1、§1 聲傳播的基礎知識,§1.1 聲波的基本性質一、聲波的概念“媒質質點的機械振動由近及遠地傳播稱為聲波?！薄堵晫W基礎》“人耳聽覺系統(tǒng)所能感受到的信號稱為聲音。”——《環(huán)境聲學基礎》聲音傳播的過程：聲源（振源）—媒介（介質）—聽覺系統(tǒng)—聲音信號 聲 音在環(huán)境聲學中

2、，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。波動方程為 波動方程的指數(shù)解：平面波傳播的特點：聲壓振幅與傳播距離無關。 （聲場內聲壓值處處相等）,2、球面波：波陣面為球面。波動方程為 ：波動方程的指數(shù)解：球面波傳播的特點：聲壓振幅與傳播距離成反比。,3、柱面波：波陣面為柱面。

3、 柱面波傳播的特點：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、聲速（運動學量）聲波波動的基本規(guī)律是簡諧振動：對于平面波，其波動方程的指數(shù)解為：,其三角函數(shù)表達式為：對簡諧波有： 聲波作為一種振動運動，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，亦稱為“聲頻聲”。相對于 “聲頻

4、聲”有“次聲”和“超聲”的概念。,不同聲學研究領域的聲波頻率范圍：次聲： 10-4~ 20Hz；臺風、地震、核爆炸、天體運動；聲頻聲： 20~20kHz；語言聲學、音樂聲學、電聲學、環(huán)境聲 學、生理聲學、心理聲學、振動聲學。超聲： 20kHz ~ 10 6Hz：水聲學、生物聲學、仿生學。 10 6Hz ~ 10 8Hz：超聲應用：檢測、加工、診療等。特超聲： 10 8 ~10 12 Hz：物質結構研究

5、。,純音與復音的概念： 單一頻率的聲音稱為純音，含有多種頻率的聲音稱為復音。（2）波長對于聲頻聲：最小波長（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 聲速與振動的特性無關，僅取決于介質的彈性密度及溫度。對于空氣：c=331.6+0.6t常溫下（20 oc）：

6、c=344 (m/s)常溫下水中聲速： c=1480 (m/s)0 oc時,鋼的聲速： c=5000 (m/s) 松木的聲速： c=3320 (m/s),2、聲壓、聲強、聲功率（能量）（1）聲壓 P 聲壓是指介質質點由于聲波作用而產(chǎn)生振動時所引起的大氣壓力的波動值。單位是帕斯卡。 在聲場中，聲壓是空間位置和時間的函數(shù)，空間某一點的聲壓值有瞬時聲壓（ Pa ）和有效聲壓（Pe）

7、的概念。有效聲壓為瞬時聲壓的均方根值。對于簡諧波，有效聲壓 Pe= Pa / 。人耳感覺聲壓的下限閾值：2x10-5 （帕），一個標準大氣壓：101325 （帕），二者相差10億倍！,（2）聲強 I 單位時間內，在垂直至于聲波傳播方向的單位面積內所通過的平均聲能量，稱為聲強。單位：瓦/平方米（w/m2）。聲強有方向，是矢量。 對于平面波，由于波陣面沿傳播方向是不變的，故聲強沿傳播方向也

8、是不變的，處處相等。 對于球面波，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）聲壓與聲強的關系 在平面波和球面波的條件下，聲強與聲壓有如下關系： ——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 單位時

9、間內聲源輻射的總聲能，稱為聲功率。單位：瓦（w）。對于球面聲源，聲功率與聲強的關系為： 聲功率可以是指全頻范圍所輻射功率，也可以指在某個有限頻率范圍內的輻射功率，也稱為頻帶聲功率。聲場中的聲能通常用聲能密度表達： 聲能密度——單位體積介質具有的聲能，w/m3 。,常見聲源的聲功率：,3、聲級與聲級疊加 正常人耳所能感知的聲強和聲壓范圍是很大的。對于100

