解决方案声学专栏

聲音的基本性質

一、聲音的產生與傳播

聲音是人耳通過聽覺神經對空氣振動的主觀感受。

聲音產生於物體的振動,例如揚聲器的紙盆、撥動的琴弦等等。這些振動的物體稱之為聲源。聲源發聲后,必須經過一定的介質才能向外傳播。這種介質可以是氣 體,也可以是液體和固體。在受到聲源振動的干擾后,介質的分子也隨之發生振動,從而使能量向外傳播。但必須指出,介質的分子只是在其未被擾動前的平衡位置 附近作來回振動,並沒有隨聲波一起向外移動。介質分子的振動傳到人耳時,將引起人耳耳膜的振動,最終通過聽覺神經而產生聲音的感覺。例如,揚聲器的紙盆, 當音圈通過交變電流時就會產生振動。這種振動引起鄰近空氣質點疏密狀態的變化,又隨即沿着介質依次傳向較遠的質點,最終到達接收者。可以看出,在聲波的傳 播過程中,空氣質點的振動方向與波的傳播方向相平行,所以聲波是縱波。

聲音的基本性質

揚聲器紙盒就相當於上圖中的活塞。

在空氣中,聲音就是振動在空氣中的傳播,我們稱這為聲波。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播,但不能在真空中傳播。

二、聲波的頻率、波長與速度

當聲波通過彈性介質傳播時,介質質點在其平衡位置附近作來回振動。質點完成一次完全振動所經歷的時間稱為周期,記為 T,單位是秒(s)。質點在1秒內完成完全振動的次數稱為頻率,記作 f,單位為赫茲(Hz),它是周期的倒數,即:

f=1/T

介質質點振動的頻率即聲源振動的頻率。頻率決定了聲音的音調。高頻聲音是高音調,低頻聲音是低音調。人耳能夠聽到的聲波的頻率範圍約在20— 20000Hz之間。低於20Hz的聲波稱為次聲波,高於20000Hz的稱為超聲波。次聲波與超聲波都不能使人產生聽感覺。

聲波在其傳播途徑上,相鄰兩個同相位質點之間的距離稱為波長,記為 λ,單位是米(m)。或者說,波長是聲波在每一次完全振動周期中所傳播的距離。

聲音的基本性質

聲波在彈性介質中傳播的速度稱為聲速,記為 v,單位是米/秒(m/s)。聲速不是介質質點振動的速度,而是質點振動狀態的傳播速度。它的大小與質點振動的特性無關,而與介質的彈性、密度以及溫度有關。20度的空氣中聲速為 344米/秒。

頻率、波長、周期和聲速有如下關係:

 c=fλ 或 c=λ/T

聲學測量中常常在某一頻率區間取特定值進行測量。這個頻率區間稱之為頻帶(Frequency band)。由上限頻率 f2 和下限頻率 f1 規定寬帶。f1、f2 間隔可以用頻率比或以2為底的對數表示,稱為頻程。關係式:

f2=2^n f1

當n=1時,稱為1/1倍頻程(Octave),即每個頻帶是上限頻率為下限頻率兩倍的頻帶寬度,即f2=2f1。

當n=1/3時,稱為1/3倍頻程,即每個頻帶是上限頻率為下限頻率1.26倍的頻帶寬度,即f2=1.26 f1。

為了某種特殊的需要,更窄的頻帶有1/10倍頻程、1/12倍頻程、1/15倍頻程、1/30倍頻程等等。

1/1倍頻程對應於音樂上的一個八度。

在房屋建築中,頻率為100-10000Hz的聲音很重要。它們的波長範圍相當於3.4-0.034m。這個波長範圍與建築內部的一些部件尺度相近,故在處理一些建築聲學問題時,對這一波段的聲波尤其要引起重視。

三、聲功率級、聲強級和聲壓級

聲功率級:

聲功率是指聲源在單位時間內向外輻射的聲能,用W表示,單位為瓦(W)或微瓦(uW)。為了計算方便,通常用一個聲功率基準量10-12W作參考量,把聲功率與之相比取常用對數,乘以10,稱為聲功率級,即

Lw=10lg(W/Wo)    這裡Lw為聲功率級(dB),W為聲功率,Wo為基準聲功率。

聲強級:

單位時間內通過垂直於聲傳播方向的面積S (m2)的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲能通量。單位面積上的平均聲能通量就稱為聲強,記為 I (W/m2)。為了計算方便,通常用一個聲強基準量值10-12W/m2作參考量,把聲強與之相比取常用對數,乘以20,稱為聲強級,即

Li=10lg(I/Io)    這裡Li為聲強級(dB),I為聲強(W/m2),Io為基準聲強。

聲壓級(SPL):

聲波在媒介中傳播時,媒介某點由於受聲波擾動后壓強超過原先靜壓力的值,取均方根后的值稱為聲壓。人耳在最低聞閥到痛閥之間相差100萬倍,為了計量方 便,把聲壓基準值20×10^-6 (N/m^2)作參考量,把聲壓與之相比取常用對數,乘以20,稱為聲壓級,即

Lp=20lo(P/Po)

這裡Lp為聲壓級(dB),P為聲壓(N/m2或Pa),Po為基準聲壓。

四、聲波的反射、擴散、衍射與干涉

1.聲波的鏡像反射

聲波在前進過程中,如果遇到尺寸大于波長的界面,則聲波將被反射。入射角等於反射角。反射的聲能與界面的吸聲係數有關。

2.聲波的擴散反射

聲波在傳播的過程中,如果遇到一些凸形的界面,就會被分解成許多較小的反射聲波,並且使傳播的立體角擴大,這種現象稱之為擴散反射。適當的聲波擴散反射,可以促進聲音分佈均勻,並可防止一些聲學缺陷的出現。

聲音的基本性質

從上圖中可看出,要設計一個好的擴散體必須要考慮它的大小和密度。

3、聲波的衍射

當聲波波長小於等於障礙物的尺寸時,會繞過去,稱為衍射。

4、聲波的干涉

頻率相同的聲波相遇後會產生干涉現象,相位相同的聲波疊加后,幅度倍增,相位相反則抵消。聲波干涉的結果造成頻率響應特性出現峰和谷的波動,其形狀象“梳 子”,因此又稱為梳狀濾波器特性(效應)。直達聲和反射聲來自同一聲源,因而頻率相同,由於經過的路徑長短不同,就會產生相位差,從而會產生干涉現象。

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