辽石化噪声控制工程教案02声波的基本性质及其传播规律.docx

第二章声波的基本性质及其传播规律【课时安排】2.1 声波的产生及描述方法1学时2.2 声波的基本类型1学时2.3 级的概念1学时2.4 声波在传播中的衰减1学时总计4学时第一节声波的产生及描述方法【教学内容】1声波的产生2描述声波的物理量【教学重点】描述声波的物理量：声压P、波长入、频率f、周期T、声速c、振幅【教学难点】声波的形成过程【教学目标】1理解声波的形成过程2掌握描述声波的各种物理一声波的产生1声源定义：凡能产生声音的振动物体。声源的振动是指物体或质点在其平衡位置附近进行的往复运动。分类：固体声源、液体声源、和气体声源2声源的形成声源的振动一A声源周围弹性媒质（空气分之的振动）一A周围空气分子的振动一A形成声波（传播的振动的形式和能量）（注意：声波不能在真空中传播）横波：质点的振动方向与声波的传播方向垂直；纵波：质点的振动方向与声波的传播方向一致。（在空气中声波中纵波，在固体和液体中即可能存在横波也可能存在横波）二描述声波的基本物理量1声压P：当声源振动时，邻近的空气分子受到交替的压缩和扩张，形成疏密相间的状态。当空气变密时：P>Po（PO为平衡状态下的大气压强）；当空气变稀时：P<Po所以：P=P-Po单位为帕（Pa）称为声压2波长X：在同一时刻，声波中两个相邻的最稠密区或最稀疏区之间的距离称为波长，单位为米（m）a。3频率f：单位时间内介质质点振动的次数称做声波的频率，记作f,单位为赫兹(Hz)。人耳能听到的声音其频率一般在20HZ至20000Hz之间。这个范围内的声音称为可听声,高于20000Hz的声音称为超声,低于20Hz的声音称为次声。蝙蝠、狗等动物可以听到超声，老鼠等动物可以听到次声。在声频范围内，声波的频率愈高，声音显得愈尖锐。反之显得低沉。通常将频率低于300Hz的声音称做低频声；300-IOOOHz的声音称做中频声，IOOOHz以上的声音称做高频声。4周期T：振动重复一次的最短时间间隔，单位为秒(S)5声速c振动在煤质中传播的速度叫声速。在任何一种媒质中的声速取决于该煤质的弹性和密度。声音在空气中的传播速度还随空气温度的升高而增加。声音在不同媒质中传播的速度也是不同的，在液体和固体中的传播速度一般要比在空气中快得多，例如在水中声速为1450ms,而在钢中则为500Ommo空气中的声速：c=331.-4s+0.61t(实际计算时取。为340ms)波长入、周期T和声速C之间的关系为：=cf=cT6相位：在任意时刻茱一质点的振动状态，包括该质点振动的位移和运动方向，或者压强的变化。7振幅:指通过零压力线测得的波峰或波谷的高度，在一个振动周期内，平均压力为零，与振幅无关。第二节声波的基本类型【教学内容】1声波的基本类型：平面声波、球面声波、柱面声波2声能量、声强、声功率【教学重点】基本概念：平面声波、球面声波、柱面声波、波阵面、声密度、瞬时声强、声功率等。【教学难点】描述各种声波的波动方程【教学目标】1掌握平面声波、球面声波、柱面声波、波阵面、声密度、瞬时声强、声功率等基本概念2在已有数学和物理知识的基础上了解描述各种声波的波动方程。.固体的振动产生声波，或当流体越过、环绕或穿过固体孔洞时流体分离产生声波。空气压缩使空气局部密度和压力增加;相反，膨胀则使密度和压力减小.这些交替的压力变化即是人耳所听到的声音.空气交替压缩与膨胀产生的正弦波:在均匀的理想流体煤质中小振幅声波的波动方程式中:。拉普拉斯算将，在直角坐标系中声压n是空间和时间的函数,记为,c.>.，、u,描述不同时刻的声压变化规律。波振面一空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。根据声波传播时波振面的形状不同将声波分为:平面声波、球面声波和林面声波。一平面声波波阵面：空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。平面声波：声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面，通常可以将各种远离声源的声波看作平面声波。若将振动活塞置于均匀直管的一端，另一端伸向无穷远。当活塞在平衡位置作小振幅往复运动时，在管内任一截面上各质点将同时受到压缩或扩张，具有相同的振幅和相位，就形成了平面声波。二球面声波概念：当声源的几何尺寸比声波波长小得多时，或者测量点离声源相当远时，则可以将声源看成一个点，称为点声源。在各项同性的均匀媒质中，从一个表面同面同步胀缩的点声源发出的声波是球面声波。三柱面声波概念：波振面为同轴圆柱面的声波。其声源一般可视为“线声源”四声能量、声强、声功率1声能量：声波在媒质中传播，一方面使媒质在平衡位置附近做往复运动产生动能，同时又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，具有形变的势能。声能量=动能+势能;声密度：声场中单位体积媒质所含有的声能量，记为D(Jm3).2声强：声强是衡量声音强弱的一个物理量。瞬时声强：声场中，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称做声强。