聲學(xué)原理及聲學(xué)測試

1、聲學(xué)基本原理及聲學(xué)測量簡 介,,第一部分 聲學(xué)基本問題,第二部分 聲學(xué)測量,,,,,,,,1、聲音和聲波及振動2、聲學(xué)分類及研究內(nèi)容3、聲波的物理特性和量度4、聲波的反射、吸收、折射、散射、繞射5、平面波、柱面波、球面波的特性6、噪聲及噪聲量度,第一部分 聲學(xué)的基本問題,7、行波與駐波8、遠場與近場9、傳播波與倏逝波、波導(dǎo)及簡正波10、瑞利波、樂福波、斯通利波11、赫姆霍茲共振腔、多普勒效應(yīng),第一部分 聲學(xué)的基本問

2、題,1、聲學(xué)測量的分類、難點2、換能器、傳聲器、測量儀器3、混響室、消聲室測量材料性能4、聲管測量材料性能5、應(yīng)用類及外場測量6、聲陣列測量 （聲全息、波束形成）7、聲振聯(lián)合測量（傳遞路徑分析）,第二部分 聲學(xué)測量,,聲音的本質(zhì)是波動。受作用的空氣發(fā)生振動，當振動頻率在20～20000Hz時，作用于人的耳鼓膜而產(chǎn)生的感覺稱為聲音。低于稱次聲波、高于稱超聲波。波源處質(zhì)點的振動通過彈性介質(zhì)中的彈性力將振動傳播開去，從而形成機械

3、波。波動(wave) (或行波)是振動狀態(tài)的傳播，是能量的傳播，而不是質(zhì)點的傳播。,1、聲音和聲波及振動,與聲源不同距離處的壓力變化，中間的一條水平線代表空氣處于正常的大氣壓力，起伏曲線代表因聲波經(jīng)過時壓力的增加和減少，亦即增加或減少的大氣壓。 對于中等響度的聲音，這種壓力變化僅為正常大氣壓的百分之一。,超聲波,* 超聲波：頻率高，波長短，定向傳播性好， 穿透性好，在液體、固體中傳播時，衰減很小， 能量高等。,定位、

4、測距、探傷、顯象，隨著激光全息的發(fā)展，聲全息也日益發(fā)展，它在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要的意義；,由于能量大而集中,可用來切削、焊接、鉆孔、清洗機件，還可用來處理種子和催化。,特點,用途,超聲波的傳播速度對于介質(zhì)的密度、濃度、成分、溫度、壓力的變化很敏感。利用這些可間接測量其他有關(guān)物理量。這種非聲量的聲測法具有測量精密度高、速度快的優(yōu)點；,頻率在10－4～20 Hz之間的機械波，人耳聽不到。,因為大氣湍流、火山爆發(fā)、地震、隕石落地、雷暴、

5、磁暴等大規(guī)模自然活動中，都有次聲波產(chǎn)生，因此，它是研究地球、海洋、大氣等大規(guī)模運動的有力的工具。,特點一,用途,由于它具有衰減極小的特點，具有遠距離傳播的突出特點。,特點二,次聲波,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,聲學(xué)基礎(chǔ),,海洋學(xué),,電工和,化工,機械,工程,建筑,工程,地球和,大氣物理,醫(yī)學(xué),生理學(xué),心理學(xué),語言,音樂,表演,藝術(shù),室內(nèi),聲學(xué),劇院,音質(zhì),樂律,樂器,聽覺,振動,沖擊,噪聲,地震學(xué),大氣聲,學(xué),生

6、物,聲學(xué),心理,聲學(xué),通訊,水聲,學(xué),電聲學(xué),聲和超,聲工程,藝術(shù),工程,地學(xué),生命科學(xué),2、聲學(xué)分類及研究內(nèi)容,聲學(xué)研究的范圍很廣，分支很多，粗略地說來，包括大氣聲學(xué)、水聲學(xué)、電聲學(xué)、超聲學(xué)、建筑聲學(xué)、音樂聲學(xué)、語言聲學(xué)、心理聲學(xué)、生理聲學(xué)等．,物理聲學(xué)和理論聲學(xué)是各分支的基礎(chǔ)．它研究各種機械振動的原理和聲波的收、發(fā)器．近年來，非線性聲學(xué)也有引人注目的發(fā)展．音樂聲學(xué)探討各種樂器制作過程中的定音、音調(diào)及音色的機理，為向人們提供各種悅耳

