音响工程师必备知识之声学基础(二)

  • 发布时间:2017-12-13 10:31
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  弹性介质中传播的机械波,即介质质点的位移、介质内部的压强或密度的扰动在介质中逐点传播的过程。声音是声波作用于人耳引起的感觉。声波按频率可分为次声波、可听声波和超声波3种。次声波的频率范围为10-4~20赫,可听声波的频率范围为20~2×104赫,超声波的频率范围为2×104~1012赫以上,频率在1012赫以上的声波称为特超声波。只有可听声波才能引起人耳的听觉。

  声源

能发射声波的振动体的总称,通常是振动的固体(如板、杆、膜、弦等)或振动的空气柱(如哨、笛等),前者称机械声源,后者称空气动力声源。自然界存在各种各样的声源,人们还制造了用于不同目的的人工声源,如各种乐器、扬声器、电致伸缩和磁致伸缩换能器等电声转换器件。除上述宏观声源外,在固体内部发生的微小动力变化也能发声,例如范性形变引起的整体沉陷、位错破裂、微小断口的扩展等,这些发声一般都是脉冲式发声。

  声源的主要特性包括频率特性、发射声功率和声发射的指向性等。一般声源能发射各种频率的声波,对声波进行频谱分析和测量是研究声源特性的重要方面。单位时间内从声源发射出来的平均能量称为声源的声功率。一般的声源所发射的声波在不同方向上有不同的强度,研究和测量声发射的指向性对声波的利用无疑极为重要。

  声速

声扰动或振动在介质中的传播速度称为声速,声速一般由介质的性质和温度等因素确定。对线性声波(波动过程中自变量与应变量成线性关系,例如质点所受的恢复力与位移成正比),声速与振幅无关,对非线性波(自变量与应变量的关系中包括高于一次的项,声速不仅由介质性质确定,而且还与振幅有关。大振幅的声波常表现出非线性。1大气压、20摄氏度时空气中声速的计算值为340米/秒,这与实测值相符。流体(气体或液体)中的声波是纵波,而固体中可同时存在纵波和横波(见波),两者有不同的传播速度。对各向异性的固体,横振动方向不同的波一般有不同的传播速度。

  声压

在流体介质中传播的声波属压强扰动的传播,当有声波在介质中传播时,各部分产生压缩和膨胀的周期性形变,并导致压强的周期性变化,压缩时压强增大,膨胀时压强减小。瞬时压强与静压强的差值称为瞬时声压,压强周期性变化的峰值称峰值声压,瞬时声压对时间的方均根值称为有效声压,通常所说的声压均指有效声压。声压是声学测量中的一个基本量,单位为帕。实际中常用声压级Lp来描述声音的强弱,声压级的定义为:

  式中P为有效声压,P0为基准声压,对空气中的声波,P0=2×10-5帕。上式中的对数是以10为底的常用对数。声压级的单位为分贝。

  声能

声波在介质中传播时,引起介质质点的运动和介质的形变,其动能和势能的总和称声波的能量。单位体积中的声能称声能密度。声波传播时伴随着声能的传递,单位时间内通过某一截面的声能称声能通量。单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的平均声能(即平均能流密度)称为声强,声强单位为瓦/米2。声强通常用声强级L量度,声强级的定义为:

  式中I为声强;I0为基准声强,通常取I0=10-12瓦/米2,声强级单位亦称分贝。声吸收声波在介质中传播时部分声能转换成热能,从而导致声波减弱的现象。有多种原因造成声吸收:①流体介质的粘滞性,声波引起的质点振动因受粘滞力作用而衰减,称为声波的粘滞吸收。②介质的导热性,当介质中存在声波时,介质发生压缩和膨胀的周期性变化,压缩区使温度升高,膨胀区温度下降,于是在压缩区和膨胀区间产生温度梯度,引起不可逆的热传导,导致声能的耗散,称为声波传导吸收。③介质内部存在的弛豫过程。介质中无声波时,介质分子的热运动状态、可逆化学反应和介质微观结构等都处于平衡状态;当存在声波时,平衡状态遭破坏,建立新的平衡需要时间,称为弛豫过程,弛豫过程伴随着熵的增加,这意味着有规声能向无规热能的转化,称为声波弛豫吸收。

  声吸收不仅取决于介质本身的性质,而且还与频率有关。研究空气、海水、地壳和各种建筑材料的声吸收情况有重要实际意义,是建筑设计、声响技术、地震波应用等方面必须考虑的因素。此外,通过介质对声波的宏观吸收规律可探索与分子运动有关的介质特性,这是分子声学所要研究的内容。


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