《噪声控制工程》ppt电子书

第二章:环境声学的基本概念 2.1声波的产生及描述方法 2.1.1声波的产生 1.声源:声音是由物体的振动而产生的,因此凡能产生声音的振动物体统称为声源。从物体的形态来分, 声源可分为固体、气体、液体声源等 2声波的形成:当声源振动时,就会引起声源周围弹性媒质一一空气分子的振动。这些振动的分子又使 其周围的空气分子产生振动。在弹性媒质中,物体的机械振动由近及远的传播过程叫声波。声波可以在 空气、液体、固体中传播,但在噪声控制中主要涉及在空气中的传播。我们在此要注意:声波在空气中 的传播,空气质点本身并不曾随声波一起传播,只是在它的平衡位置来回振动。故声音的传播,实质是 振动的传播,传播出去的是物质的能量,而非物质本身。(画图说明) 3.产生声音感觉的条件:(1)具有一定声能的振动(2)有传播声波的媒质(气体、固体、液体)(3)产 生振动的频率必须在20-20000z内 2.1.2描述的物理量 声音是一种波动,因此它就必然具有波的所有性质,可以用通常描述波动的物理量进行描述,通 常用频率、波长、相位、声速和声压来描述 声压:当声波在空气中传播时,会形成弹性媒质(空气)的疏密相间的状态,当媒质密集时,这部 分的空气压强P会比平衡状态下的静态压强Po大,当媒质稀疏时,这部分的空气压强P会比平衡状态下 的静态压强P小,即在声波的传播过程中,空气压强随着声波作周期性变化。因此可以用声扰动在空气 中所产生的逾量压强p来表述声波的状态:p=P一Po,这个逾量压强p称为该点的瞬时声压,单位是帕 斯卡(Pa)。区分有效声压 2.相位:是指任一时刻t的质点振动状态,包括运动方向、振动位移、压强变化等,它描述质点运动状 态。对于简谐振动,沿x正方向传播的平面声波一般用ot-kx+φ来表示,其中o=2rf为角频率,t为 时间,k=ω/c称为波数,φ为初相位在实际使用中适当选取时间的起始值或适当选取ⅹ轴的坐标原点 使其等于0。 3.波长:在同一时刻,从某一个最稠密(或最稀疏)的地点到相邻的另一个最稠密(或最稀疏)的地点 之间的距离称为声波的波长,记为λ,单位为米。 4周期、频率:振动重复1次的最短时间间隔称为周期,记为T,单位为秒,周期的倒数,即单位时间 内的振动次数,称为频率 5声速:媒质质点在声源激发下产生的振动状态在媒质中自由传播的速度为声速,记为c,在一定的媒质 中,声速与媒质的温度有关,在空气中声速与空气温度的关系是c=3314+0.6lt(m/s),t为空气媒质的温度 我们在实际应用中可以取15℃空气声速即340m/s,就能满足一般工程精度要求。 22声波类型和声场类型 22.1波动方程及其几个概念 在声学中,一般用声压p来描述声波,在均匀的理想流体媒质中的用小振幅声波波动方程描述声

11 第二章：环境声学的基本概念 2.1 声波的产生及描述方法 2.1.1 声波的产生 1.声源：声音是由物体的振动而产生的，因此凡能产生声音的振动物体统称为声源。从物体的形态来分， 声源可分为固体、气体、液体声源等。 2.声波的形成：当声源振动时，就会引起声源周围弹性媒质――空气分子的振动。这些振动的分子又使 其周围的空气分子产生振动。在弹性媒质中，物体的机械振动由近及远的传播过程叫声波。声波可以在 空气、液体、固体中传播，但在噪声控制中主要涉及在空气中的传播。我们在此要注意：声波在空气中 的传播，空气质点本身并不曾随声波一起传播，只是在它的平衡位置来回振动。故声音的传播，实质是 振动的传播，传播出去的是物质的能量，而非物质本身。（画图说明） 3.产生声音感觉的条件：（1）具有一定声能的振动（2）有传播声波的媒质（气体、固体、液体）（3）产 生振动的频率必须在 20-20000Hz 内。 2.1.2 描述的物理量 声音是一种波动，因此它就必然具有波的所有性质，可以用通常描述波动的物理量进行描述，通 常用频率、波长、相位、声速和声压来描述。 1. 