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1、第四章噪声频谱特性和噪声传播过程中的一些现象4.1 噪声频谱特性1 .噪声的频谱：实际生活中的声音很少是单个频率的纯音，一般多是由多个频率组合而成的更合声。对于声源发出的声音，将它的声压级、声强级或声功率级按频率顺序展开，使声音的强度成为频率的函数并考察其变化规律叫频率分析。通常以频率（或频带）为横坐标，以反映相应频率成分强弱的量（声功率级、声压级、声强级）为纵坐标，把频率与强度的对应关系用图形表示，这种图称为声频谱，或简称频谱。常见的频谱图类型有三种：线状谱一一是由一些离散频率的声音组成，在频谱图是一系列不连续的竖直线段，一些乐器发出的声音就属于线状谱；连续谱是一定频率范围内含有连续频率成分
2、的谱，在频谱图中是一条连续的曲线，大部分噪声都是连续谱；复合谱是连续频率成分和离散频率成分组成的。2 .频程：人耳可听阈的频率范围大约是20Hz20000Hz,对于如此广阔的范围，为研窕问题方便，在声学中一般把声频范围划分成若干个小区间，称其为频程，也叫频带或频段。实验表明，当两个不同频率的声音作比较时，具有决定意义的并不是两个频率的差值，而是两个频率的比值。倍频程数n和频率f的关系是f区3 j-=2ncn=log2f,各倍频程的中心频率值f是指倍频程的上限频率和下限频率的定义Af=f2-f几何平均值，即f=JH,可得到L=-FLff2=Ff2n4.2 声波的反射、透射、折射和衍射4.2.1
3、垂直入射声波的反射和透射而两种媒质的分界面是无限薄的，所以声压和质点振动速度在两种媒质的分界面x=0处是连续的。我们定义声压反射系数为反射声压幅值与入射声压幅值之比值与入射声压幅值之比为声压透射系数，记为金4.2.2 斜入射声波的反射和折射画图说明斜入射时的反射和折射与声波垂直入射到两媒质的交界面上一样，按照界面上声压连续、法向质点振动速度连续的边界条件，可以得到著名的斯涅耳反射和折射定律。斯涅耳反射定律：反射线在入射线与界面法线所在的平面内，且与入射线位于法线的两边，反射角与入射角相等，记为j=O,斯涅耳折射定律：折射线在入射面内，且入射角正弦与折射角正弦之比等于媒质1中sinc声速Cl和媒
4、质2中声速C2之比，记为2-k=-可见，当两种媒质中声速不同时，声sinrC2波就会发生折射。折射角随C/C2而变化，如果6、C2一定，则折射角随入射角Oi而变化。即使是同一种媒质中，如因某种原因引起声速的分布不同，声波也会发生折射。上式表明若两种媒质声速不同，声波传入媒质时方向就要改变。当C2C时会存在某个Oi值，。ie=arcsin(cc2)使得0尸口/2。即当声波以大于ie的入射角入射时,声波不能进入媒质而形成声波的全反射。Oie称为全反射临界角。根据边界条件：两媒质界面的声压与质点速度应连续，即：Pi+pr=PtUiCoSoi+UrCOS0r=UtCOS1Pjp2C28s6i-PlCl
5、CoS久Pi展C2COS4+01CICOSt_Pt_22c2cosi于是得到反射系数和透射系数0pPiP2C2COS&+P2C2COS/通常入射声波在界面上失去的能量(包括透射到媒质II中去的声能)与入射声能之比称为吸声系数由于能量与声压的平方成正比，有：窃一1 一 )2S的值与入射方向有关。4.2.3 大气中声波的折射当大气在垂直方向存在温度梯度时，会引起声波的折射。夜晚许多地方都存在逆温，这时大气温度随高度增高而增高，由c=331.45+0.61t知，声速随之增大，折射角也在增大，即声波传。播方向向地面弯曲；而在晴朗的白天，气温通常随高度增高而降低，声速随之减小，折射角也在减小，声波传播方
6、向向上弯曲，地面上形成一定的声影区，用图来说明。风也会引起声波的折射，当有风时，实际声速C应是无风时的声速与风速的矢量和，即d=6o+V,而风速一般随高度的增加而增大，所以，顺风时实际声速随高度增加而增大，即声线向地面弯曲；逆风时实际声速随高度增加而减小，即声线向上弯曲，地面上形成一定的声影区。4.3 声波的衍射声波在传播的过程中会遇到障碍物或孔洞，当声波的波长比障碍物或孔洞的尺寸大得多时，声波能够绕过障碍物或孔洞的边缘前进，同时，声波的传播方向将发生改变，这种现象称为声波的衍射。声波的衍射与声波的频率、波长和障碍物的大小有关。当障碍物或孔洞的尺寸比声波的波长小的多时，声波很容易绕过障碍物或孔
