对数成正比，因此声学中普遍采用声压级来度量声音的强度

3、，式中为参考声压，空气中的参考声压一般取，也就是人耳对纯音的可听阈。人耳对声音强度的感受不完全取决于声压级的大小，还与声音的频率有关。同样声压级的情况下，人耳对中频的声音更敏感，而对高频、低频的声音的灵敏度就比较低。根据人耳的这一特点，出现了以纯音为标准的A计权修正，修正后的声压级称为A声级。2.1.1理想流体介质中的声波方程所谓理想流体介质，就是介质在运动过程中没有能量的损耗，即介质是无粘的。在流体介质中声波传播过程的研究中，还必须假设介质是连续、静态和均匀的流体，并且在介质中传播的是小振幅声波。理想介质中声波传播的基本规律可以通过三个方程表示，即：连续性方程、运动方程

4、和状态方程。1、连续性方程连续性方程是根据质量守恒定律得到：单位时间内流入体积元的质量等于体积元内介质密度的增量所增加的质量。2、状态方程在声波作用下介质产生疏密相间的变化，因此介质的密度和压强都发生了变化，即介质的状态发生了变化。假设介质状态变化的过程中没有能量的损耗，即为等熵绝热过程。根据热力学关系，一定质量的气体介质的压强是密度和熵的函数，即，s表示熵。由于压力和密度变化很小，因此由泰勒级数展开得到，由此得到理想介质的状态方程为：3、运动方程作用在和面上的总压力分别为：因而沿轴正方向的合力为：同样可以得到质团沿轴和轴正方向的合力，介质受到的总的合力为：由于静压强为常

5、数，因此压强的微小变化也就是声压的微小变化，即，所以有：根据牛顿运动定律有：由以上两式可以得到欧拉方程：式中，是质点的加速度，它包括本地加速度和迁移加速度两部分，对于小振幅声场，振动速度远小于声传播的速度，所以是比更小的高阶小量，可以忽略，小振幅声场中的运动方程为：声波波动方程根据上述三个方程就可以获得理想流体介质中小振幅波传播的声波方程如下：波动方程反映了声压随时空变化的关系2.1.2平面波、球面波和柱面波空间行波在同一时刻由相位相同的各点构成的轨迹曲面称为波阵面，波阵面垂直于波传播的方向。平面波是波阵面为平面的波球面波是波阵面为同心球面的波柱面波是波阵面为同轴柱面的波

6、对于平面波，由于它只在一个方向传播，因此波动方程可以简化为，方程可以通过分离变量法求解，其解的一般形式为，其中波数。上式中第一项代表沿轴正方向传播的波，而第二项代表沿轴负方向传播的波。假设我们讨论的是无限介质中波的传播，由于声场中没有反射物，波沿着一个方向传播，，则有：式中为声压幅度。根据运动方程，可以进一步得到质点振速为，引入几个新的参量，---特性阻抗，它与介质的特性有关。声阻抗率---，声阻抗率是有方向性的，当平面波向正方向传播时，当平面波向负方向传播时。声强---通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声功率，对于平面波声强级：单位dB，参考声强一般取声功率---单

7、位时间内通过波阵面的平均能量，。平面波的声功率为声功率级：。声源辐射的声功率与声源的安放位置、声源形式和所处的环境有关。球面波当声波以球面波形式传播时，声压只与球面坐标有关，而与角度无关，因此球面波的波动方程可以简化为球面波的解的一般形式为式中第一项代表向外辐射的波，而第二项代表向内辐射的波。球面波向无限介质空间辐射的情况，因而没有向内辐射的会聚波，上式变为根据运动方程得到径向质点振速与声压的关系，因此球面波的声阻抗率为，与平面波不同的是，球面波的声阻抗率不但有实部，还有虚部，这说明球面波在辐射的过程中，除了声能量的损耗之外，