声压：当声波在空气中传播时，会形成弹性媒质（空气）的疏密相间的状态，当媒质密集时，这部 分的空气压强 P 会比平衡状态下的静态压强 P0 大，当媒质稀疏时，这部分的空气压强 P 会比平衡状态下 的静态压强 P0 小，即在声波的传播过程中，空气压强随着声波作周期性变化。因此可以用声扰动在空气 中所产生的逾量压强 p 来表述声波的状态：p=P－P0，这个逾量压强 p 称为该点的瞬时声压，单位是帕 斯卡（Pa）。区分有效声压 2.相位：是指任一时刻 t 的质点振动状态，包括运动方向、振动位移、压强变化等，它描述质点运动状 态。对于简谐振动，沿 x 正方向传播的平面声波一般用 ωt－kχ+φ 来表示，其中 ω＝2лf 为角频率，t 为 时间，k=ω/c 称为波数，φ 为初相位在实际使用中适当选取时间的起始值或适当选取 x 轴的坐标原点， 使其等于 0。 3.波长：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）的地点到相邻的另一个最稠密（或最稀疏）的地点 之间的距离称为声波的波长，记为 λ，单位为米。 4.周期、频率：振动重复 1 次的最短时间间隔称为周期，记为 T，单位为秒，周期的倒数，即单位时间 内的振动次数，称为频率。 5.声速：媒质质点在声源激发下产生的振动状态在媒质中自由传播的速度为声速，记为 c，在一定的媒质 中，声速与媒质的温度有关，在空气中声速与空气温度的关系是 c=331.4+0.61t(m/s),t 为空气媒质的温度， 我们在实际应用中可以取 15℃空气声速即 340m/s，就能满足一般工程精度要求。 2.2 声波类型和声场类型 2.2.1 波动方程及其几个概念 在声学中，一般用声压 p 来描述声波，在均匀的理想流体媒质中的用小振幅声波波动方程描述声

传播规律,它是一个二阶偏微分方程,是在运动方程(牛顿第二定律)、连续性方程、状态方程三个定律 的基础上推导出来的 p op op p Ox ay az 这个方程是在满足以下假设条件的基础上推导出来: )假设媒质为理想流体,声波在这种媒质中传播时没有能量耗损,在媒质中不存在粘滞性 (2)假设声扰动之前媒质宏观上是静止且均匀的,压强Po和密度po都是常数。 3)假设声传播过程媒质膨胀压缩产生的温度差不会引起媒质相邻部分发生热交换,即声传播过程为 绝热过程。 (4)假设媒质中传播的是小振幅声波,即满足声压p比静态压强Po小的多;质点振动速度u比声速c 小的多;质点位移ξ比声波波长λ小的多;媒质密度的相对变化远小于1,即(p-po)lpo< 在波动方程中,声压p是空间坐标(xy,z)和时间t的函数,记为p(x、y、z、t),描述不同地点、不同 时刻声压的变化规律 波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线 声场:空间中存在声波的区域称为声场 声线:也称为声射线,是声源发出的代表能量传播方向的直线,它与波阵面常用来描述声波的传 播,当声波频率较高,传播途径中遇到的物体的几何尺寸声波波长大很多时,可以不计声波的波动特性, 直接用声线来处理,后面我们谈到的声像就用声线来正理的 声阻抗率:指声场中某位置的声压与该位置的质点振动速度的比值,它代表的不是声能转化为热 能,而是代表着能量从一处向另一处转移,即传播损耗。用公式表示为Z=p/u 2.22声波类型 根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成平面声波、球面声波、柱面声波等类型。 (1)平面声波 如果声源是一块无限大的平面,而且声源上每一点都处于同一相位,定义声音传播方向为x,则声 场在空间的yz两个方向是是均匀的,即声压、质点振动等物理量在垂直于x轴的同一平面上处处相等 (亦即波阵面垂直于X轴),不随y、z值而变化。这时波动方程简化为 p 1 a p 我们把这种声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时,叫平面声波,它的声线是相互平行的 系列直线。活塞在管中运动所辐射的声波是典型的平面声波,对于沿正x方向传播的简谐平面声波有 以下三个基本公式: 1)瞬时声压:p(xt)= Pocos(ot-kx),Po为声压振幅 2)质点振动速度:u= Cocos(ot-kx),式中Uo= Po/poc为质点振动的速度振幅。 3)声阻抗率:Z=p和u=poc,只与媒质的密度和媒质中的声速有关,而与声波的频率、幅值等无关,故又 称为poc为媒质的特性声阻抗。 (2)球面声波 当声源的几何尺寸比声波波长小很多时,或测量点离开声源相当远时,则可以将声源看成一个点

