第2章声音的基本性质.ppt

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1、第二章第二章 声音的基本性质及声音的基本性质及其传播规律其传播规律退退 出出 声源声源(产生振动产生振动)(固、液、气均有固、液、气均有)空气空气(声波传播振动声波传播振动)(真空中没有声音真空中没有声音)人耳人耳退退 出出 退退 出出 2PPe退退 出出 fC退退 出出 退退 出出 第二节第二节 声波的基本类型声波的基本类型222221tPcxP退 出 定义定义波数波数k为为:k=/c=2/(长度为长度为2(m)上含波长上含波长的数目的数目)则有则有:p(x,t)=p0 cos(t-kx)振动速度振动速度为为:ux=(p0/c)cos(t-kx)=u0 cos(t-kx)定义定义声阻抗率声阻

2、抗率Zs为为:Zs=p0/u0=c(Pa s/m)称为媒质的特性阻抗称为媒质的特性阻抗,单位定义为瑞利单位定义为瑞利对于空气对于空气:c=415 第二节第二节 声波的基本类型声波的基本类型TdtupSTW01TdtupTS01退 出 222020002221eeeeucScpSupScuScpSupSW21002pdtpTpTe同样同样 Ue=U0/1.414 其中：其中：是声压的有效值是声压的有效值(均方根值均方根值)退退 出出 eeeeUPcUcPSWI22)/(422mwrWI退退 出出 22cPcIeVE第二章第二章 声音的基本性质及声音的基本性质及其传播规律其传播规律退退 出出 ni

3、inppppp121)cos()cos()cos()cos(2222211111tPkrtPptPkrtPp)cos(2)cos()cos()cos(1221222120221121PPPPPtPtPtPpppTT退退 出出)(2)(1212rr21min21maxPPPPPPTT2222221112221212,2)cos(cPcPcPPT退退 出出 0cos10TdtT222122222222121eeeeeeTPPPcPcPcPniiTpp1第二章第二章 声波的基本性质声波的基本性质退退 出出 tritirUUUuuPPPpp:212111221122ccccPPrirp1122222c

4、ccPPitp退退 出出 2112211222)()(ccccPPIIririrI2221122112221122211112222)(4)()2()2(ccccccPPcccPcPIIpitititI1IIr00EEEr退退 出出 0,1,2,1,1122IIpprrcc0,1,0,1,1122IIpprrcc退退 出出 21sinsincctirid退退 出出 ddd分分 贝贝退退 出出)(102)(lg20500PaPdBPPLep定定 义：义：是正常人耳对是正常人耳对1000Hz的最低可听声压的最低可听声压公公 式：式：上式也可写为上式也可写为:)(94lg20dBPLp退退 出出 人

5、耳听觉范围：人耳听觉范围：210-5 Pa 20 Pa（痛阈），（痛阈），相差相差100万倍万倍相当于声压级：相当于声压级：0 120 dB;公公 式：式：退退 出出 定定 义义:是人耳听阈下限是人耳听阈下限;人耳听阈上限人耳听阈上限:I=1 w/m2(120dB)/(10)(lg1021200mwIdBIILI)(120lg10dBILI即：即：退退 出出 由于由于 I=P2/c，相当于相当于P0时时,0c0=400(39时时)因此：因此：LLcLcPcPIILppI400lg10lg10lg10002020空气中的声强级空气中的声强级 声压级声压级(数值上数值上)L:-0.29 dB(0)

6、;-0.16dB(20)退退 出出 定义定义:)(10)(lg101200wWdBWWLw)(120lg10dBWLw因此：因此：人说话：人说话：10-5w(70dB)；火箭发射：火箭发射：109w(210dB)退退 出出 由于由于 I=W/S,其中其中S指垂直于声传播方向的面积指垂直于声传播方向的面积,m2)(lg101lg10lg100000dBSLSIWWWISWLLwIp点源点源自由场自由场:)(11lg2042dBrLLrSwp退退 出出 例例:点源在半自由场中距离点源在半自由场中距离r处声压级为处声压级为Lp,求其声功率级和声功率求其声功率级和声功率.2222rWIrS因此有因此有