7、的樂器提供理論指導(dǎo)． 水聲學(xué)是近代聲吶設(shè)計和海洋開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)．軍事上所用的聲吶設(shè)備及海洋開發(fā)中所用的地震勘探設(shè)備、剖面儀等都是利用水聲技術(shù)研制出來的．語言聲學(xué)和生理聲學(xué)研究人類發(fā)聲和對聲音的感受．隨著近代信息科學(xué)的發(fā)展，語言合成，語言識別的理論得到迅速發(fā)展．人機對話系統(tǒng)正在成為研究的熱點．生理聲學(xué)的研究和心理聲學(xué)相結(jié)合為環(huán)境噪聲的評價及噪聲控制標準提供基礎(chǔ)．建筑聲學(xué)為現(xiàn)代大型劇場、大會堂的設(shè)計提供聲學(xué)指導(dǎo)，也為城市噪

8、聲控制提供標準．對噪聲和振動的研究還是和國防密切相關(guān)的課題．火箭、導(dǎo)彈飛行時的振動及其控制一直是衡量它們總體性能的重要指標．電聲學(xué)的發(fā)展和近代通訊技術(shù)緊密相關(guān)．通訊、廣播及日常生活中所使用的各種高音質(zhì)音響設(shè)備為豐富人們的文化生活起著越來越大的作用．超聲及其應(yīng)用是近代聲學(xué)發(fā)展最迅速的新興分支．超聲無損檢測、超聲診斷、超聲醫(yī)療已在工業(yè)及生活方面發(fā)揮作用．,1.頻率 聲源在一秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)叫頻率，記作f，單位為Hz。

9、 2.波長 沿聲波傳播方向，振動一個周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點間的距離稱為波長，用λ表示，單位為m。 3.聲速 一秒時間內(nèi)聲波傳播的距離叫聲波速度，簡稱聲速，記作c，單位為m/s。,3、聲波的物理特性和量度,3.聲功率（W） 聲功率是指單位時間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向某指定面積的聲能量。在噪聲監(jiān)測中，聲功率是指聲源總聲功率，單位為W。

10、 4.聲強（I） 聲強是指單位時間內(nèi)，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，單位為W/s2。 5.聲壓（p） 聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值。聲波是空氣分子有指向、有節(jié)律的運動。聲壓單位為Pa。,3、聲波的物理特性和量度,6.分貝 分貝是指兩個相同的物理量（如A1和A0）之比取以10為底的對數(shù)并乘以10（或20）。 分貝符號為“dB”

11、，它是無量綱的，是噪聲測量中很重要的參量。上式中A0是基準量（或參考量），A1是被量度量。被量度量和基準量之比取對數(shù)，該對數(shù)值稱為被量度量的“級”，亦即用對數(shù)標度時，所得到的是比值，它代表被量度量比基準量高出多少“級”。,,,3、聲波的物理特性和量度,聲功率級常用LW表示，定義為：式中：LW——聲功率級，dB； W——聲功率，W；,,,7.聲功率級,聲強級常用LI表示，定義為：式中：LI—

12、—聲強級，dB； I——聲強，W/m2； I0——基準聲強。,,,8.聲強級,9.聲壓級,聲壓級常用Lp表示，定義為：式中：Lp——聲壓級，dB； p——聲壓，Pa； p0——基準聲壓。在空氣中規(guī)定p0為2×10－5Pa，該值是正常青年人耳朵剛能聽到的1000Hz純音的聲壓值。在水中取1×10－6Pa。,,,,將頻譜分為

13、若干個頻段，每個頻段為一個頻程，以直方圖表示。,N=1: 一倍頻程，簡稱倍頻程N=1/3: 三分之一倍頻程N=1/12: 十二分之一倍頻程…,中心頻率：,帶寬：,10.倍頻程,倍頻程最常用的中心頻率值（fm），以及上、下截止頻率。,,,,平面、凸曲面及凹曲面形成的反射聲線及波陣面的比較。,與平的反射面相比，凸曲面反射聲的強度較弱，凹曲面反射聲的強度較強。,4、聲波的反射、吸收、折射、散射、繞射,,聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的分