7、洞继续传播。当障碍物或孔洞的尺寸比声波的波长大时，声波的衍射现象就很不明显，而在障碍物后或孔洞的外侧形成声波无法达到的声影区，这就是隔声屏障的工作原理。4.4 声波在传播中的衰减声在传播过程中将产生反射、折射、衍射等现象，并在传播过程中引起衰减。这些衰减通常包括声能随距离的发散传播引起的衰减Ad和空气引起吸收引起的衰减Aa,地面吸收引起的衰减Ag,屏障引起的衰减Ab和气象条件引起的衰减Am等。可用公式A=AdAa+Ag+Ab+Am1.1.1 距离的发散衰减(扩散衰减)在传播过程中，声音不断衰减，引起衰减有多种原因，首先声音随传播距离的增加而衰减。前己述及，当测点距离比较远时，一般声源都可以视作
8、点声音源，声波以球形波方式向四面八方传播。随着声波传播距离的增大，波阵面在增大在，则单位面积上所通过的声能量减小。以最简单无指向性声源为例如图I=W4r2;当声源放置在刚性地面上时，声波只能向半空间辐射，此时I=W2P,从上两式中可以看出，声强随声波传播距离的增加而按平方反比的规律减弱。这种由于波面的扩大而引起声音强减弱的现象，称为声波的扩散衰减。若用声压级来表示，可得处的声压：全空间：Lp=Lw-201gr-ll(dB)半空间：Lp=Lw-201gr-8(dB)因此，从口处传播到n处的发散衰减：Ad=201g-(dB)r1.1.2 空气吸收衰减空气吸收引起声波的衰减主要有三个原因，它与空气的
9、温度、湿度、和声波的频率有关：一是声波在空气中传播时，由于相邻质点的运动速度不同，分子间的粘滞力使一部分声能转变为热能；二是声波在空气中传播时，空气产生周期性的压缩和膨胀的疏密变化，相应出现空气温度的升高和降低，温度梯度的出现导致热交换，使一部分声能转变为热能；三是弛豫吸收，它是指空气分子转动或振动进存在固有频率，当声波的频率接近这些频率时要发生能量交换，它能声速改变，声能被吸收。它的计算除可以用教材上的公式计算外，还可以用声压衰减常数有关,它的单位为dB/m即指在空气中声波传播Im衰减的分贝数。可以用Aa=(2-)来计算。1.1.3 声屏障引起的衰减当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物
10、时会产生显著的附加衰减。这样的障碍物称为声屏障。声波遇到屏障时会产生反射、透射和衍射三种传播现象。屏障的作用就是阻止直达声的传播，隔绝透射声，并使衍射声有足够的衰减。具体的计算后面我们要学到。434其他衰减还有其他一些原因引起声音衰减，如空气中的尘粒、雾、雨等对声波的散射，只是影响比较小，每IOom距离约衰减0.5dB,树木和草坪对声波的散射和吸收作用同样会引起声波的衰减，4.4 声源的指向性理想点声源在均匀媒质中辐射声波的声压、声强等量在各个方向上都是相同的，声源不具有指向性。一般声源，实际上可以看作是许多点声源的叠加，该声源辐射声波在各个方向上可能是不同的,这种声源被称为有指向性的声源,它
11、们的波阵面不是以声源为圆心的球面，而是复杂的曲面。声源的指向性对声波的传播特性有影响，缺乏声源指向性数据就无法准确预测声波实际传播情况。声源的指向性和声源的尺寸和形状、发声机理有关，需要通过实际测试才能够掌握。声源的指向性还与声波的频率有关，声波的频率越高，声源的指向性就越强。声源的指向性常用指向性因数和指向性指数来表示。声源的指向性因数是指声场中某点（方向）的声强与同一声功率的点声源在相同半径的球形波阵面上的平均声强之比,记为Q,P2计算公式为Q=寸=声，式中I/Pe分别表示某声源在方向上距声源r远处的声强和声压；T/P分别表示同一声功率的点声源在半径为r的球形波阵面上的平均声强和声压。声源
12、的指向性指数等于指向性因数取以10为底的对数乘以10,记为Dl,由定义及上式得：DI=IOlgQ,一般地有：对于无指向性的声源，Q=l,DI=O指向性因数与点声源放在室内的位置有关，若点声源放置在房间中心，Q=I;如果声源放在地面或墙面中间，声能量只辐射入半个球面空间，同样距离的点，声能增加一倍，Q=2；声源放在两个墙面或墙面与地面的交线上，Q=4；在三面的交点上，Q=80声源位置特点R空间点声源均匀地向空间辐射声能1声源置于地面声源能量的一半辐射入空中2置于两墙或墙与地面夹角向1/4空间辐射4置于房屋夹角处向1/8空间辐射84.5 声波的叠加和驻波在实际生活中，若干个声源的声波同时在一个空间传播，这就涉及到多列声波的叠加。声波的叠加原理是：各声源所激起的声波可在同一媒质中各自保持其原有的振幅、波长、振动方向等特性，媒质质点的振动是各列波单独存在时激发的振动的和，其余见教材。
