一、什么是声学
声音是人类最早研究的物理现象之一,声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的分支学科。声学,英文Acoustics,指研究机械波的产生、传播、接收和效应的科学。声学作为一门跨层次的基础性学科,研究从微观到宏观、从次声(长波)到超声(短波)的一切形式的线性与非线性机械波现象。随着19世纪无线电威廉希尔官方网站 的发明和应用,声学研究方向已出现很多分支:基础声学、环境声学、非线性声学、量子声学、分子声学、次声学、超声学、光声学、电声学、热声学、建筑声学、语言声学、物理声学、生物医学声学、水声学、大气声学、海洋声学、地声学、生理声学、音乐声学及声化学等。
二、声音的产生和传播
声音是物体产生的机械波,通过空气传播到耳朵,例如:人说话通过声带的振动。声音传播通常通过空气。一个鼓面或声带等的机械波传递到附近的空气,这些粒子把机械波又传递到更远的地方,这样连续传递直到最初的声能渐渐耗尽。压力向邻近空气传播的过程产生我们所说的声波。声波在传播过程中,在介质间会有声波能量的反射、吸收和穿透。见图1声波碰到室内某一界面后传播解剖图:当声波(Eo)碰到室内某一界面后(如天花板、墙壁),一部分声能被反射(Er),一部分被吸收(主要是转化成热能)(Ea),一部分穿透到另一空间(Ei)。
图1 声波声波碰到室内某一界面后传播解剖图
Eo = Ey+Ea+Ei1、透射系数:2、反射系数:3、吸声系数:三、声音的强度
声音的强度,形象也称为响度、音高或音程,取决于机械波的振幅:譬如用力地敲一根弦时,这根弦就大距离地向左右两边摆动,由此产生强机械波,发出一个响亮的声音;而轻轻地敲一根弦时,这根弦仅仅小距离左右摆动,产生的机械波弱,而发出一个微弱的声音。声速一定时,声音的高低强度取决于机械波的波长,较短的空间产生的波长较短,较长的空间产生的波长较长,如小音箱比同类型的大音箱波长短,音调高。同样的道理,短弦的发音比长弦高;个子矮的人比个子高的人声音高等。声压和声强有密切的关系,在自由声场中,测得声压和已知测点到声源的距离,就可计算出该测点之声强和声源的声功率(声能)。
声行波强度用单位面积内传播的功率(以W/m2为单位)表示,但是在声学测量中,有时功率不易直接测量得到,所以有时会用压强差(又称声压)代替声强来表示强度。3.1、声压级Lp:取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压,任一声压P的Lp为:声强I与声压P的关系式中,Zc是媒质的声特性阻抗,Zc=ρC,即在相同温度和压强下,声强与声压的平方成正比,比例系数受温度、介质压强和介质属性的影响。声压增加10倍,声强则增加100倍,分贝数增加20。所以声压为其基准值的100倍时,声强级是40dB。在使用声强级或声压级时,基准值必须说明。在空气中,ρс≈400,声强的基准值常取为10-12W/m2,与这个声强相当的声压基准值约为20μPa(即2×10-5N/m2,会受温度影响),这大约是人耳在250Hz所能听到的最低值。这时声强级为0dB(这是在空气中,并选择了适当的基准值情况下)。
人耳听觉下限:p=2×10-5N/m2,Lp为0dB;
能量提高100倍:P=2×10-3N/m2,Lp为20dB;
人耳听觉上限:P=20N/m2,Lp为120dB。
3.2、声功率级Lw:取Wo为10-12W为基准声功率级,任一声功率W的声功率级Lw为:3.3、声强级LI:取Io为10-12W/m2为基准声强,任一声功率W的声强级LI为(dB):
在声学中常见的声强范围非常大,所以一般用对数表示,称声强级,单位是分贝(dB)。先选一个基准声强值,一个强度等于其基准值10000倍的声,声强级称40dB,强度1000000倍的声则强度级为60dB。3.4、声压级的叠加几个声源同时作用时,某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号,即:
声压级Lp为:
这样一来,问题就来了:声压级计算中10dB+10dB和0dB+0dB以及0dB+10dB是多少,可不是简单的相加关系,根据对数公式和上面分析,答案应分别是:13dB、3dB、10dB。也就是说,两个数值相等的声压级叠加后,像上面的10dB+10dB和0dB+0dB,总声压级只比原来增加3dB,而不是增加一倍。此外,两个声压级分别为不同的值时,其总的声压级为:
以上叠加结论,对于声强级LI和声功率级Lw同样适用。
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