第六章機(jī)械噪聲分析基礎(chǔ)

1、第六章第六章機(jī)械噪聲分析基礎(chǔ)機(jī)械噪聲分析基礎(chǔ)目錄 6.1 聲學(xué)波動(dòng)方程 6.2 聲場(chǎng)類(lèi)型 6.3 聲場(chǎng)描述 6.4 聲波在傳播中的衰減 6.5 室內(nèi)聲場(chǎng) 6.6 噪聲的評(píng)價(jià)6.1 聲學(xué)波動(dòng)方程聲學(xué)波動(dòng)方程物體的振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的根源。 聲源：我們把產(chǎn)生聲音的振動(dòng)物體稱(chēng)作聲源。1聲波的產(chǎn)生聲波：在彈性媒質(zhì)中，物體的機(jī)械振動(dòng)由近及遠(yuǎn)的傳播過(guò)程。聲波的產(chǎn)生物體的機(jī)械振動(dòng)是聲波產(chǎn)生的根源，彈性媒質(zhì)的存在是聲波傳播的必要條件?？v（橫）波：媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向一致（垂直）?？諝庵新暡ㄊ强v波，固體和液體中可以是橫波也可是縱波?？v波與橫波2 描述聲波的基本物理量2 描述聲波的基本物理量)2sin(

2、ftx振幅位移位移：物體離開(kāi)靜止位置的距離稱(chēng)為位移，最大的位移叫振幅，振幅，振幅的大小決定了聲音的大小。周相1.1.周期：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)每往復(fù)一次所需要的時(shí)間，單位為秒（s）。2 2.聲波頻率：一秒鐘內(nèi)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。頻率范圍(Hz)20000聲音次2000超低頻聲 中頻聲 高頻定義聲音頻聲聲2 描述聲波的基本物理量3.波長(zhǎng)：聲波兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離叫做波長(zhǎng)，或者說(shuō)聲源每振動(dòng)一次，聲波的傳播距離。cTfcTf12 描述聲波的基本物理量4.聲速：振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播的速度。媒質(zhì)特性的函數(shù)，取決于該媒質(zhì)的彈性和密度；聲速會(huì)隨環(huán)境的溫度有一些變化。媒質(zhì)名稱(chēng)空氣水混凝土玻

3、璃鐵鉛軟木硬木聲速3441372304836535182121933534267表 21.1 時(shí)聲速近似值（m/s）2 描述聲波的基本物理量 5 相位 任一時(shí)刻t的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)，包括質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移大小及運(yùn)動(dòng)方向或壓強(qiáng)變化。2 描述聲波的基本物理量6.2 聲場(chǎng)描述在均勻的理想流體媒質(zhì)中的小振幅聲波的波動(dòng)方程為：或22221tpcp拉普拉斯算法)(2222222zyx1.1.平面聲波平面聲波：= = 0cos（t+）A.平面聲波：聲波的波陣面是垂直于傳播方向的一系列平面時(shí)，稱(chēng)其為平面聲波。注意：遠(yuǎn)離聲源的聲波可看作平面聲波。波前波前：聲波傳播時(shí)處于最前沿的波陣面稱(chēng)為波前。1.1.平面聲波平面聲波：

4、a.波動(dòng)方程：222221tpcxp對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng),沿X正方向傳播的平面聲波：)cos(, 0)cos(,00kxtPtxpkxtPtxp圖例：說(shuō)明：x0處t0時(shí)刻的聲壓經(jīng)過(guò)t后傳播到x0 +x，整個(gè)聲壓波形以速度C C沿x軸方向傳播。聲速c是波相位的傳播速度，也是自由空間中聲能量的傳播速度，與空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度相等？b.質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度1.平面聲波：對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)（沿x軸正方向）而言：cPUkxtUux0000/)cos(質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度振幅A.平面聲波：c.聲阻抗率：upZs/對(duì)于平面聲波而言：cUPZs000/媒質(zhì)的特性阻抗，單位（Pas/m）A.平面聲波：d.聲線(xiàn)： 相互平行的一系列直線(xiàn)。B.球

