声音的传播与衰减简介

weixin

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：

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， ，m2； 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：

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：

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：

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：

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：

  · r＞b/π 时，则可按点声源考虑，由下式计算：

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。

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：

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。