第二章。声波的基本性质及其传播规律。
a、 教学目的。
1.声波的基本性质及其传播规律(c：理解)
2.声波传播现象(b：识记)
b、教学重点。
1)声波的基本特性 ①声源；②波动；③声波的传播特性 (2)噪声的客观物理量度 ①声强、声压、声功率；②声强级、声压级、声功率级；③分贝相加、分贝相减、分贝平均；④频程和滤波器；⑤频谱和频谱分析；⑥噪声的掩蔽效应。
c、教学难点。
1、声波的传播特性、级、频谱、掩蔽效应的概念。
2、声波传播的现象知识。
d、教学用具。
多**——幻灯片。
e、教学方法。
讲授法、讨论法。
f、课时安排。
4(6)课时。
g、教学过程。
基本概念：声源：凡能产生声音的振动物体。p7
纵波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相一致的声波。p7
横波：媒质质点的振动方向与声波的传播方向相互垂直的声波。p7
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)。p8
频率：单位时间的振动次数，单位赫兹（hz）,1hz=1s-1。p8
振幅：振动波离开平衡处的最大位移。p10
波阵面：音波传播空间同一时刻相位相同的各点的轨迹曲线。p10
平面声波：当波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时的声波。一般远离声源的声波近似的看作为平面声波。p10
波前：声波传播时处于最前沿的波阵面。p10
波数：,其中——角频率，——声速。p10
声阻抗率：，—声压；——质点振动速度；p11
点声源：当声波的几何尺寸比声波波长小得多时，或者测量点离开声源相当远时，则可以将声源看成为一个点，称为点声源。p12
线声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一条线时的声源。p32
面声源：当声波的几何尺寸相比声波波长不可忽略且声源形状可视为一个面域时的声源。p34
球面声波：在各向同性的均匀媒质中，从一个表面同步涨缩的点声源发出的声波，也就是在以声源点为球心，以任何r值为半径的球面上声波的相位相同。p12
柱面声波：波阵面是同轴圆柱面的声波，其声源一般可视为“线声源”。p12
声线：自声源发出的代表能量传播方向的直线。在各向同性的媒质中，声线就是波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。各向异性的媒质中，则有所区别。p13
声能量：声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置附近往复运动，产生动能，另一方面又使媒质产生了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。两部分能量之和就是声扰动使媒质得到的声能量。
p13瞬时声强：声场中某点处，与质点速度方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的声能，是一矢量。p14
声强：对于稳态声场，瞬时声强在一定时间t内的平均值。p14
声功率：声源在单位时间内发射的总能量。或是单位时间内通过某一面积的声能。p14
干涉现象：在空间某些位置振动始终加强，在另一些位置振动始终减弱，此种现象即为干涉现象。p15
相干波：具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的声波称为相干波。p15
驻波：声压值pt随空间不同位置有极大值和极小值分布的周期波。p15
驻波声场：驻波传播的空间声场。p15
频谱图：以频率f为横轴，以声压p为纵轴绘出的声音的频率谱线图。p16
基频：与振动周期相同正弦形式的频率。p16
谐波：频率等于基频的整数倍的正弦形式称为谐波。p16
谱密度：，其中——声压，——某频率附近的带宽。p16
反射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面反射回原来的媒质中，即为反射声波。p17
透射声波：当声波入射到两种媒质的界面时，一部分会经界面进入另一种媒质中成为透射声波。p17
级：对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值称为被量度量的“级”。p22
声压级：，其中：p——被量度的声压有效值，p0——基准声压。p22
声强级：，其中：i——被量度的声强，i0——基准声强。p22
声功率级：，其中：w——被量度的声功率平均值，w0——基准声功率。p23
空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而耗损，称为空气吸收。p26
声屏障：当声源与接收点之间存在密实材料形成的障碍物时会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。p28
2.1.声波的产生及描述方法。
