第二章声波的基本性质及其传播规律.ppt

21?? 噪音污染控制 地理科学学院 杨 旭 主要内容 声波的产生及描述方法 声波的基本类型 声波的叠加 声波的反射、透射、折射和衍 级的概念 声波在传播中的衰减 声源的辐射 第一节 声波的产生及描述方法 声源—— 一切声音均由振动所引起，凡发出声音的振动体称为声源。声源可以是固体、液体或气体，可能还有等离子体。 但并非所有振动源均为声源，例：慢慢招手无声。作为声源的物体振动，对其振动频率及振动能量是有一定要求的，正常人耳可听频范围为20-20KHz。 传播方法 所谓振动即指质点在其平衡位置附近的往复运动，要使声源振动能传播，形 成声音，则要求传播介质是连续的且具有质量和弹性，可解释如下： 把介质划为一个个相连的体积元A、B、C、D……，声源的振动就是通过这连 续的体积元传递出去的，由于体积元具有一定质量，故具有惯性力的使各体积元 在回到平衡位置时能继续向另一侧运动，振动继续。由于体积元的弹性产生反抗 拉伸或压缩的弹性力使其在平衡位置附近来回地振动。 ∴在真空中，由于介质连续，弹性、质量等要求均不具备，故声音在真空中 不传播。介质连续、惯性和弹性是传播声音的必要条件。 当声源振动时，其邻近的空气分子受到交替的压缩和 张，形成疏密相间的状态，空气分子时疏时密，相应的大 气压也变得时大时小。依次向外传播如下图所示。传播的 速度是有限的。 声压：声源振动、传递，会造成邻近空气压强的起伏变化，其压强 的起伏变化量p，即与静态压强的差 p=(P-Po) 当声压在媒质中传播时,媒质中的压强做周期性的变化,即对于媒质内 的同一微元体,其内部的声压是空间和时间的函数p=p(x,y,z,t) 由于人耳膜的惯性作用，并不能辨别声压的瞬时起伏，而只是有一个稳定的有效声压的响应(有效声压值）。有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值,即 频率、波长和声速 频率f与振动圆频率关系式: 波长是两相邻波对应相同点之间的距离波长、频率和声速的关系 声速是媒质特性的函数,因此在不同媒质中，声速是不相同的,气体中的声速为 若气体为理想气体,则有： 空气的r=1.4,则 声波传播的物理过程 第二节 声波的基本类型 声振动作为宏观物理现象,必须满足三个基本的物理定 律,即牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、温度、 体积等状态参数的状态方程（pVm＝RT）。应用这三个定律, 可以分别导出声波传播中的运动方程、连续性方程和物态方 程。 假设: (1)媒质为理想流体,即介质中不存在粘滞性,声波在这种媒质中传播时没有能量损耗。 (2)没有声扰动时,介质在宏观中是静止的,同时媒质是均匀的,因此媒质中静态压强Po、静态密度助都是常数。 (3)声传播时,声过程产生的温度差,不会引起介质相邻部分间发生热交换,即为绝热过程。 (4)假设媒蕨中传播的是小振幅声波,即满是:1)声压p比静态压强Po小得多;2)质点振动速度u比声速c小很多;3)质点位位移比波长小的多。4)介质密度相对变化远小于1。 运动方程 连续方程 连续性方程是物质不灭定律在流体质点运动中的运 用。对体积元dv,因此，质点的流进和流出不等，不会导 致物质的产生和消灭，它只能使dv内介质密度发生变化。 物态方程 传声介质在声扰动时,出现疏(膨胀）、密(压缩)的交替变化,声波通过体 积元dv时,dv内的压强、密度、温度都会发生变化。由于声波传播过程进行得 较快,膨胀和压缩过程的周期比热传导需要的时间短得多,在声波传播过程中, 相邻介质间来不及进行热交换,因比传播的赶程是绝热过程,可以运用理想气 体绝热物态方程: P1/P0=(V0/V1)r 式中：P0、V0——介质处于静态时的压强和体积； P1、V1——有声波存在时介质的压强和体积； r ————比热比（定压比热cp与定容比热cV之比定压比热cp与 定容比热cV之比 ，γ=cp/cV ） 介质压缩或膨胀时,体积与密度成反比,则有 (P+P0)/P0=(e/e0)r 上式对时间求导后,把小振幅情况下的e=e0代入,得 ?p/?t= P0r/e0×?e/?t 对于一定密度的某种理想气体P0r/e0为常数,由 可知该项为声速C2,因此得 ?p/?t= C2?e/?t 或者 ?p/?e= C2 上式为理想气体的物态方程，它描述了声场中瞬时声压随时间的变化与密度随时间变化的关系。