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柱面波
若聲源為長圓柱形,其長度遠(yuǎn)大于波長,輻射的波陣面為同軸圓柱面,這種聲波稱為柱面聲波。這時 ,其中 為圓柱長度,柱面波波動方程為:
對于遠(yuǎn)場,簡諧柱面聲波有: 柱面波的聲阻抗率在 時,有: 柱面聲波的傳播特性為:
①在理想介質(zhì)中,聲壓近似與距離的平方根成反比。
②介質(zhì)聲阻抗率為復(fù)數(shù),當(dāng) 很大時,聲抗分量可以忽略。
③在距離較大時,柱面波的聲強(qiáng) ,聲強(qiáng)與距離成反比。每單位長度輻射的功率是 。
聲源的指向性
聲源在自由場中向外輻射聲波時,聲壓級隨方向的不同呈現(xiàn)不均勻的屬性,稱為聲源的指向性。聲源指向性常用指向性因數(shù) 或指向性指數(shù) 來表示。指向性因數(shù) 的定義是:聲場中某點(diǎn)的聲強(qiáng),與同一聲功率聲源在相同距離的同心球面上的聲強(qiáng)之比。指向性因數(shù) 無量綱。
式中: ——任意方向上一定點(diǎn)的聲強(qiáng), ;
——通過與該點(diǎn)同心球面上的平均聲強(qiáng), 。
式中: ——任意方向一定點(diǎn)上某頻率的聲壓,dB;
——通過與該點(diǎn)同心球面上同一頻率的聲壓,dB。
聲源的指向性與聲源的大小和輻射波長有關(guān)。當(dāng)聲源小到可視為點(diǎn)聲源大小的程度時,以聲源為中心,聲波以近似球面的形式向外均勻發(fā)散;當(dāng)聲源尺寸遠(yuǎn)大于聲波波長時,如聲波以聲束形式,集中向一個方向發(fā)散,則可認(rèn)為該聲波具有較強(qiáng)的指向性。
聲波的衰減
聲源發(fā)出的噪聲在媒質(zhì)中傳播時發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象,其聲壓或聲強(qiáng)將隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。這些衰減通常包括聲能隨距離的發(fā)散傳播引起的衰減 、空氣吸收引起的衰減 、地面吸收引起的衰減 、屏障引起的衰減 和氣象條件引起的衰減 等,總衰減量 可表示為:
(1)擴(kuò)散引起的衰減
聲源輻射噪聲時,聲波向四面八方傳播,波陣面隨距離增加而增大,這種由于擴(kuò)散、聲強(qiáng)隨傳播距離增加而衰減的現(xiàn)象稱擴(kuò)散衰減。
①點(diǎn)聲源:點(diǎn)聲源在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時,聲波的形式是以聲源為中心的球面波,在同一半徑的球面上各點(diǎn)聲波的相位相同。這種無指向性的聲波,聲強(qiáng)和聲功率之間存在如下關(guān)系: 位于剛性地面上的聲源產(chǎn)生的聲波,因只能向一半的空間輻射,其接收點(diǎn)的聲強(qiáng)可如下式計算:
常溫時球面聲波擴(kuò)散衰減的表達(dá)式為: 為接收點(diǎn)的聲壓級; 為聲源的聲功率級; 為接收點(diǎn)到中心的距離; 為修正系數(shù),自由空間 ,半自由空間 。
距聲源中心半徑分別為 和 的兩點(diǎn)間的擴(kuò)散衰減用聲壓級差表示為: 如果聲源具有指向性,則聲波的擴(kuò)散衰減可表示為: ②線聲源:若每單位長線狀聲源的聲功率為 ,在距離聲源為 點(diǎn)上的聲壓 與聲功率的關(guān)系為: ,用聲壓級表示為: ,若聲源無指向性,則 ,距離聲源分別為 和 的兩點(diǎn)間的聲壓級差,或者說擴(kuò)散衰減量為: ③面聲源:矩形面聲源的情況較為常見,但其計算較復(fù)雜。
(2)空氣吸收引起的衰減
聲波傳播時空氣吸收衰減產(chǎn)生的原因是,聲波在空氣中傳播時,空氣中相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度不同會產(chǎn)生黏滯力,將使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡簟B暡▊鞑r,空氣介質(zhì)發(fā)生壓縮和膨脹的周期變化,相應(yīng)的發(fā)生溫度的升高和降低,溫度梯度的出現(xiàn),將導(dǎo)致熱傳導(dǎo)方式的熱交換,從而使聲能轉(zhuǎn)化為熱能??諝庵兄饕姆肿邮请p原子的氧分子和氮分子,一定狀態(tài)下空氣分子轉(zhuǎn)動或振動時存在固有頻率。無聲時介質(zhì)分子微觀運(yùn)動處于一種動態(tài)平衡狀態(tài),當(dāng)有聲擾動且聲波頻率接近分子微觀運(yùn)動的頻率時,使能量轉(zhuǎn)化平衡被打破,建立新的平衡需要一定的時間,此種由原來平衡到建立新的平衡的過程為“熱馳豫過程”,將使聲能耗散而使聲強(qiáng)衰減。上述原因使得聲波在空氣中傳播時出現(xiàn)衰減,即空氣吸收衰減,衰減與空氣溫度、濕度和聲波頻率有關(guān)。
因空氣吸收而引起的聲強(qiáng)隨距離的指數(shù)衰減關(guān)系為: (3)其他原因引起的衰減
①雪、雨、霧的影響
②溫度梯度的影響
③風(fēng)場的影響
④地面效應(yīng)的影響
聲波的吸收、反射、干涉及衍射
1、聲波的吸收
空氣吸收,玻璃棉、毛氈、泡沫等對聲音也有吸收能力,稱為吸聲材料或多孔性吸聲材料。當(dāng)聲波通過這些多孔性吸聲材料時,由于材料本身的內(nèi)摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使大量聲波能量被吸收、衰減掉。吸聲降噪是噪聲控制技術(shù)措施中最基本的一種。
2、聲波的反射、折射、透射
聲波在傳播過程中遇到障礙物,在兩種媒質(zhì)分界面發(fā)生反射和折射。
(1)垂直入射聲波的反射和透射
(2)斜入射聲波的反射和折射
3、聲波的干涉
4、聲波的衍射
(1)孔洞衍射
(2)障礙物的衍射
(3)障礙物邊緣的衍射
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