聲傳播的基礎(chǔ)知識(shí)

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1、§1聲傳播的基礎(chǔ)知識(shí)§1.1聲波的基本性質(zhì)一、聲波的概念“媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)由近及遠(yuǎn)地傳播稱(chēng)為聲波?！薄堵晫W(xué)基礎(chǔ)》“人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)所能感受到的信號(hào)稱(chēng)為聲音?！薄董h(huán)境聲學(xué)基礎(chǔ)》聲音傳播的過(guò)程：聲源（振源）—媒介（介質(zhì)）—聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)—聲音信號(hào)聲音在環(huán)境聲學(xué)中，主要涉及聲音在空氣中的傳播。二、典型的聲波傳播形式平面波：波陣面為平面。波動(dòng)方程為波動(dòng)方程的指數(shù)解：平面波傳播的特點(diǎn)：聲壓振幅與傳播距離無(wú)關(guān)。（聲場(chǎng)內(nèi)聲壓值處處相等）2、球面波：波陣面為球面。波動(dòng)方程為：波動(dòng)方程的指數(shù)解：球面波傳播的特點(diǎn)：聲壓振幅與傳播距

2、離成反比。3、柱面波：波陣面為柱面。柱面波傳播的特點(diǎn)：聲壓振幅與傳播距離的平方根成反比。三、描述聲波的基本物理量1、頻率、波長(zhǎng)、聲速（運(yùn)動(dòng)學(xué)量）聲波波動(dòng)的基本規(guī)律是簡(jiǎn)諧振動(dòng)：對(duì)于平面波，其波動(dòng)方程的指數(shù)解為：其三角函數(shù)表達(dá)式為：對(duì)簡(jiǎn)諧波有：聲波作為一種振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其主要的描述物理量有：（1）頻率f人耳可聞的聲波頻率約為20~20kHz，亦稱(chēng)為“聲頻聲”。相對(duì)于“聲頻聲”有“次聲”和“超聲”的概念。不同聲學(xué)研究領(lǐng)域的聲波頻率范圍：次聲：10-4~20Hz；臺(tái)風(fēng)、地震、核爆炸、天體運(yùn)動(dòng)；聲頻聲：20~20kHz；語(yǔ)言

3、聲學(xué)、音樂(lè)聲學(xué)、電聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、生理聲學(xué)、心理聲學(xué)、振動(dòng)聲學(xué)。超聲：20kHz~106Hz：水聲學(xué)、生物聲學(xué)、仿生學(xué)。106Hz~108Hz：超聲應(yīng)用：檢測(cè)、加工、診療等。特超聲：108~1012Hz：物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。純音與復(fù)音的概念：?jiǎn)我活l率的聲音稱(chēng)為純音，含有多種頻率的聲音稱(chēng)為復(fù)音。（2）波長(zhǎng)對(duì)于聲頻聲：最小波長(zhǎng)（20Hz）約為：28.6m；低頻聲（100Hz）約為：3.44m；中頻聲（1000hz）約為：0.344m；高頻聲（10kHz）約為：0.034m。（3）聲速c聲速與振動(dòng)的特性無(wú)關(guān)，僅取決于介質(zhì)的

4、彈性密度及溫度。對(duì)于空氣：c=331.6+0.6t常溫下（20oc）：c=344(m/s)常溫下水中聲速：c=1480(m/s)0oc時(shí),鋼的聲速：c=5000(m/s)松木的聲速：c=3320(m/s)2、聲壓、聲強(qiáng)、聲功率（能量）（1）聲壓P聲壓是指介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)由于聲波作用而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)所引起的大氣壓力的波動(dòng)值。單位是帕斯卡。在聲場(chǎng)中，聲壓是空間位置和時(shí)間的函數(shù)，空間某一點(diǎn)的聲壓值有瞬時(shí)聲壓（Pa）和有效聲壓（Pe）的概念。有效聲壓為瞬時(shí)聲壓的均方根值。對(duì)于簡(jiǎn)諧波，有效聲壓Pe=Pa/。人耳感覺(jué)聲壓的下限閾值：2