10、0Hz純音，人耳剛能感知的聽閾聲強是10-12 (w/m2)，聽閾聲壓是2x10-5（Pa）；而痛閾聲強是1 (w/m2)，相應的聲壓值為20（Pa）。由此可見，人耳聽閾的聲強差達10-12 倍，聲壓差達10-6倍。因此，直接用聲強和聲壓的絕對值來標度聲音很不方便，而改用聲強、聲壓的對數(shù)值標度就可以大大壓縮標度范圍。同時，人耳對聲音強弱的響應也接近于與聲強、聲壓的對數(shù)成正比。所以，對聲音強弱的標度通常采用聲強、聲壓的對數(shù)值。也就是我們

11、所熟悉的“聲級”。,（1）聲壓級 Lp (dB) P——某點的聲壓，N/m2； P0——基準聲壓，2x10-5 N/m2(2)聲強級LI (dB) I-某點的聲強, w/m2；

12、 I0-基準聲強， 10-12 w/m2。,(3)聲功率級Lw (dB) W——某點的聲功率， w； W0——基準聲功率， 10-12 w。(4)聲壓級與聲強級的關系 在一個

13、大氣壓力和室溫條下， 。,聲級的定量概念: 人耳的可聽閾：0dB 郊外的靜夜：約20dB 房間內的談話聲：60~70dB（相距1米） 交通車輛的噪聲：75dB （相距10米） 人耳對聲音強度的分辨能力約為0.5dB。（5）聲級的疊加 當幾個不同的聲源同時作用于某一點時，如果是不相干聲源，則該點的總聲強是各個生源產(chǎn)生的聲

14、強之和：,它們的總聲壓是各聲壓的方根值： 但是對聲級進行疊加時，不能進行簡單的算術相加，而要按對數(shù)運算規(guī)則進行相加。例如，n個聲壓相等聲音疊加時，,由上式可見，兩個數(shù)值相等的聲壓級疊加時，只比一個增加3dB。兩個聲源的疊加還可表達為： 在工程上，聲壓級的疊加計算還可以采用計算表計算：,（參見建聲P10表1-3）,四、聲信號的頻率特性、時間特性和指向性1、頻率特性 自然界中

15、各種聲音信號，如語言聲、音樂聲、機器噪聲、風雨聲等，都不是單頻的聲音，而是包含多種頻率成分的“復音”。不同的聲音其含有的頻率成分及各頻率上的能量分布是不同的。將這種聲能按頻率標定的分布圖，就稱為聲信號的頻譜。,如果聲音包含的頻率成分是不連續(xù)的，即是離散的頻率成分，則其頻譜表現(xiàn)為“離散譜”（線譜）： 如果聲信號在一定頻率范圍內含有連續(xù)的頻率成分，則其頻譜表現(xiàn)為“連續(xù)譜”： 在聲學測量中，為了便于信號分析，通

16、常把聲頻范圍劃分成一系列連續(xù)的頻帶。分析精度高時，頻帶帶寬可分的窄一些；分析精度不高時，頻帶帶寬可分的寬一些。,參見P11圖1-7,參見P11圖1-8,常用的頻帶劃分有倍頻帶和1/3倍頻帶：倍頻帶：上限頻率是下限頻率的2倍， 即 1/3倍頻帶：上限頻率是下限頻率的 （1.26）倍，即 上下限頻率也稱為截止頻率。 倍頻帶和1/3倍頻帶是以頻帶中心頻率f

17、m來劃分排列的。中心頻率是截止頻率的幾何平均：,參見P12表1-4,2、時間特性 聲信號的時間特性也有多種多樣，如連續(xù)穩(wěn)定的、間斷的、起伏變化的、脈沖性的等等，大致可分類為： 周期性 確定 準