常以I表示，单位为(w/m2)O声强实质是声场中某点声波能量大小的度量，声场中窠点声强的大小与声源的声功率、该点距声源的距离、波阵面的形状及声场的具体情况有关。通常距声源愈远的点声强愈小，若不考虑介质对声能的吸收，点声源在自由声场中向四周均匀辐射声能时，距声源r处的声强为Ar式中I一距点声源为r处的声强(w/m2)；W点声源功率(w)。若S表示包围声源的封闭面面积，声功率W和声强I的关系为W=lt1dS式中是声强在微元面积dS法线方向的分量。3声功率：声源在单位时间内辐射的总声能量称为声功率。常用W表示,单位为瓦(w)。声功率是表示声源特性的一个物理量。声功率越大，表示声源单位时间内发射的声能量越大，引起的噪声越强。声功率的大小，只与声源本身有关。W=IS第三节级的概念【教学内容】1分贝的概念2声压级、声功率级、声强级3级的叠加、级的相减【教学重点】基本概念：分贝、声压级、声功率级、声强级级的叠加、级的相减的计算【教学难点】级的叠加、级的相减的计算公式的使用【教学目标】掌握分贝、声压级、声功率级、声强级等基本概念掌握级的叠加级的相减的简单计算引：1）生活中声音强度变化范围相当宽，人正常说话声功率为10-5w,而强力火箭发射时的声功率为10-9W,相差1014数量级。2）人耳对声音强度的感觉不正比于强度的绝对值，而更接近对数值。一分贝的定义级：对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级分贝：如果所取对数是10为底，则级的单位为贝尔（B）。分贝：贝尔的单位太大，将贝尔分为10档，每一档则称为分贝（dB）。二声压级、声强级、声功率级1声压级：声压级4=20Ig2(dB)PoP；被量度量的声压的有效值，Po基准声压。2XlO-5Pao2声强级：声强级£/=20lg；(dB),0A)为基准声强，10',2wm2o在空气中，IO取10-12wm2,对于平面声波,PC则：在一个大气压下，38.9的空气中，pc=400pa.sm,此时L1Lp.3声功率级：W=IOlg(WW0),空气中W0=IO-12W,对于给定的声源，其声功率是不变的。三级的叠加pT2=Pl2÷P22÷÷Pn2n=2时LPI=IOIg(p2p02)Lp2=IOlg(p22Po2)p12=p02.100lLplp22=po2.10iLp2Pt2=P!2÷P22=Po2.(10oiLPl+10。12)Lp=IOlg(p2Po2)=IOlg(IooiLpl+10OlLp2)LPT=IOlg(IO01LPi)当两个不同的噪声源同时作用在声场中同一点上，如果两个声源单独作用产生的声压级分别为LPl和Lp2,且LPlNLP2；为计算方便，列出(表7-1)LPl-LP2差值相对应的增值AL,这点的总声压级LPT为：两个声源Lm差值与增值AL的对应关系Lpi-Lp2LLPl-Lp2L0361.012.570.822.180.631.890.541.5100.451.2110.3LPT=Lpi+L(dB)四级的相减：LpT=IOlg(10+01LPB100.1LpS).LPS=IOIg(10°lPt-100iLPB)第四节声波在传播中的衰减【教学内容】声波传播过程的各种衰减：Ad;随距离的发散衰减；Aa：空气吸收的附加衰减；Ag;地面吸收的附加衰减；Ab：声屏障衰减；Am；气象条件对声传播的影响【教学重点】Ad随距离的发散衰减的计算【教学难点】Aa：空气吸收的附加衰减Am：气象条件对声传播的影响【教学目标】掌握Ad随距离的发散衰减的简单计算了解Aa：空气吸收的附加衰减，Am；气象条件对声传播的影响声波在传播过程中除发生反射、折射和衍射等现象，并在传播过程中引起衰减，这些衰减包括：Adj随距离的发散衰减Aa：空气吸收的附加衰减Ag.地面吸收的附加衰减Ab：声屏障衰减Amj气象条件对声传播的影响总衰减AAd+Aa+Ag+Ab+Am一Ad随距离的发散衰减Ad=201g(r2r1)(假设以声源为中心的球面对称地向各个方,WWJWW向辐射声能）TIMJWnmww.空气中W0=IO-12WI0=IO-12WZm2Li=Lw-1OlgS=Lyv-101g（4兀口）=Lw-201gr-ll（全空间）Ll=LW-IOIgS=LW-Iolg（22）二LW-201gr-8（半空间）二空气吸收的附加衰减声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀的过程中，使一部分的声能转化为热能而损耗，这种吸收称为空气的经典吸收。空气分子转动或振动时存在固有频率，当声波的固有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，这种现象称为驰豫吸收，它能使声速改变，声能被部分吸收。20时:Aa=7.4 ×10 ,1+ ZWB=4X10”)三地面吸收的附加衰减Ag当地面是非刚性表面时，短距离，声能的衰减可以忽略，70米以上时不可忽略。在厚草地或穿过灌木丛传播时衰减Ag=(0.181gf-0.31)d穿过树木或森林的声衰减Ag=0.01f"3d四声屏障衰减Ab声屏障衰减与声源及接受点相对屏障的位置、屏障的高度及结构,以及声波的频率密切相关。五气象条件对声传播的影响Am雨、雪、雾等对声波的衰减量大约每1000米不到0.5dB,因此可以忽略，风和温度梯度对声波的传播影响很大。