5、面聲波（了解）波陣面是以任何值為半徑的球面。 a.波動(dòng)方程：22222)(1)(trpcrrp從球心向外傳播的簡(jiǎn)諧球面聲波：)cos(,0krtrPtrp特點(diǎn)：振幅隨傳播距離的增加而減少，二者成反比關(guān)系。B.球面聲波：b.聲線(xiàn)： 是由聲源點(diǎn)發(fā)出的半徑線(xiàn)。C.柱面聲波：波陣面為同軸圓柱面的聲波稱(chēng)為柱面聲波?！熬€(xiàn)源”a.波動(dòng)方程（最簡(jiǎn)單，聲場(chǎng)與坐標(biāo)系的角度和軸向長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，僅與徑向r有關(guān)）2221)(1tpcrprrr對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)諧柱面聲波而言：)cos(20krrtkrPp特點(diǎn)：振幅隨徑向距離的增加而減少，與距離的平方根成反比關(guān)系。C.柱面聲波： b.聲線(xiàn)：是由線(xiàn)聲源發(fā)出的徑向線(xiàn)。聲場(chǎng)類(lèi)型及聲線(xiàn) 聲

6、波的類(lèi)型類(lèi)型波陣面聲線(xiàn)聲源類(lèi)型平面聲波垂直于傳播方向的平面相互平行的直線(xiàn) 平面聲源球面聲波以任何值為半徑的球面由聲源發(fā)出的半徑線(xiàn) 點(diǎn)聲源柱面聲波同軸圓柱面線(xiàn)聲源發(fā)出的半徑線(xiàn) 線(xiàn)聲源 【1】聲壓與聲壓級(jí) 【2】聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí) 【3】聲功率與聲功率級(jí) 【4】 聲能密度6.3 6.3 聲場(chǎng)描述聲場(chǎng)描述聲波的物理量度聲波的物理量度【1】聲壓和聲壓級(jí)：)(0PPp靜態(tài)壓強(qiáng)聲壓和聲壓級(jí) a.瞬時(shí)聲壓：某一瞬間的聲壓。 b.有效聲壓（pe）：在一定時(shí)間間隔中將瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間求方均根值即得有效聲壓。TedttpTp02)(1聲壓和聲壓級(jí)：聲音種類(lèi)聲壓聲音種類(lèi)聲壓正常人耳能聽(tīng)到最弱聲210-5織布車(chē)間2普通說(shuō)話(huà)聲

7、（1m遠(yuǎn)處）210-2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、球磨機(jī)20公共汽車(chē)內(nèi)0.2噴氣飛機(jī)起飛200日常生活中聲音的聲壓數(shù)據(jù) (Pa)c. 聲壓級(jí):該聲音的聲壓與參考聲壓的比值取以10為底的對(duì)數(shù)再乘20，即：0lg20ppLpapp50102聲壓和聲壓級(jí)：聲壓級(jí)單位：分貝（dB) 。 20lg94pLp0-120dB例1 當(dāng)聲壓為原來(lái)聲壓的 加倍 減半 10倍 1/10 分別求聲壓級(jí)變化？【2】聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：a.聲強(qiáng): 聲場(chǎng)中某點(diǎn)處，與質(zhì)點(diǎn)速度方向垂直的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的聲能量，它是矢量。穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)中，聲強(qiáng)是指瞬時(shí)聲強(qiáng)在一定時(shí)間T內(nèi)的平均值。I,單位是瓦每平方米 。b.聲強(qiáng)級(jí):該聲音的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)的比值取

8、以10為底的對(duì)數(shù)再乘10，即：0lg10IILI212010mWI聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)：聲強(qiáng)級(jí)單位：分貝。0lg10IILI20 0200 0010lg20lg10lgeeIpcpcLPcPc2epIc40010lgIpLLc聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)的關(guān)系：一個(gè)大氣壓下，38.90C空氣的400cIpLL平面聲波【3】聲功率和聲功率級(jí)a.聲功率:聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總能量，單位是瓦。意義：聲功率是衡量聲源聲能量輸出大小的基本物理量；聲功率可用于鑒定各種聲源。b.聲功率與聲強(qiáng)的關(guān)系SWI 球面輻射時(shí)：24 rWI波陣面面積c.聲功率級(jí)0lg10WWLWWW12010聲功率級(jí)單位：分貝。10lg120WLW【4】