12 传播规律，它是一个二阶偏微分方程，是在运动方程（牛顿第二定律）、连续性方程、状态方程三个定律 的基础上推导出来的。 2 2 2 2 2 2 2 2 2 t p c 1 z p y p p   =   +   +   这个方程是在满足以下假设条件的基础上推导出来： （1） 假设媒质为理想流体，声波在这种媒质中传播时没有能量耗损，在媒质中不存在粘滞性； （2） 假设声扰动之前媒质宏观上是静止且均匀的，压强 P0 和密度 ρ0 都是常数。 （3） 假设声传播过程媒质膨胀压缩产生的温度差不会引起媒质相邻部分发生热交换，即声传播过程为 绝热过程。 （4） 假设媒质中传播的是小振幅声波，即满足声压 p 比静态压强 P0 小的多；质点振动速度 u 比声速 c 小的多；质点位移 ξ 比声波波长 λ 小的多；媒质密度的相对变化远小于 1，即（ρ－ρ0）/ρ0<<1。 在波动方程中，声压 p 是空间坐标（x,y,z）和时间 t 的函数，记为 p(x、y、z、t)，描述不同地点、不同 时刻声压的变化规律。 波阵面：是指空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。 声场：空间中存在声波的区域称为声场。 声线：也称为声射线，是声源发出的代表能量传播方向的直线，它与波阵面常用来描述声波的传 播，当声波频率较高，传播途径中遇到的物体的几何尺寸声波波长大很多时，可以不计声波的波动特性， 直接用声线来处理，后面我们谈到的声像就用声线来正理的。 声阻抗率：指声场中某位置的声压与该位置的质点振动速度的比值，它代表的不是声能转化为热 能，而是代表着能量从一处向另一处转移，即传播损耗。用公式表示为 Zs=p/u。 2.2.2 声波类型 根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分成平面声波、球面声波、柱面声波等类型。 （1） 平面声波 如果声源是一块无限大的平面，而且声源上每一点都处于同一相位，定义声音传播方向为 x，则声 场在空间的 y\z 两个方向是是均匀的，即声压、质点振动等物理量在垂直于 x 轴的同一平面上处处相等 （亦即波阵面垂直于 X 轴），不随 y、z 值而变化。这时波动方程简化为 2 2 2 2 2 t p c 1 x p   =   我们把这种声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，叫平面声波，它的声线是相互平行的 一系列直线。活塞在管中运动所辐射的声波是典型的平面声波，对于沿正 x 方向传播的简谐平面声波有 以下三个基本公式： 1）瞬时声压：p(x,t)=P0cos(ωt－kχ),P0 为声压振幅 2）质点振动速度：ux=U0cos(ωt－kχ)，式中 U0＝P0/ρ0c 为质点振动的速度振幅。 3）声阻抗率：Zs=p/u＝ρ0c，只与媒质的密度和媒质中的声速有关，而与声波的频率、幅值等无关，故又 称为 ρ0c 为媒质的特性声阻抗。 （2）球面声波 当声源的几何尺寸比声波波长小很多时，或测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成一个点