14、界面時，還會發(fā)生折射，從而改變聲波的傳播方向。,即使在空氣中傳播，隨著離地面高度不同而存在的氣溫變化，也會改變聲波傳播方向。,,衍射是聲波繞過障壁彎折的能力。,聲波進入聲影區(qū)的程度與波長和障壁的相對尺度有關(guān)。,在這兩種情況下聲波的頻率相同，因反射板的寬度不同，從反射波中分離出的衍射波能量也不同。,對于一既定頻率的聲音，小尺度反射板的反射能力較小。,,（a）對頻率為100Hz聲音的定向反射，聲音的波長（3.4m）遠遠大于表面的不規(guī)則性；

15、（b）對頻率為1kHz聲音的擴散反射，聲音的波長（0.34m）與表面不規(guī)則的尺度相當；（c）對頻率為10kHz聲音的定向反射，聲音的波長（0.034m）遠遠小于表面不規(guī)則的尺度，這是由各表面產(chǎn)生的定向反射。,聲波在傳播過程中，如果遇到表面有凸凹變化的反射面，就會被分解成許多小的比較弱的反射聲波，這種現(xiàn)象稱為擴散反射。,,聲波在空氣中傳播時，由于振動的空氣質(zhì)點之間摩擦使一小部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，常稱為空氣對聲能的吸收。高頻吸收較多，低

16、頻吸收較少。,聲波的吸收,聲波投射到材料或部件引起的聲吸收，取決于材料及其表面的狀況、構(gòu)造等。材料的吸聲效率是用它對某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。,材料的吸聲效率是用它對某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。,,,聲波入射到建筑材料或建筑部件時，除了被反射、吸收的能量外，還有一部分聲能透過建筑部件傳播到另一側(cè)空間去。,聲波的透射,,波陣面與聲線,聲源向各個方向輻射聲能，在某一時刻，波動所達到的各點的包跡面。稱為波陣面。,波振面的形狀：點聲源——球面波

17、 線聲源——柱面波 面聲源——平面波,5、平面波、柱面波和球面波,,,,,,,,,,,,,,,,,,,穩(wěn)態(tài)平面波,穩(wěn)態(tài)球面波,噪聲的疊加 聲能量是可以代數(shù)相加的，設(shè)兩個聲源的聲功率分別為W1和W2，那么總聲功率W總=W1+W2。而兩個聲源在某點的聲強為I1和I2時，疊加后的總聲強I總=I1+I2。 聲壓不能直接相加。,,,6、噪聲及噪聲量度,人們生活和工作所不需要的聲音叫

18、噪聲。,1、響度和響度級響度是人耳判別聲音由輕到響的強度等級概念，響度的單位叫“宋”，1宋的定義為聲壓級為40dB，頻率為1000Hz，且來自聽者正前方的平面波形的強度。如果另一個聲音聽起來比這個大n倍，則聲音的響度為n宋。,定義1000Hz純音聲壓級的分貝值為響度級的數(shù)值，任何其他頻率的聲音，當調(diào)節(jié)1000Hz純音的強度使之與這聲音一樣響時，則這1000Hz純音的聲壓級分貝值就定為這一聲音的響度級值。響度級的單位叫“方”。,響度級

19、,圖 等響曲線(又稱ISO等響曲線),響度與響度級的關(guān)系 根據(jù)大量實驗得到，響度級每改變10方，響度加倍或減半。或,,,響度級的合成不能直接相加，而響度可以相加。,計權(quán)聲級,A計權(quán)聲級是模擬人耳對55dB以下低強度噪聲的頻率特性。 B計權(quán)聲級是模擬55～85dB的中等強度噪聲的頻率特性。 C計權(quán)聲級是模擬高強度噪聲的頻率特性。 D計權(quán)聲級是對噪聲參量的模擬，專用于飛

20、機噪聲的測量。,圖 A、B、C、D計權(quán)特性曲線,3、等效連續(xù)聲級,等效連續(xù)聲級 一個用噪聲能量按時間平均方法來評價噪聲對人影響的問題，即等效連續(xù)聲級，符號“Leq”或“LAeq,T”。,式中：LpA——某時刻t的瞬時A聲級，dB； T ——規(guī)定的測量時間，s。,如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則可用下面近似公式計算：,,L10，L50，L90為累積百分聲級，其定義是：L10——測定時間內(nèi)，10

