声学基础(声学基础知识(二))

声学基础(声学基础知识(二))

1、许多工程问题涉及到声波在流动流体中的产生和传播,此时通常假设流体无粘无旋,就可得到一个速度势函数,并进一步将其分解为稳态的平均流和一个声波小扰动,于是得到对流波动方程和相应的边界条件。声学软件建模可以把声场分为内外两个区域,内区域流体速度可以是不均匀的,而外区域假设流体速度是均匀的;

2、声场有内声场和外声场,有限元可用于有界声场区域的建模,无限元可用于无界声场区域的建模。二者联合使用有两个目的:一是模拟无界自由声场的无反射边界条件,二是计算远声场区域的声压等,给出离声源较远区域的声场的精确描述;

3、声学分析中网格的划分和频率密切相关,频率越高,波长越短。按最高频率声波,每个波长至少有6个线性单元或3个二阶单元;

4、声学软件的计算结果包括声学的和结构动力学的,声学的有声压、声压级、声强、质点速度、辐射功率、入射功率、耗散功率、声压均方值、质点速度均方值等;结构的有位移、速度、加速度、速度均方值、耗散功率等;

5、描述声波的物理量主要有:

(1)声速:是介质的特性参数,用c表示,有

c=(K/ρ)0.5

其中,K为介质的体积弹性模量,ρ为密度。

(2)波长:λ=c/f,即声速除以频率,频率越高,波长越短。

(3)声波能量:包括动能和势能。声场中一点的动能和势能会同时达到最大,即相位相同。这也是声场中介质不断吸收和释放能量而传播声波的过程。(振动系统中,动能与势能有90度的相位差,动能最大时势能为零)。

(4)声压:描述声场中声音大小的物理量,是声波传播时引起的介质中压力的扰动,不是压力本身,单位一般为dB:

(5)声强:单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声波能量,也就是在传播方向上通过单位面积的声功率。其大小和离开声源的距离有关,距离越远,声强越小。

(6)声功率:单位时间内声源辐射出来的总的声波能量。等于介质体积振速的平方乘以声源的辐射声阻。其大小和声波传播距离、环境等无关,更能反映声源的辐射特性。

(7)三个声级:

声压级:Lp=20lg(p/p0)(dB),p0为基准声压,其值为2×10-5Pa,是1000Hz时的听阈声压;

声强级:LI=10lg(I/I0)(dB),I0为基准声强,其值为10-12W/m2;

声功率级:LW=10lg(W/W0)(dB),W0基准声功率值为10-12W。

(8)声阻抗:声场中任一点处的声压与该点的质点体积振动速度之比。如果二者同相位,则为实数,其值等于介质密度与声速的乘积;不同相则为复数,实部为声阻,虚部为声抗。也就是说,声阻抗是介质或传声结构对能量传播的阻尼和对抗,声阻与摩擦有关,在声学系统中可表示为细孔屏障对声音的作用;声抗由系统的质量惯性产生。

(9)倍频程:由于可听声的范围比较大(20Hz~20kHz),工程上通常将其划分为许多段,这些频率段就称为频程。频程的划分采用恒定带宽比,即保持频带的上下限之比为一常数。试验表明,当声音的声压级不变而频率提高一倍时,听起来音调也提高一倍。

若使每一频带的上下限频率之比为2,这样划分的频程称为1倍频程,简称为倍频程。如果在倍频程的上下限之间再插入两个频率,使4个频率之间的比值相同(相邻两个频率之比为1.25992倍),这样就将一个倍频程划分为三个频程,称为1/3倍频程。每个频程的中心频率为上下限频率的乘积再开方。

6、与结构模态一样,声学模态是声场的固有特性,像结构会发生共振一样,如果声场所受激励的频率和它的模态频率一致,则会发生共鸣。声学模态也包括模态频率和模态振型,由于通常结构有限元是位移法,声学有限元是力法,所以声学模态振型是指相对声压分布,结构模态振型是相对位移分布。不管是结构模态分析还是声学模态分析,都是不考虑外载荷系统阻尼的;

7、声场对声源的反作用,对于声源振动系统来讲,就是在原来的力学系统上增加了一个力阻抗。因为这种反作用是由声源辐射声波引起的,所以称为辐射阻抗。辐射阻抗是复数,实部为辐射阻,增加系统的阻尼,消耗声源的能量转化为声能;虚部为辐射抗,相当于在声源本身附加了一个辐射质量,和声源一起振动,称为同振质量;

8、分析复杂结构振动的声辐射,包括声场和结构的耦合和非耦合问题。如果声场的反作用对振动结构运动状态的影响可以忽略,则是一个非耦合问题,反之则是一个耦合问题。结构振动会产生声,声也会引起结构振动(声波能够产生足够大的力)。声学单元的节点自由度是声压,结构单元的节点自由度是位移;

9、处理声学问题的声学手段包括两种:

(1)声学材料:包括吸声材料和阻尼材料两大类。

吸声材料常指多孔材料,分为板状和块状。影响材料吸收效果的因素包括空隙率、厚度、密度、装置方式和空洞大小等。如矿渣棉、玻璃棉、毛毯等主要吸收中高频,对低频吸收较差;

阻尼材料也称为粘弹性阻尼材料,其粘性可以把能量转化为热量耗散,弹性则可以储能;

(2)声学结构:包括隔声结构和吸声结构。

10、由于管道的波导性质,在管道中可以获得平面波。声波在管道中传播称为管道噪声,而管道壳体结构由于振动而辐射的噪声称为壳体噪声。因此,管道传声是一个声场和结构耦合的模型,包含内声场、结构和外声场。

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