5、x10-5（帕），一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：101325（帕），二者相差10億倍?。?）聲強(qiáng)I單位時(shí)間內(nèi)，在垂直至于聲波傳播方向的單位面積內(nèi)所通過(guò)的平均聲能量，稱(chēng)為聲強(qiáng)。單位：瓦/平方米（w/m2）。聲強(qiáng)有方向，是矢量。對(duì)于平面波，由于波陣面沿傳播方向是不變的，故聲強(qiáng)沿傳播方向也是不變的，處處相等。對(duì)于球面波，其波陣面為球面，隨傳播半徑的增大而增大，故有：W——聲源聲功率。（3）聲壓與聲強(qiáng)的關(guān)系在平面波和球面波的條件下，聲強(qiáng)與聲壓有如下關(guān)系：——空氣的靜態(tài)密度；c0——空氣中的聲速；——空氣的特性阻抗。（4）聲功率W單位

6、時(shí)間內(nèi)聲源輻射的總聲能，稱(chēng)為聲功率。單位：瓦（w）。對(duì)于球面聲源，聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系為：聲功率可以是指全頻范圍所輻射功率，也可以指在某個(gè)有限頻率范圍內(nèi)的輻射功率，也稱(chēng)為頻帶聲功率。聲場(chǎng)中的聲能通常用聲能密度表達(dá)：聲能密度——單位體積介質(zhì)具有的聲能，w/m3。常見(jiàn)聲源的聲功率：聲源種類(lèi)聲功率噴氣飛機(jī)10kw汽錘1w汽車(chē)0.1w鋼琴2mw女高音1~7.2mw對(duì)話(huà)10~50uw3、聲級(jí)與聲級(jí)疊加正常人耳所能感知的聲強(qiáng)和聲壓范圍是很大的。對(duì)于1000Hz純音，人耳剛能感知的聽(tīng)閾聲強(qiáng)是10-12(w/m2)，聽(tīng)閾聲壓是2

7、x10-5（Pa）；而痛閾聲強(qiáng)是1(w/m2)，相應(yīng)的聲壓值為20（Pa）。由此可見(jiàn)，人耳聽(tīng)閾的聲強(qiáng)差達(dá)10-12倍，聲壓差達(dá)10-6倍。因此，直接用聲強(qiáng)和聲壓的絕對(duì)值來(lái)標(biāo)度聲音很不方便，而改用聲強(qiáng)、聲壓的對(duì)數(shù)值標(biāo)度就可以大大壓縮標(biāo)度范圍。同時(shí)，人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的響應(yīng)也接近于與聲強(qiáng)、聲壓的對(duì)數(shù)成正比。所以，對(duì)聲音強(qiáng)弱的標(biāo)度通常采用聲強(qiáng)、聲壓的對(duì)數(shù)值。也就是我們所熟悉的“聲級(jí)”。（1）聲壓級(jí)Lp(dB)P——某點(diǎn)的聲壓，N/m2；P0——基準(zhǔn)聲壓，2x10-5N/m2(2)聲強(qiáng)級(jí)LI(dB)I-某點(diǎn)的聲強(qiáng),w/m2

8、；I0-基準(zhǔn)聲強(qiáng)，10-12w/m2。(3)聲功率級(jí)Lw(dB)W——某點(diǎn)的聲功率，w；W0——基準(zhǔn)聲功率，10-12w。(4)聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系在一個(gè)大氣壓力和室溫條下，。聲級(jí)的定量概念:人耳的可聽(tīng)閾：0dB郊外的靜夜：約20dB房間內(nèi)的談話(huà)聲：60~70dB（相距1米）交通車(chē)輛的噪聲：75dB（相距10米）人耳對(duì)聲音強(qiáng)度的分辨能力約為0.5dB。（5）聲級(jí)的疊加當(dāng)幾個(gè)不同的聲源同