9、聲能密度定義：聲場(chǎng)中單位體積媒質(zhì)所含有的聲能量。 聲波的疊加 1相干波和駐波 2不相干波 3聲音的頻譜1 相干波和駐波 1.聲壓的疊加)cos(1011kxtPp121nniippppp若兩個(gè)聲波頻率相同，振動(dòng)方向相同，且存在恒定相位差。)cos(2022kxtPp)cos(tPpT 結(jié)論：合成聲仍是同一頻率合成聲仍是同一頻率相位差相位差與時(shí)間無(wú)關(guān)，僅與空間位置有關(guān)。與時(shí)間無(wú)關(guān)，僅與空間位置有關(guān)。PT隨隨發(fā)生變化發(fā)生變化，存在極大值和極小值。，存在極大值和極小值。駐波的極大值和極小值分別成為波腹和波節(jié)。當(dāng)駐波的極大值和極小值分別成為波腹和波節(jié)。當(dāng) 駐波明顯。駐波明顯。)cos(PP2PPP12

10、02012022012T0201PP2021012021011cospcospsinpsinptan 2.能量的疊加)cos(120020121cPPDDD202202)2(cPcpDTe2020112cPD2020222cPD)cos(2122022012022012PPPPPT2不相干聲波0cos10TtdTnieieneeePPPPP1222221221DDD不是常數(shù)不是常數(shù)，niinDDDDD121.3頻譜：a.頻譜圖：以頻率為橫軸，以聲壓為縱軸，繪出的圖叫聲音的頻譜圖。 1 1可以確定單個(gè)頻率處的聲壓可以確定單個(gè)頻率處的聲壓 2 2周期振動(dòng)的聲源產(chǎn)生線(xiàn)狀譜周期振動(dòng)的聲源產(chǎn)生線(xiàn)狀譜 3

11、 3基頻基頻與振動(dòng)周期相同正弦形與振動(dòng)周期相同正弦形式的頻率。式的頻率。 4 4諧波諧波-頻率等于基頻整數(shù)倍的頻率等于基頻整數(shù)倍的正弦形式。正弦形式。 例如某一個(gè)周期振動(dòng)聲源周期例如某一個(gè)周期振動(dòng)聲源周期T=1/100ST=1/100S，發(fā)出聲音的基頻是，發(fā)出聲音的基頻是100hz,100hz,二次諧波為二次諧波為200hz.200hz.常見(jiàn)噪聲的頻譜圖6.4 聲波的反射、透射、折射、衍射 一、知入射波求反射波和透射波 （1）邊界條件）邊界條件 （2）平面波動(dòng)方程）平面波動(dòng)方程二、反射系數(shù)和透射系數(shù)1.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù) 聲壓的反射系數(shù)的定義為反射聲壓與入射聲壓的比值。 聲壓的透射系數(shù)為

12、透射聲壓與入射聲壓的比值。irpppr itppp11221122irpccccppr112222itpccc2ppa.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)b.聲強(qiáng)的反射系數(shù)和透射系數(shù)：211222211itIcccc4II2112211222p2ir112i112rirIccccrpPc2Pc2PIIr1rII2.4.2斜入射聲波的反射、透射、折射11ci22cpiptprrt聲波的反射定律與折射定律ri入射聲波、反射聲波與折射聲波的傳播方向應(yīng)該滿(mǎn)足以下定律：211sinsinsinccctria.反射定律：b.折射定律：21sinsincctia.聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù) 在邊界上，兩面的聲壓與法向的