声波的产生。
噪声也是声音，其具备声音的一切属性，声学理论可直接引用。
声音形成的三要素：
a. 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，低于20hz为次声，高于20 khz为超声。
b. 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。
应该注意，声音传播只是振动形式（振动能量）的传播，介质各质点本身在声波作用下并不传播，仅在其平衡位置附近来回地振动。（从分子统计观点看）
振动的传播≡波动。
机械性振动的传播过程——机械性质的波动，称为声波。
声波波及的空间称为声场。
c. 接收器（人耳）
噪声控制中主要是考虑噪声对人的影响及危害，故接收器主要指人耳。不波及人的声波不成其为噪声。
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p、波长λ、频率f(hz)、声速c、周期t、质点相位。
空气中声速：，其中：t——空气的摄氏温度，℃。
介质不同时，如20°c以下：
空气中 c=344m/s
水中 c=1450m/s
钢中 c=5000m/s
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)。p8
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。
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，同点不同时刻也会有不同的相位。在研究中涉及到波传递的研究就必需研究这方面的变化，如声波传递过程中的迟滞现象，振动中的阻尼现象，乃至光传递中的阻滞研究。（这些研究包含的除了时间变量，还含有方向变化等影响变量）
左图中，当a质点处于最大压缩状态时，b、c、d质点出的压强依次减弱，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
在均匀的理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程是：，其中：c——声速，t——时间。
由上述方程得出：①声波的传递是三维立体，全空间传递的。
声波的传递受时间、媒质、温度、声压、波长、频率影响。
具有各向同性的声波传递，理论上可以定向描述，既可以二维平面，或是一维/单向描述。
如根据波面形状（时间、媒质、波长因素）分析可定义平面声波、球面声波、柱面声波。
平面声波：当波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时的声波。一般远离声源的声波近似的看作为平面声波。
如：管道中的活塞往复运动时，在管内同一截面上各质点将同时受到压缩或扩张，具有相同的振幅和相位，这就是平面声波。如果管道始端的活塞以正(余)弦函数的规律往复运动，则称为简谐振动。
在均匀理想流体媒质中，小振幅平面声波的波动方程为：
均匀理想流质媒质中：无能量耗损)
如果观察在某一确定时刻时声波在空间沿各方向分布的情况，其波形如图(a)所示。如果要观察在空间定点位置处声波随时间的变化情况，其波形如图(b)所示：
如上例中的活塞偏离平衡位置的距离）
：声速是声音或者说是声波振幅的传播速度，也是声能量的传递速度。
而声阻抗中的指媒介质点的上下振动速度（）。p10)
式中：称为质点振动的速度振幅，单位：帕(斯卡)秒每米(pas/m)。
球面声波：在各向同性的均匀媒质中，从一个表面同步涨缩的点声源发出的声波，也就是在以声源点为球心，以任何r值为半径的球面上声波的相位相同。
其波动方程为：(r为球半径)
柱面声波：波阵面是同轴圆柱面的声波，其声源一般可视为“线声源”。最简单的柱面声波声场与坐标系的角度和轴向长度无关，仅与径向半径r相关。
对于远场简谐柱面声波有：，可见，随径向距离增加，声压振幅减少，且与距离平方根成反比。
上述介绍均为理想状态，实际中可视情况近似点声源、线声源处理。
2.3.声波的叠加。
前面讨论的各类声波都是只包含单个频率的简谐声波。而实际遇到的声场，如谈话声、**声、机器运转声等，不只含有一个频率或只有一个声源。这样就涉及到声的叠加原理，各声源所激起的声波可在同一媒质中独立地传播，在各个波的交叠区域，各质点的声振动是各个波在该点激起的更复杂的复合振动。
在处理声波的反射问题时也会用到叠加原理。
声波的叠加属于能量的叠加：即按照能量叠加原则进行声波声压的叠加。
声波的能量主要包括了媒质的传递过程中的粒子动能与粒子间相对的势能。
当为瞬时声压时，由于方向矢量的忽略，可视为声压的直接相加，即：
有效声压的加合：
当非瞬时声压，需考虑振动方向等时，则必须考虑矢量加和，按照能量加和原则进行加和。（参见声能密度：）
类同于：能量加和：如声能密度的加和，即从能量角度考虑，合成后总声场的声能密度：
其中：，（时的特例）
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