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§1 声传播的基础知识 §1.1 声波的基本性质 一、声波的概念 “媒质质点的机械振动由近及远地传播称为声波。” ——《声学基础》 “人耳听觉系统所能感受到的信号称为声音。” ——《环境声学基础》 声音传播的过程： 声源（振源）—媒介（介质）—听觉系统—声音信号 声 音 在环境声学中，主要涉及声音在空气中的传播。 二、典型的声波传播形式 平面波：波阵面为平面。 波动方程为 波动方程的指数解： 平面波传播的特点：声压振幅与传播距离无关。 （声场内声压值处处相等） 2、球面波：波阵面为球面。 波动方程为 ： 波动方程的指数解： 球面波传播的特点：声压振幅与传播距离成反比。 3、柱面波：波阵面为柱面。 柱面波传播的特点：声压振幅与传播距离的平方根成反比。 三、描述声波的基本物理量 1、频率、波长、声速（运动学量） 声波波动的基本规律是简谐振动： 对于平面波，其波动方程的指数解为： 其三角函数表达式为： 对简谐波有： 声波作为一种振动运动，其主要的描述物 理量有： （1）频率 f 人耳可闻的声波频率约为20~20kHz，亦称为“声频声”。相对于 “声频声”有“次声”和“超声”的概念。 不同声学研究领域的声波频率范围： 次声： 10-4~ 20Hz；台风、地震、核爆炸、天体运动； 声频声： 20~20kHz；语言声学、音乐声学、电声学、环境声 学、生理声学、心理声学、振动声学。 超声： 20kHz ~ 10 6Hz：水声学、生物声学、仿生学。 10 6Hz ~ 10 8Hz：超声应用：检测、加工、诊疗等。 特超声： 10 8 ~10 12 Hz：物质结构研究。 纯音与复音的概念： 单一频率的声音称为纯音，含有多种频率的声音称为复音。 （2）波长 对于声频声： 最小波长（20Hz）约为：28.6m； 低频声（100Hz）约为：3.44m； 中频声（1000hz）约为：0.344m； 高频声（10kHz）约为：0.034m。 （3）声速c 声速与振动的特性无关，仅取决于介质的弹性密度及温度。 对于空气：c=331.6+0.6t 常温下（20 oc）：c=344 (m/s) 常温下水中声速： c=1480 (m/s) 0 oc时,钢的声速： c=5000 (m/s) 松木的声速： c=3320 (m/s) 2、声压、声强、声功率（能量） （1）声压 P 声压是指介质质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力的波动值。单位是帕斯卡。 在声场中，声压是空间位置和时间的函数，空间某一点的声压值有瞬时声压（ Pa ）和有效声压（Pe）的概念。有效声压为瞬时声压的均方根值。 对于简谐波，有效声压 Pe= Pa / 。 人耳感觉声压的下限阈值：2x10-5 （帕），一个标准大气压：101325 （帕），二者相差10亿倍！ （2）声强 I 单位时间内，在垂直至于声波传播方向的单位面积内所通过的平均声能量，称为声强。单位：瓦/平方米（w/m2）。声强有方向，是矢量。 对于平面波，由于波阵面沿传播方向是不变的，故声强沿传播方向也是不变的，处处相等。 对于球面波，其波阵面为球面，随传播半径的增大而增大，故有： W——声源声功率。 （3）声压与声强的关系 在平面波和球面波的条件下，声强与声压有如下关系： ——空气的静态密度； c0——空气中的声速； ——空气的特性阻抗。 （4）声功率 W 单位时间内声源辐射的总声能，称为声功率。单位：瓦（w）。 对于球面声源，声功率与声强的关系为： 声功率可以是指全频范围所辐射功率，也可以指在某个有限频率范围内的辐射功率，也称为频带声功率。 声场中的声能通常用声能密度表达： 声能密度——单位体积介质具有的声能，w/m3 。 常见声源的声功率： 3、声级与声级叠加 正常人耳所能感知