18、周期性 穩(wěn)態(tài)信號 不確定（隨機） 連續(xù)（語言聲） 非穩(wěn)態(tài)信號 瞬時（脈沖聲）,,,,（參見《音響聲學》P56）,聲信號的時間波形和頻譜特性具有內在的聯(lián)系

19、：時域信號和頻域信號之間的傅立葉變換。因此了解聲信號的時域與頻域之間的對應關系，對于分析和掌握聲信號的特性是很有必要的。,參見《環(huán)基〉P14,3、聲源的指向性 所謂聲源指向性使指聲源在自由聲場中形成的聲場強度在空間上分布不均勻。 產(chǎn)生聲源指向性的原因，對于單一聲源，與聲源自身的尺度和輻射聲波的頻率有關；對于多聲源，除了與自身尺度和輻射頻率有關外，還與聲源之間的干涉有關。描述指向性的參數(shù)有

20、：（1）指向性因數(shù) — 方向上的聲強； —所有輻射方向上平均聲強。（2）指向性指數(shù) (dB),（參見P13圖1-9）,結束？,繼續(xù)？,§1.2 戶外聲的傳播 戶外聲傳播的特點：在大氣環(huán)境中發(fā)散傳播，受到氣象、地形等條件的影響。一、戶外聲傳播的發(fā)散規(guī)律1、點聲源在自由場中

21、的輻射 理想的點聲源輻射為球面波。 對穩(wěn)態(tài)聲源有：,以聲級表達： (dB) —聲級的衰減。 傳播距離加倍，聲級衰減約6 dB，這就是球面波在自由場中傳播的規(guī)律。,2、指向性聲源的輻射 對于指向性聲源，雖然聲場各個方向的輻射強度不相等，但在輻射的遠場區(qū)，沿某一方向上的傳播

22、規(guī)律，仍可視為球面波的傳播，即必須指出：聲源的指向性是隨頻率而變化的， 、 應對應一定的頻率（段）。,3、半自由聲場中的輻射 對于剛性壁面，半自由聲場中任一點的聲壓都是直達聲和反射聲的疊加。當聲源高度 h 遠小于波長（低頻聲），或聲程差（r1+r2）-r小于波長時，直達聲與反射聲近似同相位，聲波相干涉，總聲壓是沒有反射波時的兩倍，聲壓級增加6dB。 但在實際問題中滿足理想聲源以

23、及同相條件的聲輻射很少，即實際聲場中某處的聲壓應是各種頻率的、不同相位的聲波的疊加。所以疊加后的聲壓值不一定都是直達聲的兩倍。,（參見《環(huán)基〉P17）,對于輻射寬頻噪聲的實際聲源，其聲場可視為“擴散聲場”，即半自由聲場中各種頻率聲波信號的相位是無規(guī)的，聲場中的直達聲與反射聲是不相干的，因此，聲場某處的平均聲能密度應為直達聲與反射聲的和，即聲強加倍。聲壓級則增加3dB，而不是6dB。 這種情況下，對于聲場某一方向上的聲壓

24、級應表達為： 在某一傳播方向上，仍然符合球面波的傳播規(guī)律：距離加倍，聲壓降低6dB。,4、半自由場中的線聲源 在實際的環(huán)境聲學問題中，象在路軌上行使的列車、公路上行使的汽車隊都可近似視為線聲源。由于機車和汽車輻射的都是寬頻噪聲，相互之間沒有固定的相位關系，因而構成“不相干的線聲源”。（1）連續(xù)分布無限長聲源： 柱面波,（公式推導：參見《環(huán)境聲學基礎〉P18圖1.10）,,（2）有限長線聲

25、源： W——總輻射聲功率； l——線聲源長度。當觀察點離線聲源較近，視角 ：

26、 ——柱面波當觀察點離線聲源很遠，視角 ： ——球面波,（公式推導：參見《環(huán)境聲學基礎〉P18圖1.10）,二、空氣吸收對聲傳播的影響1、經(jīng)典吸收 聲波在空氣中傳播，因空氣的粘滯性和熱傳導作用，在壓縮和膨脹過程中，使一部分聲能轉化成熱能而損耗