13、質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)該連續(xù)，即：tripppttrriiuuucoscoscostitiirpccccpprcoscoscoscos11221122tiiitpcccppcoscoscos2112222可以導(dǎo)出：3. 吸聲系數(shù)定義：我們將入射聲波在界面上失去的聲能（包括透射到媒質(zhì)2中去的聲能）與入射聲能之比稱(chēng)為吸聲系數(shù)。 22221rkpkpkpirirp 的數(shù)值與入射方向有關(guān)，因此也與入射的方向有關(guān)。.3聲波的散射與衍射聲波的散射與衍射 1.聲波的散射在聲波傳播過(guò)程中，遇到的障礙物表面較粗糙或者障礙物的大小與波長(zhǎng)差不多，則當(dāng)聲波入射時(shí)，就產(chǎn)生各個(gè)方向的反射，這種現(xiàn)象稱(chēng)為散射。聲波的散射

14、既與障礙物的形狀有關(guān)，又與入射聲波的頻率有關(guān)。 波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，散射聲波波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，散射聲波的功率與波長(zhǎng)的四次方的功率與波長(zhǎng)的四次方成反比，散射波很弱，成反比，散射波很弱，大部分均勻分布在對(duì)著大部分均勻分布在對(duì)著入射的方向。入射的方向。當(dāng)頻率增加，波長(zhǎng)變短時(shí)指向性分布圖復(fù)雜。一半集中于入射波前進(jìn)方向，另一半均勻的分布在其他方向聲波的散射與衍射聲波的散射與衍射 2.聲波的衍射： 在聲波傳播過(guò)程中，遇到的障礙物或孔洞時(shí)，如果聲波的波長(zhǎng)比障礙物尺寸大得多，聲波會(huì)繞過(guò)障礙物而使傳播方向改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為聲波的衍射。2.聲波的衍射a.級(jí)的疊加（公式法） 由于：0lg20ppLp201 . 0210pppL代

15、入上式：)1010(101021211 . 01 . 020201 . 0201 . 022212ppppLLLLTppppppa.級(jí)的疊加：當(dāng)n個(gè)聲源時(shí)，211 . 01 . 02021010lg10lg10ppTLLTpppLniLpipTL11 . 010lg10表示為聲壓級(jí)：2.6 聲波在傳播中的衰減 1.擴(kuò)散引起的衰減（Ad） 2.空氣吸收引起的附加衰減 （Aa） 3.地面吸收的附加衰減（Ag） 4.聲屏障衰減（Ab） 5.氣象條件的影響（Am ）mbgadAAAAAA1.擴(kuò)散引起的衰減擴(kuò)散衰減的定義擴(kuò)散衰減的定義：由于波陣面的擴(kuò)展而引起的聲強(qiáng)隨距離而減弱的現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散衰減。1.擴(kuò)散

16、引起的衰減根據(jù)聲強(qiáng)的定義：SWI/SIWWWSIWWWSIWIILI00000000lg10lg10lg10lg10lg10波陣面面積為S處的聲強(qiáng)級(jí)可表示為：b.點(diǎn)聲源的擴(kuò)散衰減點(diǎn)聲源輻射的一般為球面波，波陣面面積可表示為： 24 rS12212212,lg2044lg10lg1012rrrrSSLLArPrPd因此從r1處傳播到r2處時(shí)的發(fā)散衰減：c.線(xiàn)聲源的擴(kuò)散衰減 r0L/，線(xiàn)聲源視為無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源： r0L/，線(xiàn)聲源視為點(diǎn)聲源。LAr012lg10rrAd2.空氣吸收引起的附加衰減 空氣吸收：聲波在空氣中傳播時(shí)，因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)，在壓縮和膨脹過(guò)程中，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗，稱(chēng)為空氣吸收。這種吸收稱(chēng)為經(jīng)典吸收。 弛豫吸收：所謂弛豫吸收是指空氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)時(shí)存在固有頻率，當(dāng)聲波的頻率接近這些頻率時(shí)要發(fā)生能量交換。能量交換的過(guò)程都有滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為弛豫吸收。幾種典型聲源的輻射特性聲源類(lèi)型 輻射特性聲壓空間分布輻射效率點(diǎn)聲源無(wú)指向性均勻高 線(xiàn)聲源有一定的指向性聲偶極子有很強(qiáng)的方向性不均勻低平面聲源復(fù)雜的指向性分布6.5 噪聲的