7、:)(10),(8lg20)2lg(10lg101.002wWWdBrLLrLSLLLwLpwwwIp由由 于于:解解:其中其中:退退 出出 由上一节由上一节,噪声相叠加有噪声相叠加有:22212PPPTpiLiPP1.020210代入上式消去代入上式消去P02得得:)(10lg1010101011.01.01.01.021dBLniLpTLLLpipppTn个相同声源个相同声源相加相加:LLnLnLppLpTplg10)10lg(101.0退退 出出 只含一个频率只含一个频率,称称“纯音纯音”如音叉，音频振荡器等发出的声音如音叉，音频振荡器等发出的声音频率成分与能量分布的关系称为频率成分与能

8、量分布的关系称为声音的频谱声音的频谱总声级总声级=各频带声级的能量叠加之和各频带声级的能量叠加之和(因频率不同因频率不同,不会发生干涉不会发生干涉)线状谱线状谱-泛音为基频的倍数，如乐器泛音为基频的倍数，如乐器连续谱连续谱(噪声多为此类噪声多为此类)复合谱复合谱 一般噪声由许多频率成分组成，且各频率上能量分布不同一般噪声由许多频率成分组成，且各频率上能量分布不同退退 出出 频带（频程）：频带（频程）：将频率划分为若干个小段，每将频率划分为若干个小段，每频带内认为能量均匀。频带内认为能量均匀。恒定绝对宽度：如恒定绝对宽度：如420Hz，用于窄带分析，用于窄带分析，f=f2 f1 恒定相对宽度：对

9、两者之比更为敏感恒定相对宽度：对两者之比更为敏感 方法：保持频带上、下限之比为常数方法：保持频带上、下限之比为常数 1）倍频程：倍频程：f2/f1=2（分界处为（分界处为 21/2）2）1/3倍频程：倍频程：f2/f1=21/3（分界处：（分界处：21/6）f1：21/3 f1：22/3 f1：2 f1（=f2）靠带通滤波器来实现靠带通滤波器来实现 退退 出出 ISO,IEC统一规范统一规范（测试仪器）（测试仪器）中心频率（中心频率（Hz）：16，31.5,63,125,250,500,1k,2k,4k,8k,16k 带带 宽宽:(11.222.4)(355710)退退 出出 指向性因数指向性

10、因数DF:有指向性的声源产生的声强与无指向有指向性的声源产生的声强与无指向性源声强之比性源声强之比IIPPDF,22,第二章第二章 声波的基本特性声波的基本特性 退退 出出 外耳：外耳：使听道和声音之间阻抗匹配，使听道和声音之间阻抗匹配，800Hz附近最佳，附近最佳，高频较有效高频较有效,低于低于400Hz以下差以下差 听道共振频率约听道共振频率约3000Hz 其他通道：骨传导，头颅等其他通道：骨传导，头颅等 中耳：中耳：耳鼓和三块听骨耳鼓和三块听骨 传导：使内（液体）外（空气）相耦合传导：使内（液体）外（空气）相耦合 起保护作用：卵形窗与圆形窗有膜封闭，内为液体起保护作用：卵形窗与圆形窗有膜

11、封闭，内为液体 内耳：内耳：变为神经信号，毛细胞变为神经信号，毛细胞-会疲劳损坏不可恢复会疲劳损坏不可恢复退退 出出 频率频率2020kHz，年龄大，高频低，年龄大，高频低声强：声强：0120dB（因人而异），（因人而异），130dB-痒，痒，140dB-痛痛最小可辨阈：强度最小可辨阈：强度50 dB以上，以上，5010kHz纯音：纯音：0.51 dB识别声音三要素：识别声音三要素：强弱、音调（频率）、音色（频谱）强弱、音调（频率）、音色（频谱）戴耳机戴耳机,中频段中频段:0.3 dB觉察变化觉察变化 频率频率40 dB,且且1kHz,觉察为觉察为0.3%1400Hz时时,强度差起主要作用强度

