声传播的基础知识讲解.ppt

§1 声传播的基础知识 §1.1 声波的基本性质 一、声波的概念 “媒质质点的机械振动由近及远地传播称为声波 ——《声学基础》 “人耳听觉系统所能感受到的信号称为声音 ——《环境声学基础》 声音传播的过程： 声源（振源）—媒介（介质）—听觉系统—声音信 号 声 音 在环境声学中，主要涉及声音在空气中的传播 二、典型的声波传播形式 – 平面波：波阵面为平面 波动方程为 波动方程的指数解： 平面波传播的特点：声压振幅与传播距离无关 （声场内声压值处处相等） 2、球面波：波阵面为球面 波动方程为 ： 波动方程的指数解： 球面波传播的特点：声压振幅与传播距离成反比 3、柱面波：波阵面为柱面 柱面波传播的特点：声压振幅与传播 距离的平方根成反比 三、描述声波的基本物理量 1、频率、波长、声速（运动学量） 声波波动的基本规律是简谐振动： 对于平面波，其波动方程的指数解为： 其三角函数表达式为： 对简谐波有： 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： 次声： 10-4~ 20Hz；台风、地震、核爆炸 、天体运动； 声频声： 20~20kHz；语言声学、音乐声 学、电声学、环境声 学、生理声学、心 理声学、振动声学 超声： 20kHz ~ 10 6Hz：水声学、生物声 学、仿生学 10 6Hz ~ 10 8Hz：超声应用：检测 、加工、诊疗等 特超声： 10 8 ~10 12 Hz：物质结构研究 纯音与复音的概念： 单一频率的声音称为纯音，含 有多种频率的声音称为复音 （2）波长 对于声频声： 最小波长（20Hz）约为：28.6m； 低频声（100Hz）约为：3.44m； 中频声（1000hz）约为：0.344m； 高频声（10kHz）约为：0.034m （3）声速c 声速与振动的特性无关，仅取 决于介质的弹性密度及温度 对于空气：c=331.6+0.6t 常温下（20 oc）：c=344 (m/s) 常温下水中声速： c=1480 (m/s) 0 oc时,钢的声速： c=5000 (m/s) 松木的声速： c=3320 (m/s) • 2、声压、声强、声功率（能量） • （1）声压 P 声压是指介质质点由于声波作用而产生 振动时所引起的大气压力的波动值。

单位是 帕斯卡 在声场中，声压是空间位置和时间的函 数，空间某一点的声压值有瞬时声压（ Pa ） 和有效声压（Pe）的概念有效声压为瞬时 声压的均方根值 • 对于简谐波，有效声压 Pe= Pa / • 人耳感觉声压的下限阈值：2x10-5 （帕）， 一个标准大气压：101325 （帕），二者相差 10亿倍！ • （2）声强 I 单位时间内，在垂直至于声波传播方向的 单位面积内所通过的平均声能量，称为声强 单位：瓦/平方米（w/m2）声强有方向，是 矢量 • 对于平面波，由于波阵面沿传播方向是不 变的，故声强沿传播方向也是不变的，处处相 等 • 对于球面波，其波阵面为球面，随传播半 径的增大而增大，故有： W——声源声功率 • （3）声压与声强的关系 在平面波和球面波的条件下，声强 与声压有如下关系： ——空气的静态密度； c0——空气中的声速； ——空气的特性阻抗 • （4）声功率 W 单位时间内声源辐射的总声能，称为声功 率单位：瓦（w） • 对于球面声源，声功率与声强的关系为： 声功率可以是指全频范围所辐射功率，也 可以指在某个有限频率范围内的辐射功率，也 称为频带声功率。

• 声场中的声能通常用声能密度表达： 声能密度——单位体积介质具有的声能，w/m3 • 常见声源的声功率： 声源种类声功率 喷气飞机10 kw 汽锤1 w 汽车0.1 w 钢琴2 mw 女高音1~7.2 mw 对话10~50 uw • 3、声级与声级叠加 正常人耳所能感知的声强和声压范围是 很大的对于1000Hz纯音，人耳刚能感知的 听阈声强是10-12 (w/m2)，听阈声压是2x10-5（ Pa）；而痛阈声强是1 (w/m2)，相应的声压值 为20（Pa）由此可见，人耳听阈的声强差 达10-12 倍，声压差达10-6倍因此，直接用声 强和声压的绝对值来标度声音很不方便，而 改用声强、声压的对数值标度就可以大大压 缩标度范围同时，人耳对声音强弱的响应 也接近于与声强、声压的对数成正比所以 ，对声音强弱的标度通常采用声强、声压的 对数值也就是我们所熟悉的“声级” • （1）声压级 Lp (dB) P——某点的声压，N/m2； P0——基准声压，2x10-5 N/m2 • (2)声强级LI (dB) I-某点的声强, w/m2； I0-基准声强， 10-12 w/m2 • (3)声功率级Lw (dB) W——某点的声功率， w； W0——基准声功率， 10-12 w。

• (4)声压级与声强级的关系 在一个大气压力和室温条下， • 声级的定量概念: 人耳的可听阈：0dB 郊外的静夜：约20dB 房间内的谈话声：60~70dB（相距1米 ） 交通车辆的噪声：75dB （相距10米 ） 人耳对声音强度的分辨能力约为0.5dB • （5）声级的叠加 当几个不同的声源同时作用于某一 点时，如果是不相干声源，则该点的总 声强是各个生源产生的声强之和： • 它们的总声压是各声压的方根值： • 但是对声级进行叠加时，不能进行 简单的算术相加，而要按对数运算规则 进行相加例如，n个声压相等声音叠加 时， 由上式可见，两个数值相等的声压级 叠加时，只比一个增加3dB • 两个声源的叠加还可表达为： • 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。