称为点声源(在噪声控制工程中大都声源可作为点声源来处理)。因为在各向同性的均匀媒质中,各方向 上声的传播速度相等,点声源辐射声波在距声源同一距离的球面上相位处处相等,波阵面是一系列同心 球面,这种声波称为球面声波。它的波动方程为 a2(p)1a2 1)瞬时声压:p(rt)=Por×cos(ot-kx),Por为声压振幅,随传播距离r的增加而减少,二者成反比关系。 2)质点振动速度:u= Cocos(ot-kx),式中Uo= Po/pocr为质点振动的速度振幅 3)声阻抗率:Z=p/u=poc,与平面声波的相同 (3)柱面声波 如果声源在一个尺度上特别长,例如繁忙的公路,比较长的运输线,都可以看成是线声源实例,这 类声源形成的声波波阵面是一系列同心圆柱,它的波动方程为 1 a(op 1 a2 ,其中r为径向半 r ar Or ) cat 径 223声场的类型(各声场的特点) 声场可分为自由声场、半自由声场、扩散声场。 自由声场:均匀、各向同性的流体媒质中,若声场不受边界的影响,或者声场的边界在无穷远处,这 时的声场叫自由声场,理想的自由声场是不存在的,因为人们生活的空间总存在边界,当边界的影响小 到可以忽略不计时,可以近似认为,如在声学研究中人工建立的全消声室。 2.半自由声场:如果存在一个全反射面,反射面上方不存在边界的影响,则称为半自由声场。 3.扩散声场:也称为混响声场,声波在室内等封闭空间内传播时,存在许多反射面,声波经过壁面和 室内物体多次反射,不断改变传播方向,使室内声的传播完全处于无规状态。如果在室内任何一点 各个方向传来的声波几率相等,声音的相位无规,这样的声场叫 第三章声压级、声强级、声功率级及其计算 3.1声压、声能量、声强、声功率 1.声压 声能量 声波在媒质中传播,一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动,产生动能;另一方面又使媒质 产生了压缩和膨胀的疏密过程,使媒质具有形变的势能,这两部分能量之各就是由于声扰动使媒质得到 的声能量 声场中单位体积媒质所含有的声能量称为声能密度,记为D,单位为焦耳每立方米 3声强 单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量叫声强,一般用I表示,单位为W/m2 4声功率 声源在单位时间内辐射的声能量叫声功率,声功率用W表示,单位为瓦

13 称为点声源（在噪声控制工程中大都声源可作为点声源来处理）。因为在各向同性的均匀媒质中，各方向 上声的传播速度相等，点声源辐射声波在距声源同一距离的球面上相位处处相等，波阵面是一系列同心 球面，这种声波称为球面声波。它的波动方程为： ( ) ( ) 2 2 2 2 2 t rp c 1 r rp   =   1）瞬时声压：p(r,t)=P0/r×cos(ωt－kχ),P0/r 为声压振幅,随传播距离 r 的增加而减少，二者成反比关系。 2）质点振动速度：u=U0cos(ωt－kχ)，式中 U0＝P0/ρ0cr 为质点振动的速度振幅。 3）声阻抗率：Zs=p/u＝ρ0c，与平面声波的相同。 （3）柱面声波 如果声源在一个尺度上特别长，例如繁忙的公路，比较长的运输线，都可以看成是线声源实例，这 类声源形成的声波波阵面是一系列同心圆柱，它的波动方程为 ( ) 2 2 2 t rp c 1 r p r r r 1    =          ，其中 r 为径向半 径。 2.2.3 声场的类型（各声场的特点） 声场可分为自由声场、半自由声场、扩散声场。 1. 自由声场：均匀、各向同性的流体媒质中，若声场不受边界的影响，或者声场的边界在无穷远处，这 时的声场叫自由声场，理想的自由声场是不存在的，因为人们生活的空间总存在边界，当边界的影响小 到可以忽略不计时，可以近似认为，如在声学研究中人工建立的全消声室。 2. 半自由声场：如果存在一个全反射面，反射面上方不存在边界的影响，则称为半自由声场。 3. 扩散声场：也称为混响声场，声波在室内等封闭空间内传播时，存在许多反射面，声波经过壁面和 室内物体多次反射，不断改变传播方向，使室内声的传播完全处于无规状态。如果在室内任何一点， 各个方向传来的声波几率相等，声音的相位无规，这样的声场叫。 第三章 声压级、声强级、声功率级及其计算 3.1 声压、声能量、声强、声功率 1. 