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一、聲音的產生與傳播
聲音來源於振動的物體,振動的物體就稱之為聲源。聲源發聲後要經過一定的介質才能向外傳播,而聲波是依靠介質的分子振動而向外傳播聲能,介質的分子只足振動而不移動的,所以聲音是一種波動。介質分子的振動傳播到人耳時而引起人耳鼓膜的振動,通過聽覺機構的"翻譯",並發出信號,刺激聽覺神經而產生聲音的感覺。
為分析聲波在空氣中的傳播過程,現以活塞的振動為例,設在一無限長的圓管內置一直徑與一圓管內徑相同的活塞,並假設活塞與管壁的摩擦可以忽略,以外力作用於活塞使之產生振動。現分析活塞兩側空氣質點層的運動情況(圖1-1)當活塞受力離開靜止位置向右力作一小位移時,緊靠活塞右方的空氣質點則被壓縮而變得密集,具有一定的位能,同時運動的質點具有一定的功能。接看它就向右膨脹,擠壓鄰近的質點層,使之亦變得密集,由於質點的彈性碰撞,動能也隨之傳遞過去。這樣,鄰近質點的運動又依次傳向較遠的質點,密集狀態即逐層向右傳播,以致離開聲源的質點也相繼運動。與此同時,緊挨活塞左側的質點層由於活塞向右移動而變得稀疏。這樣,這一稀疏層也逐層向左傳播。見圖1-la、b 。下一時刻,當活塞作反方向運動時,它的左側出現密集層,右側出現稀疏層,見圖l-le、d。這樣,隨得活塞不斷地來回振動,它的兩側就相繼形成疏密相間的質點層並逐漸向遠處傳播,此即為聲波。
必須指出,空氣質點只是在其平衡位置(即末被擾動前的位置)附近往返振動,並沒有隨聲波一直向外移動下去。
波的傳播過程中,空氣質點的振動方向與波傳遞的方向相平行,則稱為縱波(Longitudinal Wave)。而水的表面波是橫波(Transverse Wave)。
二、頻率、波長與聲速
聲源完成一次振動所經歷的時間稱為周期,記作T,單位是秒(S)。一秒鐘內振動的次數稱為頻率,記作ƒ,單位是赫(Hz),或周/秒它是周期的倒數,即:
ƒ=1/Τ
聲波在傳播途徑上,兩相鄰同相位質點之間的距離稱波長,記作λ,單位是米(m)。
聲波在彈性介質中傳播速度稱為聲速,記作c。單位是 m/s。
聲速不是質點振動的速度而是振動狀態的傳播的速度;它的大小與振動的特性有關,而與介質的彈性、密度以及溫度有關。
當溫度為0℃時,聲波在不同介質中的速度為:
松木 3320m/s 軟木 500m/s
鋼 5000m/s 水 1450m/s
在空氣中,聲速與溫度的關係如下:
c=331.4√1+(θ/273) (單位:m/s) √表示开方
式中:θ―空氣溫度,℃。
聲速、波長和頻率有如下關係:
c=λ.ƒ
或c=λ/T……………………(1-3)
在一定的介質中聲速是確定的,因此頻率越高,波長就越短。通常室溫下空氣中的聲速度為340m/s (θ空氣溫度=l5℃),100~4000Hz的聲音波長範圍大約在3.4m至8.5cm之間。
人耳能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,高於20000Hz的稱為超聲。次聲與超聲不能使人產生聲音的感覺。
三、聲音的頻帶
在通常的聲學測量中,是將測量的聲音的頻率範圍分成若干個頻帶,這是為了工作上方便而考慮的。精度要求高時頻帶可以窄,允許簡單測量時,則可以將頻帶帶寬放寬。
