02 第二章 声波的基本性质及其传播规律

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1、WORD格式-专业学习资料-可编辑第二章声波的基本性质及其传播规律在日常生活中存在各种各样的声音。例如，人们的交谈声、汽车喇叭声、机器运转声、演奏乐器的乐声等等。在所有各种声音中，凡是有人感到不需要的声音，对这些人来说，就是噪声。简单地讲，噪声就是指不需要的声音。为了对噪声进行测量、分析、研究和控制，需要了解声音的基本特性。本章介绍声波的基本性质及其传播规律。2.1声波的产生及描述方法2.1.1声波的产生各种各样的声音都起始于物体的振动。凡能产生声音的振动物体统称为声源。从物体的形态来分，声源可分成固体声源、液体声源和气体

2、声源等。例如，锣鼓的敲击声、大海的波涛声和汽车的排气声都是常见的声源。如果你用手指轻轻触及被敲击的鼓面，就能感觉到鼓膜的振动。所谓声源的振动就是物体（或质点）在其平衡位置附近进行往复运动。当声源振动时，就会引起声源周围空气分子的振动。这些振动的分子又会使其周围的空气分子产生振动。这样，声源产生的振动就以声波的形式向外传播。声波不仅可以在空气中传播，也可以在液体和固体中传播。但是，声波不能在真空中传播。因为在真空中不存在能够产生振动的媒质。根据传播媒质的不同，可以将声分成空气声、水声和固体（结构）声等类型。在噪声控制工程中主

3、要涉及空气媒质中的空气声。在空气中，声波是一种纵波，这时媒质质点的振动方向是与声波的传播方向相一致。与之对应，将质点振动方向与声波传播方向相互垂直的波称为横波。在固体和液体中既可能存在纵波，也可能存在横波。需要注意，声波是通过相邻质点间的动量传递来传播能量的。而不是由物质的迁移来传播能量的。例如，若向水池中投掷小石块，就会引起水面的起伏变化，一圈一圈地向外传播，但是水质点（或水中的飘浮物）只是在原位置处上下运动，并不向外移动。2.1.2描述声波的基本物理量当声源振动时，其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

4、态，空气分子时疏时密，依次向外传播（图2－1）。图2－1空气中的声波当某一部分空气变密时，这部分空气的压强P变得比平衡状态下的大气压强（静态压强）P0大；当某一部分的空气变疏时，这部分空气的压强P变得比静态大气压强Po小。这样，在声波传播过程中会使空间各处的空气压强产生起伏变化。通常用p来表示压强的起伏变化量，即与静态压强的差p=（P－Po），称为声压。声压的单位是帕（斯卡），Pa。1帕=1牛顿/米2如果声源的振动是按一定的时间间隔重复进行的，也就是说振动是具有周期性的，那么就会在声源周围媒质中产生周期的疏密变化。在同一时

5、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，m。振动重复的最短时间间隔称为周期，记为T，单位为秒，s。周期的倒数，即单位时间内的振动次数，称为频率，记为f、单位赫兹，Hz，1赫兹=1秒－1。如前所述，媒质中的振动递次由声源向外传播。这种传播是需要时间的，即传播的速度是有限的，这种振动状态在媒质中的传播速度称为声速，记为c，单位为米每秒，m/s。在空气中声速c=331.45+0.61t(m/s)(2－1)其中，t是空气的摄氏温度（0C）。可见，声速c学

6、习资料分享WORD格式-专业学习资料-可编辑随温度会有一些变化，但是一般情况下，这个变化不大，实际计算时常取c为340米/秒。显然，在这些物理量之间存在相互关系：λ=c/f(2－2）f=1/T(2－3)图2－2声波传播的物理过程声波传播时，媒质中各点的振动频率都是相同的，但是，在同一时刻各点的相位不一定相同。同一质点在不同时刻也会具有不同的相位。所谓相位是指在时刻t某一质点的振动状态，包括质点振动的位移大小和运动方向，或者压强的变化。在图2－2中，质点A、B以相同频率振动，但是B比A在运动时间上有一定的滞后，C、D、E等质

7、点在时间上依次相继滞后，当A质点处于最大压缩状态，即压强增大最大时，B、C、D、E质点处的压强程度递次减弱，以至在E点是处于最大膨胀状态。这就是说质点间在振动相位上依次落后，存在相位差。正是由于各个质点的振动在时间上有超前和滞后，才在媒质中形成波的传播。可以看出，距离为波长λ的两质点间的振动状态是完全相同的，只不过后者在时间上延迟了一个周期。2.2声波的基本类型一般常用声压p来描述声波，在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程是：（2－4a）或记为：(2－4b)其中▽2称为拉普拉斯算符，在直角坐标系中,c为声速、t为时

8、间。（2－4）式表明，声压p是空间（x、y、z）和时间t的函数，记为p(x、y、z、t），描述不同地点在不同时刻的声压变化规律。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，球面声波和柱面声波等类型。2.2.1平面声波当声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，就称其为平面声波。所谓波阵面是指