声压 2. 声能量 声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能；另一方面又使媒质 产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能，这两部分能量之各就是由于声扰动使媒质得到 的声能量。 声场中单位体积媒质所含有的声能量称为声能密度，记为 D，单位为焦耳每立方米。 3.声强 单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的平均声能量叫声强，一般用 I 表示，单位为 W/m2 4.声功率 声源在单位时间内辐射的声能量叫声功率，声功率用 W 表示，单位为瓦

对于在自由空间中传播的平面声波:它们的关系为 声能密度:D=P 声强:i=P 声功率:W=IS P声压的有效值,它是瞬时声压对时间t取均方根值,即p=Vt pdt,经积分和开方得,人耳听到 的声压为有效值。S为平面声波波阵面的面积。 3.2级的概念 由于声音的强度变化范围相当宽,直接用声功率和声压的数值来表示很不方便,并且人耳对声音强 度的感觉并不正比于强度的绝对值,而更接近正比于其对数值。因此,在声学中普遍使用对数标度 321声压级、声强级和声功率级 1声压级 声压级常用Lp表示,定义见教材P22 2声强级 声强级常用L表示,定义为L1=10g 3声功率级 322声压级的相加 这涉及到两种情况,一种是要求多个声源在某点产生的总声压级,另一种是要求某一个声源发出的 各种频率声波在某点的总声压级。这就要用到级的相加,一般情况下,噪声是由不同频率、无固定相位 差的声波组成,因此不发生干涉现象,这时声波叠加就是声波能量的叠加,p=p1+p2+…+pn

14 对于在自由空间中传播的平面声波：它们的关系为 声能密度： 2 0 2 e c p D  = 声强： c p I 0 2 e  = 声功率： W = IS pe声压的有效值，它是瞬时声压对时间 t 取圴方根值，即  = t 0 2 e p dt t 1 p ，经积分和开方得.，人耳听到 的声压为有效值。S 为平面声波波阵面的面积。 3.2 级的概念 由于声音的强度变化范围相当宽，直接用声功率和声压的数值来表示很不方便，并且人耳对声音强 度的感觉并不正比于强度的绝对值，而更接近正比于其对数值。因此，在声学中普遍使用对数标度。 3.2.1 声压级、声强级和声功率级 1.声压级 声压级常用 Lp 表示，定义见教材 P22 2.声强级 声强级常用 LI表示，定义为 0 I I I L = 10lg ， 3.声功率级 3.2.2 声压级的相加 这涉及到两种情况，一种是要求多个声源在某点产生的总声压级，另一种是要求某一个声源发出的 各种频率声波在某点的总声压级。这就要用到级的相加，一般情况下，噪声是由不同频率、无固定相位 差的声波组成，因此不发生干涉现象 ，这时声波叠加就是声波能量的叠加， 2 n 2 2 2 1 2 pT = p + p ++ p

以两个声源为例来推导: 由声压级的定义得:p2=10xp,那么P=0+102)×p,又据声压级的定义 得总声压级为Ln=10g=10g(o0u+10-),对应n个声源的一般情况有 Ln=0eE10·如果n个声源的声压级相等,那么有L=+0gn 例1:在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB、87dB、90dB、95dB、96dB、9ldB 85dB、80dB,求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少? L=10g034+1087+1090+105+1096+1021+105+1030)=1002dB 例2:有一声源,在某一点测得各中心频率的声压级如下,求该点的总声压级? 