在實際測量中,常使用倍頻帶或1/3倍頻帶(band)。
四、聲波的繞射與反射
1. 波陣面與聲線
聲波從聲源出發;在同一個介質中按一定方同傳播,在某一時刻,波動所達到的各點包絡面稱為"波陣面"。波陣面為平面的稱為"平面波",波陣面為球面的稱為"球面波"。
由一點聲源輻射的聲波就是球面波,但在離聲源足夠遠的局部範圍內可以近似地把它看作平面波。
人們常用"聲線"表示聲波傳播的途徑。在各向同性的介質中,聲線與波陣面相垂直。
2.聲波的繞射
當聲波在傳播過程中遇到一塊有小孔的障板時,如孔的尺度(直徑d)與波長A相比為很小(即d<
>A),見圖1-2b,則新的波形較複雜。
從圖1-3a、b 的兩個例子可以看出,當聲源通過障板的孔洞時,並不像光線那樣直線傳播,而是能繞到障板的背後改變原來的傳播方向,在它的背後繼續傳播,這種現象稱為繞射。
例如,有一聲源在一堵大牆的一側發聲,在另一側的聽者看不見聲源卻能聽見聲音,這就是聲波繞射的結果。
聲源的頻率越低,繞射的現象越明顯。
頻率:ƒ ; λ (∵c=λ.ƒ)
周期:T,單位是秒(S)。
一秒鐘內振動的次數稱為頻率:ƒ,單位是赫(Hz),或周/秒它是周期的倒數,即:ƒ=1/Τ
聲速、波長和頻率有如下關係: c=λ.ƒ
3﹒聲波的反射
當聲波在傳播過程中遇到一塊尺寸比波長大得多的障板時,聲波將被反射。如聲源發出的是球面波,經反射後仍是球面波,見圖1-4。
圖中用虛線表示反射波,就像是從聲源O的映像__虛聲源O'發出似的,O和O'點是對於反射平面的對稱點。
同一時刻反射波與入射波的波陣面半徑相等。如用聲線表示前進的方向,反射聲線可以看作是從虛聲源發出的。
所以利用聲源與處聲源的對稱關係,以幾何聲學作圖法就能很容易地確定反射波的方向。
根據聲源與虛聲源的對稱關係,可以說明反射定律,它的基本內容是:
1.入射線、反射線和反射面的法線在同一平面內。
2.入射線和反射線分別在法線的兩側。
3.入射角等於反射角。
五、 聲波的透射與吸收
當聲波入射到建築構件(如牆、天花板)時,聲能的一部分被反射,一部分透過構件,還有一部分由於構件的振動或聲音在其內部傳播時介質的摩擦或熱傳導而被損耗,通常稱之為材料的吸收。
根據能量守恆定律,若單位時間內入射到構件上的總聲能為Εo,反射的聲能為Εr,構件吸收的聲能為Εα,透過構件的聲能為Εt且 ,則互相間有如下的關係:
Εo=Εr+Εα+Εt……………………. (1-4)
透射聲能Et與入射聲能Eo之比稱為透射係數,記作τ;
反射聲能Er與入射聲能Eo之比稱為反射係數,記作γ,即:
τ=Et/Eo……(1-5)
γ=Er/Eo……(1-6)
人們常把τ值稱為隔(防)聲(音)材料,把γ值稱為吸聲(音)材料。實際上構件的吸收只是Εα,但從入射波與反射波所在的空間考慮問題,常用下式來定義材料的吸聲係數α:
α=1-γ
=1-(Er/Eo)
=(Eo/Eo)-(Er/Eo)
=(Εr+Εα+Εt/Eo)-(Er/Eo)
=(Εα+Εt / Eo)…………………………………(1-7)
在進行室內音質設計與噪聲控制時,必須了解各極材料的隔聲、吸聲特性,從而合理地選用材料。
原文较长(有27页),且有多幅图片,说的都是有关声学的基本知识,有推导公式(不复杂),讲得深入浅出,只要高中物理学得不错的都可以看懂。这里只贴出其中很少的一部分。