21、％的時間超過的噪聲級，相當于噪聲的平均峰值；L50——測量時間內(nèi)，50％的時間超過的噪聲級，相當于噪聲的平均值；L90——測量時間內(nèi)，90％的時間超過的噪聲級，相當于噪聲的背景值。,36,駐 波 的 形 成,7、行波與駐波,二 駐波方程,正向,負向,駐波方程,(1)振幅 隨 x 而異,與時間無關(guān),相鄰波腹（節(jié)）間距,相鄰波腹和波節(jié)間距,,,,x,y,,,,,,,,,波節(jié),波腹,振幅包絡(luò)圖,邊界條件,駐波一般

22、由入射、反射波疊加而成，反射發(fā)生在兩介質(zhì)交界面上，在交界面處出現(xiàn)波節(jié)還是波腹，取決于介質(zhì)的性質(zhì).,波疏介質(zhì),波密介質(zhì),介質(zhì)分類,41,聲壓振幅為：,,8、近場與遠場,42,當 時，聲壓有數(shù)個極大值和極小值，其原因為聲源表面上各點源輻射到軸線上某點的聲壓因波程差（相位差）不相同，有的同相位互相疊加而加強，有的相位相反互相抵消而減弱，因此在靠近聲源 處以內(nèi)出現(xiàn)幾個最大值和最小值。最后一個聲壓最大值處至聲源的距離

23、 為近場區(qū)。 取決于聲源的尺寸和聲波波長。當 時，聲壓隨距離的增加而 單調(diào)衰減，該范圍為遠場區(qū)。,,A)近場區(qū),,聲壓具有最小值聲壓具有最大值,當 時,,此時 為近場區(qū)距聲源距離近場區(qū)的聲壓分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)多次極大值與極小值。因此在近場區(qū)如有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對缺陷的判讀十分困難。,當 時,B）遠場區(qū)在聲場中， 時的區(qū)

24、域為遠場區(qū)。在遠場區(qū)，聲壓隨距離增加而減小。聲源軸線上距離為 （ ）處，聲壓最大值為：,波導(dǎo)研究的是有限空間的波動傳播，一個或兩個方向的尺度很大，聲波在其中傳播管道的傳聲問題 例： 管狀樂器、聽診器、喇叭、管道噪聲和消聲海洋、井孔,9、波導(dǎo)及簡正波、傳播波、倏逝波,最簡單的聲波導(dǎo)兩個平行剛性界面波動方程邊界條件,,,零階模，主波,平面波，聲速為 c高階模,,頻散關(guān)系,波數(shù)當

25、 km是實數(shù)，傳播模當 km是虛數(shù)，凋落模截至頻率,矩形聲波導(dǎo),直角坐標系,,,截止頻率,,,對于一個矩形圍蔽空間，其簡正頻率的計算式為：,,瑞利波：是1887年由英國學(xué)者瑞雷首先在理論上提出的。這種面波分布在自由界面上，或者表層為疏松的覆蓋層內(nèi)。如果表面是完全“自由”的，則瑞利波的速度不依賴于頻率，即不存在頻散現(xiàn)象。如果介質(zhì)表面上存在一層非彈性的疏松蓋層，

26、當考慮到蓋層的因素時，所求的瑞利波是有頻散的。計算表明，瑞利既有P波成分，又有SV波成分，無SH波成分。,10、瑞利波、樂福波、斯通利波,52,樂福波：產(chǎn)生在介質(zhì)表面上的低速覆蓋層中，以及該層與下面介質(zhì)的分界面上。它是一種SH波，有頻散現(xiàn)象。斯通利波：產(chǎn)生于兩個不同彈性性質(zhì)的介質(zhì)分界面附近。其性質(zhì)與瑞雷面波接近，但它有頻散現(xiàn)象。二、瑞利波的形成及傳播特征1、瑞利波的形成,瑞雷面波存在的物理模型是一個半無限彈性空間，上部是空氣，下部

