知识专栏 | 主动降噪?来了解下声波的基本物理量吧!

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人类听到各种各样的声音,实际上是由于一些物体的振动,带动了毗邻的弹性介质如空气的振动,并以声波的形式传到人耳,引起耳朵内骨膜的振动从而激励神经而产生声音的感觉。

 

噪声是不受人们喜欢的声音。如果我们想对噪声进行控制与治理,就要明确声波的特性,并明确控制声波的原理,才能更好的运用或控制声波、振动。声波的基本物理量包括:

 

 

01

 

声压

 

声波引起的压强变化是叠加在大气压之上。因此,测量的声压是变化的声压与静压强之差,声压变化的平均值为零,所以,平均声压不是一个有用的参量。
而人耳对瞬时声压波动也没有响应,但对动态声压的均方根值(RMS)有响应,且平均响应时间间隔约为35ms。因此,声压测量的是有效声压。


 

02

 

质点振动位移

 

 

质点振动的位移是相对于平衡位置的位移。

 

通常,空气中声波振动的幅度非常小,大约在10-7mm到数毫米之间,位移下限对应于听阈,上限对应于痛阈。

 

因为振动位移太小,而位移又很难直接测量到。

 

 

03

 

振点振动速度

 

 

振动速度是指声波的传播引起小部分介质波动的速度,而非声速,振动速度远小于声速。

 

测量质点振动速度的应用之一是测量声强。

 

我们知道声强大小也等于声压与质点速度的乘积。因此,有一种声强探头称为声压-粒子速度探头(Pressure-(Particle) Velocity probe,P-V探头),则是通过测量粒子的振动速度来测量声强。

 

 

04

 

声阻抗

 

是界面上平均有效声压对通过该界面的有效体积速度之比,为复值函数,实部对应声阻,虚部对应声抗。

 

声波传播时引起介质振动需要克服阻力,声阻抗越大,则推动介质所需要的声压就越大,声阻抗越小则所需声压就越小。

 

 

05

 

声强

 

指单位时间内,通过与声波前进方向垂直的单位面积上的声能。

 

声强是矢量,可以简单地认为:

某点的声强=该点的声压×质点的速度。

 

通常通过声强探头来测量声强。

 

 

06

 

声功率

 

 

通常是指声源的声功率,是声源在单位时间内发射出的总能量。

 

声功率不能直接测量,可用声压法或声强法测量得到。

 

 

 

另外,声波传播模式主要有 平面声波、球面声波和柱面声波三种。

 

 三种形式的声波示意图,其中各个面为波阵面。

 

 

1 平面声波
 

当声波的波阵面垂直于传播方向的平面时,就称其为平面波。
远离声源的波可近似地看作是平面波,平面波在空气中传播时,它的声压与质点速度同相位。
在理想的介质中,声压和质点速度不随距离变化,平面声场中声阻抗是常数。在自由空间中,当声波的尺寸比波长小得多时,远离声源处的声场一般可作平面波来处理。

 

2 球面声波
 

波阵面为同心球面的波称为球面波。
任何形状的声源,只要它的尺寸比波长小的多得都可以看作点声源,辐射球面波。
对于球面波,在离声源任意距离上的声强与距离平方成反比,声压与距离成反比,声压与振动速度之间的相位差与球面波的半径对波长的比值成反比。
辐射球面波时媒质的声阻抗率是复数,它具有纯阻和纯抗两部分,并与半径和波长有关。当球面波半径很大时,纯抗分量可以忽略。

 

3 柱面声波
 

波阵面是同轴圆柱面的波称为柱面声波。
设想在无限均匀媒质里有一无限长的均匀线声源,它所产生的波就是理想的柱面声波。
在柱面声波中,声压振幅沿轴向分布是均匀的,沿径向与距轴的距离平方根成反比。其径向声强与离轴的距离的一次方成反比。
交通繁忙的公路上,汽车往往连成一条线行驶,这些汽车可认为是线声源,所辐射的噪声就是柱面波。

 

 

 

 

2019年11月29日 10:10