• 如果声音包含的频率成分是不连续 的，即是离散的频率成分，则其频谱表 现为“离散谱”（线谱）： • 如果声信号在一定频率范围内含有 连续的频率成分，则其频谱表现为“连 续谱”： • 在声学测量中，为了便于信号分析 ，通常把声频范围划分成一系列连续的 频带分析精度高时，频带带宽可分的 窄一些；分析精度不高时，频带带宽可 分的宽一些 参见P11图1-7 参见P11图1-8 • 常用的频带划分有倍频带和1/3倍频带： • 倍频带：上限频率是下限频率的2倍， 即 • 1/3倍频带：上限频率是下限频率的 （1.26）倍，即 上下限频率也称为截止频率 • 倍频带和1/3倍频带是以频带中心频 率fm来划分排列的中心频率是截止频 率的几何平均： 参见P12表1-4 • 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： 周期性 确定 准周期性 • 稳态信号 不确定（随机） 连续（语言声） • 非稳态信号 瞬时（脉冲声） （参见《音响声学》P56） • 声信号的时间波形和频谱特性具有 内在的联系：时域信号和频域信号之间 的傅立叶变换。

因此了解声信号的时域 与频域之间的对应关系，对于分析和掌 握声信号的特性是很有必要的 参见《环基〉P14 • 3、声源的指向性 所谓声源指向性使指声源在自由声场中 形成的声场强度在空间上分布不均匀 产生声源指向性的原因，对于单一声源 ，与声源自身的尺度和辐射声波的频率有关 ；对于多声源，除了与自身尺度和辐射频率 有关外，还与声源之间的干涉有关 • 描述指向性的参数有： • （1）指向性因数 — 方向上的声强； —所有辐射方向上平均声强 • （2）指向性指数 (dB) （参见P13图1-9 ） • §1.2 户外声的传播 户外声传播的特点：在大气环境中 发散传播，受到气象、地形等条件的影 响 • 一、户外声传播的发散规律 • 1、点声源在自由场中的辐射 理想的点声源辐射为球面波 对稳态声源有： • 以声级表达： (dB) —声级的衰减 传播距离加倍，声级衰减约6 dB， 这就是球面波在自由场中传播的规律 • 2、指向性声源的辐射 • 对于指向性声源，虽然声场各个方 向的辐射强度不相等，但在辐射的远场 区，沿某一方向上的传播规律，仍可视 为球面波的传播，即 • 必须指出：声源的指向性是随频率而变 化的， 、 应对应一定的频率（段 ）。

• 3、半自由声场中的辐射 • 对于刚性壁面，半自由声场中任一 点的声压都是直达声和反射声的叠加 当声源高度 h 远小于波长（低频声）， 或声程差（r1+r2）-r小于波长时，直达 声与反射声近似同相位，声波相干涉， 总声压是没有反射波时的两倍，声压级 增加6dB • 但在实际问题中满足理想声源以 及同相条件的声辐射很少，即实际声场 中某处的声压应是各种频率的、不同相 位的声波的叠加所以叠加后的声压值 不一定都是直达声的两倍 （参见《环基〉P17 ） • 对于辐射宽频噪声的实际声源，其 声场可视为“扩散声场”，即半自由声场中 各种频率声波信号的相位是无规的，声 场中的直达声与反射声是不相干的，因 此，声场某处的平均声能密度应为直达 声与反射声的和，即声强加倍声压级 则增加3dB，而不是6dB • 这种情况下，对于声场某一方向上 的声压级应表达为： • 在某一传播方向上，仍然符合球面 波的传播规律：距离加倍，声压降低6dB • 4、半自由场中的线声源 • 在实际的环境声学问题中，象在路轨上行 使的列车、公路上行使的汽车队都可近似视为 线声源。

由于机车和汽车辐射的都是宽频噪声 ，相互之间没有固定的相位关系，因而构成“ 不相干的线声源” • （1）连续分布无限长声源： 柱面波 （公式推导：参见《环境声学基础〉P18图1.10） （2）有限长线声源： 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 ： ——柱面波 当观察点离线声源很远，视角 ： ——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 声波在空气中传播，因空气的粘滞 性和热传导作用，在压缩和膨胀过程中 ，使一部分声能转化成热能而损耗 可以证明，经典吸收的大小与声波 频率的平方成正比 • 2、分子驰豫吸收 • 所谓分子驰豫吸收是指由于分子的 自由度能量（移动和转动能量）与内自 由度能量（振动能量）重新平衡（分配 ）所引起的能量吸收 • 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： Aa—20 oc时，每百米距离衰减的分贝数； f—频率（Hz）； r—传播距离（m）； —相对湿度。

• 对于不同温度，可以修正： —与20 oc的温差值 工程中常用空气吸收衰减表来计算 衰减值： • 三、气象条件对声传播的影响 • 1、雨、雪、雾的影响 由于雨、雾或雪天的其他气候条件 ，如温度、湿度和风等有利于声波的传 播，其综合效应引起的逾量衰减实际上 可以忽略，实验表明，由雨、雪、雾的 影响所引起的衰减小于0.5(dB)。