27、為彈性系數(shù)為 的介質(zhì)，令xoy平面與自由面重合，Z軸垂直于自由面向下。僅討論xoz平面內(nèi)的二維問題。,引用位移矢量的兩個位函數(shù)（標量位 和矢量位 ）式中 。將上式代入波動方程：,,,就得到常微分方程式中上式的解顯然為由于面波只存在于分界面附近，它不可

28、能隨著Z增大而增大，故第一項的正指數(shù)是不成立的，因此得到位函數(shù)方程：,,,,由位函數(shù)方程，可求解彈性位移在x、z方向的位移分量u,w：根據(jù)邊界條件，在自由表面上部區(qū)域無介質(zhì)（空氣），則該面兩側(cè)的介質(zhì)松弛接觸，位移連續(xù)條件不使用，而應(yīng)考慮應(yīng)力邊界條件，因自由面上的應(yīng)力為零，則自由面的應(yīng)力邊界條件為：將位移函數(shù)代入應(yīng)力邊界條件，可得線性方程組：,,,,具有非零解得條件是系數(shù)行列式應(yīng)等于零，可得瑞雷方程：將

29、 代入，整理后可得：可見瑞雷面波的速度 與頻率無關(guān)，故自由表面的瑞雷面波無頻散。對于固體，泊松比 時，即可求得 ，可得從而有：當取z=0時的位移為 ，則滿足以下橢圓方程：,面波的特點1） 質(zhì)點在平行于波的傳播方向，且垂直于自由面的平面內(nèi)振動2） 瑞雷面波傳播時，介質(zhì)質(zhì)點位移軌跡呈逆時針橢圓形運動，因此，瑞雷面波為橢圓極化波

30、，屬于非線性極化波。長軸在z方向，短軸在x方向。3）當z>o時，面波位移沿z方向增加呈指數(shù)衰減。4）地表的瑞雷面波無頻散現(xiàn)象，在低速帶的底界，速度是隨波長、頻率而變化，是發(fā)散的，波形隨距離而變化。5）瑞雷面波具有低頻、低速特性，其頻譜不是一個尖峰，波長變化很大。面波的速度小于橫波速度、縱波速度。,面波的頻散現(xiàn)象 頻散現(xiàn)象：是指面波在介質(zhì)中的傳播速度是頻率的函數(shù) ，即速度隨頻率而變。 相速度：構(gòu)成面波脈沖的

31、每一個單頻波都有自己傳播的速度，物理上稱為相速度V。隨著時間的變化，各單頻波在傳播過程中將產(chǎn)生相位差。 群速度：面波包絡(luò)線的極大值傳播距離與時間的比值為群速度U，即面波包絡(luò)線的極大值傳播速度。 如果在 范圍內(nèi)，面波包絡(luò)極大值的時差為 ，某一單頻波的時差為 ， 則有：,,,,,,,,,,,,亥姆霍茲共振器吸聲機理演示,懸吊式頂棚,11、赫姆霍茲共振腔、多普勒效應(yīng),穿孔板的共振頻率f0：,c：聲速，取340m/s；t：穿

32、孔板厚度（cm）；d：孔徑（cm）；P：穿孔率 ，即穿孔面積與總面積之比;L：背后空氣層的厚度（cm）。,多普勒效應(yīng) 當列車進站時，我們聽到汽笛聲不僅越來越大，而且音調(diào)升高；列車離去時，汽笛聲不僅越來越小，而且音調(diào)降低。反之，若聲源未動而觀察者運動，或者聲源和觀察者都在運動，也會發(fā)生觀測頻率與波源頻率不一致的現(xiàn)象。由于波源或觀察者的運動而出現(xiàn)觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)，是奧地利物理學(xué)家多普勒（J

33、.C.Doppler 1803-1853）在1842年發(fā)現(xiàn)的，對機械波來說，所謂運動或靜止都是相對于媒質(zhì)的。下面分幾種情況來推導(dǎo)多普勒頻移公式。為了簡單，首先討論波源S或接收器（探測者D）的運動方向與波的傳播方向共線的情況。,推導(dǎo)的出發(fā)點是：,vs 符號為正代表波源作接近接收器的運動，接收到的頻率較波源頻率高； vs符號為負代表波源作遠離接收器的運動，接收到的頻率較波源頻率低，但頻率升高或降低的數(shù)量與一的情形不同。,對于迎面而來的接收器