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1、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
2、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:PPo(PO为平衡状态下的大气压强);当空气变稀时:P.,、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
3、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
4、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/
5、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、
6、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),0
7、A)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=Pl2P22Pn2n=2时LPI=IOIg(p2p02)Lp2=IOlg(p22Po2)p12=p02.100lLplp22=po2.10iLp2Pt2=P!2P22=Po2.(10oiLPl+10。12)Lp=IOlg(p2Po2)=IOlg(IooiLpl+10OlLp2)LPT=IOlg(IO01LPi)当两个不同的噪
8、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(10lPt-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
9、;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
10、,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=0.01f3d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。