中心频率/Hz 63 125 250 500 1000 声压级/dB 80 88 解:由L=10g∑0n得 Ln=10g(0+102+100+1034+10+10+104)=97B 323声波的相减 在噪声测量的过程中,经常会受到外界噪声的干扰,在噪声测量中,待测噪声以外的其他声音统 称为背景噪声,扣除背景噪声是获得真正声源引起噪声值的必要步骤。如果在有背景噪声存在的情况下 测得某声源的声压级为LP.声源停止发声后测得背景噪声的声压级为LpB,则机器的真实噪声声压级L 为L。=10g01m-101p 324声压级的平均 在计算声源的指向性指数时,需要计算平均声压级;对于某一点的多次测量结果也需要计算平均 声压级,这涉及到分贝平均的问题。分贝的平均是以分贝和的公式为基础来进行计算的,计算公式如下: L=10 0. LPi 如果待平均的各分贝值中,最大值Lφmx和最小值Lmim之差等于或小于10dB,一般都采用近似的 计算方法。当Lm-L-m≤5dB时,可用算术平均值作近似计算,即工n=∑Ln,当5≤1m-m

15 以两个声源为例来推导： 由声压级的定义得： 2 0 2 0.1L p 10 p p =  ，那么 ( ) 2 0 2 0.1L 0.1L pT 10 10 p p1 p 2 = +  ，又据声压级的定义 得 总 声压级为 (( )) p1 p 2 T 0.1L 0.1L 2 0 2 T p 10lg 10 10 p p L = 10lg = + ，对应 n 个 声 源 的 一 般 情 况 有       = = n i 1 0.1L p pi T L 10lg 10 ，如果 n 个声源的声压级相等，那么有 LPt=Lp+10lgn 例 1：在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为 84dB、87 dB、90 dB、95 dB、96 dB、91 dB、 85 dB、80 dB，求这几个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少？ 解：由       = = n i 1 0.1L p pi T L 10lg 10 得 L 10lg(10 10 10 10 10 10 10 10 ) 100.2dB 8.4 8.7 9.0 9.5 9.6 9.1 8.5 8.0 pt = + + + + + + + = 例 2：有一声源，在某一点测得各中心频率的声压级如下，求该点的总声压级？ 中心频率/Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 声压级/dB 70 77 80 88 90 95 84 解：由       = = n i 1 0.1L p pi T L 10lg 10 得 L 10lg(10 10 10 10 10 10 10 ) 97dB 7.0 7.7 8.0 8.8 9.0 9.5 8.4 pt = + + + + + + = 3.2.3 声波的相减 在噪声测量的过程中，经常会受到外界噪声的干扰，在噪声测量中，待测噪声以外的其他声音统 称为背景噪声，扣除背景噪声是获得真正声源引起噪声值的必要步骤。如果在有背景噪声存在的情况下 测得某声源的声压级为 LPt，声源停止发声后测得背景噪声的声压级为 LpB,则机器的真实噪声声压级 Lps 为   p t 1Lp b 0.1L 0. Lps =10lg 10 −10 3.2.4 声压级的平均 在计算声源的指向性指数时，需要计算平均声压级；对于某一点的多次测量结果也需要计算平均 声压级，这涉及到分贝平均的问题。分贝的平均是以分贝和的公式为基础来进行计算的，计算公式如下：       = = n i 1 0.1L p p i 10 n 1 L 10lg 如果待平均的各分贝值中，最大值 Lp max 和最小值 Lp min 之差等于或小于 10dB，一般都采用近似的 计算方法。当 Lpmax－Lpmin≤5dB 时，可用算术平均值作近似计算，即 = = n i 1 p Lpi n 1 L ，当 5≤Lp max－Lpmin