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[综合讨论] 声音的传播与衰减简介

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发表于 2019-12-12 13:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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声波作为机械波的一种,具有波在传播中的一切特性。当声波在前进过程中,遇到尺寸比其波长大得多的障碍物时,就会发生反射 (reflection);当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时,就会发生衍射(diffraction,旧称“绕射”),由于衍射现象同障碍物尺寸与声波波长的比值有关,低频噪声更容易发生衍射;当两个或数个声波在传播过程中相遇,其振幅会叠加或削弱,这种现象叫做干涉 (interference)。另外,还有声音的共鸣现象和掩蔽效应,等等。

由于噪声在传播中要不断地被衰减,因此离噪声源近,噪声大些;离噪声源远,噪声就小。

噪声衰减的原因主要有:

  · 当声波从声源向四面八方辐射时,波前的面积随传播距离的增加而不断扩大,声波被扩散,通过单位面积上的声能相应减少;

  · 由于传播媒质的粘滞性、热传导和分子驰豫过程等原因,声波被吸收,这两点均使声波在传播过程中声能不断地被转化为其他形式的能量,从而导致声强不断衰减。

下面主要分两种情况讨论:

1、不计空气吸收的声传播与衰减
声源类型分点声源、线声源和面声源。声源类型不同,所发出的声波波阵面形状也不同。声波在空间的分布,叫做声场。若声源处于自由空间,即没有任何反射面,则其声场称为自由声场 (free field);若声源处于高度反射空间,例如一间墙壁、天花板和地板都是钢板的房间,则形成的声场称为混响场或回声场 (reverberant field)。

当不计空气吸收时,点声源发出的声波,其测点声压级随测点距声源的距离变化为:
1.png
式中,Q 位考虑点声源在室内位置的指向性因子;r 为测点离开声源的距离,m;R 为房间常数, 2.png ,m2; 3.png 为室内平均吸声系数;s 为室内总表面积,m2。

  · 当声源在房间中央时Q=1;在一面墙或地面上时Q=2;在两墙交线处Q=4;在三墙交点处Q=8。

  · 在混响场的情况下,各点声压均匀,即与距离无关,此时Q=0。

  · 在自由场情况下,R=∞,Q=1;在半自由场的情况下,R=∞,Q=2。

因此,由上式可得,点声源在自由场中声压级随测点距声源距离的变化为:
4.png
由上式知,若在距声源r1 处的声压级为L1 时,则在距声源r2 处的声压级为L2 可用下式计算:
5.png
即当测点距声源距离加倍时,其声压级则衰减6dB。

对于在自由声场中的一个长度为l 的线声源,例如马路上接连不断地行驶着的车辆流噪声,它所发出的声波为柱面波,其声压级随距离的衰减可用下式计算,当r≤1/π 时:
6.png
即当测点距声源距离加倍时,其声压级则衰减3dB。r>1/π 时,此时线声源可按点声源考虑,用下式计算:
7.png
对于在自由声场中的一个长方形的面声源,设两个边长为a、b (a<b),则其声压级随离的衰减可按以下三种情况考虑:

  · 当r≤a/π 时,衰减值为0dB;

  · 当a/π≤r<b/π 时,则可按线声源考虑,由下式计算:
8.png
  · r>b/π 时,则可按点声源考虑,由下式计算:
9.png

2、计及空气吸收的声传播与衰减
下式中在讨论距离对声压级Lp 的衰减时未考虑空气对声波的吸收,而实际在声传播过程中,因空气的粘滞性和热传导,在压缩、膨胀以及运动过程中,使一部分声能被转化为热能而损耗;此外,声能与空气分子的振动能之间转换的滞后也使声能被吸收(这叫弛豫现象),当声波频率接近空气分子的振动固有频率时,能量交换愈多,声能吸收也愈多。
10.png
在频率范围为125~12500Hz,温度为20℃时,可利用下式来计算上述介质总吸收所引起声压级Lp 的附加衰减量Aa
11.png
式中,f 为声频率,Hz;r 为测点距声源的距离,m;Φ 为相对湿度。

通常,我们可以发现,湿度下降时,声音的吸收增加;在较高的频率时,声音的吸收也较高。另外,当声波在空气中传播时,除了空气吸收造成的衰减外,还有环境温度和压力、雨雪冰雹、风、大气紊流、地面特征、障碍物等因素造成的衰减,此处不作详细讨论。

来源:摘录自《环境工程基础》,作者:庄正宁。

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