12、差起主要作用f1400Hz时时,时间差起主要作用时间差起主要作用 水平定位比垂直平面灵敏水平定位比垂直平面灵敏,前后变化不太明显前后变化不太明显 双耳效应双耳效应-两耳差别不大时不明显，无回声时易辨两耳差别不大时不明显，无回声时易辨,可摆动头分辨可摆动头分辨 如舞台反射和扩音器如舞台反射和扩音器,以垂直以垂直(集中舞台上方集中舞台上方)为主为主,双侧为辅，防止出现声像不一双侧为辅，防止出现声像不一退退 出出 50ms(50ms(距离距离17m)17m)以内两音不能区分以内两音不能区分,还与强度有关还与强度有关.Hass效应：效应：声音越强声音越强,时差越小时差越小,干扰则小；反之则大干扰则小；

13、反之则大.一般高于背景一般高于背景10dB10dB以上则不易掩蔽。以上则不易掩蔽。高声级者易掩蔽低声级高声级者易掩蔽低声级低频率者易掩蔽高频率低频率者易掩蔽高频率频率相近则最易掩蔽频率相近则最易掩蔽,声级高则掩蔽范围大声级高则掩蔽范围大退退 出出 相同声级的不同频率声音相同声级的不同频率声音,人耳感觉不一样响，人耳感觉不一样响，人耳对人耳对2000-4000Hz2000-4000Hz的声音响应最敏感。的声音响应最敏感。以以1kHz1kHz为基准为基准,定义响度级定义响度级L LN N:方方-phon,-phon,得到等响得到等响 曲线（不同频率声音的响度）曲线（不同频率声音的响度）40dB40

14、dB时的响度级为时的响度级为4040方方,0dB,0dB时为时为0 0方方.退退 出出 （纯音）响度大小定义为宋（纯音）响度大小定义为宋（Sone）:1kHz40方时方时 为为1宋宋.每增加每增加10dB，响度增加一倍。，响度增加一倍。(两声音叠加两声音叠加 时时,不能将响度直接相加不能将响度直接相加)A,B,C计权网络：计权网络：40方等响曲线方等响曲线-dB(A),与环境声与环境声 和主观对应好和主观对应好 dB(B)-70方方,dB(C)-100方方,对应高噪声和强噪声对应高噪声和强噪声 低声级低声级,曲线变化大曲线变化大高声级高声级,曲线趋于平缓曲线趋于平缓2.7 声波在传播中的衰减随

15、距离的发散衰减随距离的发散衰减Ad：Ad 20lg(r2/r1)（假设以声源为中心的假设以声源为中心的 球面对称地向各个方向辐射球面对称地向各个方向辐射声能）声能）24 rWSWI全空间全空间22 rWSWI半空间半空间SIWWWISWIILI1lg101lg10lg1000000空气中空气中 Wo 10-12 WIo 10-12 W/m2LI=LW-10lgS=LW-10lg(4r2)=LW-20lgr-11全空间全空间LI=LW-10lgS=LW-10lg(2r2)=LW-20lgr-8半空间半空间空气吸收的附加衰减空气吸收的附加衰减Aa82a10df7.4A20时8101,20,TfCA

16、TAaa 410-6地面吸收的附加衰减地面吸收的附加衰减Ag当地面是非刚性表面时，短距离，声当地面是非刚性表面时，短距离，声能的衰减可以忽略，能的衰减可以忽略，70米以上时不可米以上时不可忽略忽略在厚草地或穿过灌木丛传播时衰减在厚草地或穿过灌木丛传播时衰减Ag（0.18lgf-0.31）d穿过树木或森林的声衰减穿过树木或森林的声衰减Ag0.01 f 1/3 d声屏障衰减声屏障衰减Ab声屏障衰减与声源及接受点相对屏障的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，以及声波的位置、屏障的高度及结构，以及声波的频率密切相关。频率密切相关。气象条件对声传播的影响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雨、雪、雾等对声波的衰减量大约每1000米不到米不到0.5dB，因此可以忽略，风，因此可以忽略，风和温度梯度对声波的传播影响很大。和温度梯度对声波的传播影响很大。声源的辐射声源的辐射声压大小、空间分布、时间特性、频率声压大小、空间分布、时间特性、频率特性特性等都与声源的辐射性质密切相关等都与声源的辐射性质密切相关复 习平面声波的基本公式v简谐振动：0cos(t)0=2