27、。 可以證明，經(jīng)典吸收的大小與聲波頻率的平方成正比。,2、分子馳豫吸收 所謂分子馳豫吸收是指由于分子的自由度能量（移動和轉動能量）與內自由度能量（振動能量）重新平衡（分配）所引起的能量吸收。 研究表明：無論是經(jīng)典吸收還是馳豫吸收，都與空氣的氣壓、溫度、濕度密切相關。特別是空氣的濕度對分子振動馳豫的影響很大。,在環(huán)聲工程中，可采用如下公式： Aa—20 oc時，每百米距離

28、衰減的分貝數(shù)； f—頻率（Hz）； r—傳播距離（m）； —相對濕度。對于不同溫度，可以修正： —與20 oc的溫差值。,工程中常用空氣吸收衰減表來計算衰減值：三、氣象條件對聲傳播的影響1、雨、雪、霧的影響 由于雨、霧或雪天的其他氣候條件，如溫度、濕度和風等有利于聲波的傳播，其綜合效應引起的逾量衰減實際上可以忽略，實驗表明，由雨、雪、霧的影

29、響所引起的衰減小于0.5(dB)/100m。,（參見環(huán)基P20表1-1）,2、溫度梯度對聲傳播的影響 由于在大氣中聲速與空氣絕對溫度的平方根成正比，因此當大氣層溫度隨高度增加而減小時，比如晴日白天，聲線將向上彎曲，產(chǎn)生聲影區(qū)； 反之，如果大氣層溫度隨高度增加而增加時，比如晴天夜晚，聲線將向下彎曲。,（參見聲學手冊P145）,3、風場對聲傳播的影響 由于地面的摩擦作用，風速梯度沿高度方向為正分

30、布。當聲波順風傳播時，受風速的影響，沿地面高度方向聲速是增加的，因此，聲線是向下彎曲的；當聲波逆風傳播時，沿地面高度方向聲速是減少的，故聲線應向上彎曲，產(chǎn)生聲影區(qū)。,（參見聲學手冊P145）,實際聲場的氣象條件是復雜的，一是各種因素的綜合影響，二是氣象條件是不穩(wěn)定的。由此引起聲波在大氣中傳播的聲級是隨機起伏的。在比較穩(wěn)定的氣象條件下，如靜夜、弱風情況下，聲級的起伏約為5dB；而在不穩(wěn)定氣象條件下，如晴天、強風情況下，聲級的起伏可達15~

31、20 dB。這種情況下，在現(xiàn)場進行聲學測量時要注意加以修正，以獲得正確的結果。,四、地面效應對聲傳播的影響 地表效用對聲傳播的影響主要表現(xiàn)在不同地表情況下將產(chǎn)生不同的聲阻抗，因此情況比較復雜。對于一般非剛性地面，如草坪、農(nóng)田等情況，在30m~70m的近距離范圍內，地面效應引起的衰減可以忽略。而在70m~700m的遠距離范圍內，可用逾量衰減（dB/100m）來描述。（1）厚草地和灌木林的逾量衰減

32、 對于1000Hz的純聲，厚草地和灌木林的逾量衰減可以達到25dB/100m；,對于不同頻率的聲波，它有如下近似關系： —逾量衰減（dB）； r—路程長度（m）。（2）樹林的逾量衰減 聲波穿過樹林時，不同的樹種、密度會產(chǎn)生不同的聲阻抗。濃密的常綠樹林對1000Hz的純聲約有23dB/100m的衰減；而樹干稀疏的樹林則只有3dB/100m的衰減。各種樹林的平均逾量衰

33、減可近似表達為：,§1.3 聲波遇到邊界面和障礙物時的傳播 一、聲波的反射與吸收 當聲波在傳播過程中遇到線度比波長大得多的障板時，將會產(chǎn)生聲波的反射。1、聲波的反射（1）平面波的反射：遵循斯奈爾定律。 （a）入射線、反射線和反射平面的法線在同一 平面內； （b）入射線和反射線分別在法線的兩側； （c）反射角等于入射角。,（參見聲基P206圖4-1

34、0-3）,（2）球面波（點聲源）的反射：符合鏡像原理。（3）凹凸面的反射 凸面：產(chǎn)生散射； 凹面：產(chǎn)生聚焦。2、聲波的吸收 當聲波入射到建筑構件（如墻壁、天花板）表面時，聲能的一部分被反射，一部分透過構件，還有一部分由于構件的振動或聲波在其內部傳播時介質的摩擦或熱傳導而被損耗，通常稱之為材料的吸收。,（參見環(huán)基P23圖1.18）,（參見建聲P4圖1-4）

35、,（參見建聲P5圖1-5）,根據(jù)能量守恒定律，容易推得： 反射聲能與入射聲能之比稱為“反射系數(shù)”，記為 r ： 透射聲能與入射聲能之比稱為“透射系數(shù)”，記為 ：材料的吸聲系數(shù)記為 ：,在工程上，通常將吸聲系數(shù)大于0.2 的材料稱為吸聲材料；而材料的透聲性 能是用隔聲量 R表達的，隔聲量 R與透射 系數(shù)的關系為：

36、 （dB） 顯然，透射系數(shù)越小的材料隔聲性能越好。,二、聲波的散射與繞射1、聲波的散射 聲波在傳播過程中，如果遇到一些小的凸形粗糙界面（線性尺寸小于波長的1/7） ，就會被分解成許多較小的反射波，并且使傳播的立體角擴大，這種現(xiàn)象稱為擴散反射。 擴散反射可分為完全擴散和部分擴散兩種。 完全擴散反射：入射聲線均勻的向四面八方反

37、射，反射方向分布與入射方向無關。部分擴散反射：反射同時具有鏡像和擴散兩種形式，即部分作鏡像反射，部分作擴散反射。室內壁面的聲波反射大多都是部分擴散反射。,（參見建聲P21圖2-3）,2、聲波的繞射（衍射） 當聲波在傳播過程中遇到一塊有小孔的障板時，并不像光線那樣直線傳播，而是能繞到障板的背后繼續(xù)傳播，改變原來的傳播方向，這種現(xiàn)象稱為繞射。 聲波的繞射可用惠更斯原理解釋：波所到達的每一點，都

38、可以看作是新的波源，從這些新的波源發(fā)出次波來，新的波前就是這些次波的包跡。 如果孔的尺度與聲波波長相比很小時，小孔處的空氣質點可近似看作一個集中的新聲源，產(chǎn)生新的球面波。它與原來的波形無關。當孔的尺度比波長大得多時，新的波形則比較復雜。,（參見建聲P4圖1-2a\b）,（參見《音響聲學》P33圖3-13）,當聲波遇到某一障板，聲音繞過障板邊緣而進入其背后傳播的現(xiàn)象也是繞射的結果。例如，有一聲源在墻的一側發(fā)聲，而在

39、另一側雖然看不見聲源卻能聽見聲音，就是聲波繞射的結果。聲波的頻率越低，繞射的現(xiàn)象越明顯。,（參見建聲P4圖1-2c\d）,三、 運動聲源的多普勒效應 在日常生活中，我們可以發(fā)現(xiàn)火車迎面開來時聽到的鳴笛聲音調高亢，而當火車擦身而過駛向身后再聽到的笛聲音調就變得低沉悠長。這種現(xiàn)象就是多普勒效應：當波源與波的接收者之間以一定速度做相對運動時，接收者所接收到的波的頻率（或波長）就會改變。當聲源與接收者之間作相向運動即相互靠近時