声学基础知识
声学基础
噪声测试讲义第一章声学基础知识第一节声音的产生与传播一、声音的产生首先我们看几个例子：敲鼓时听到了鼓声，同时能摸到鼓面的振动；人能讲话是由于喉咙声带的振动；汽笛声、喷气飞机的轰鸣声，是因为排气时气体振动而产生的。
通过观察实践人们发现一切发声的物体都在振动，振动停止发声也停止。
因此，人们得出声音是由于物体的振动产生的结论。
二、声源及噪声源发声的物体叫声源，包括一切固体、液体和气体。
产生噪声的发声体叫噪声源。
三、声音的传播声音的传播需要借助物体的，传声的物体也叫介质，因此，声音靠介质传播，没有介质声音是无法传播的，真空不能传声，在真空中我们听不到声音。
声音的传播形式（以大气为例）是以疏密相间的波的形式向远处传播的，因此也叫声波。
当声振动在空气中传播时空气质点并不被带走，它只是在原来位置附近来回振动，所以声音的传播是指振动的传递。
四、声速声音的传播是需要一定时间的，传播的快慢我们用声速来表示。
声速定义：每秒声音传播的距离，单位：M/s。
在空气中声速是340 m/s，水中声速为 1450m/s ，而在铜中则为 5000m/s。
可见，声音在液体和固体中的传播速度一般要比在空气中快得多，另外，声速还和温度有关。
第二节人是怎样听到声音的一、人耳的构造人耳是由外耳、中耳和内耳三部分组成，各部分具有不同的作用共同来完成人的听觉。
耳朵三部分组成结构见彩图。
外耳，包括耳壳和外耳道，它只起着收集声音的作用。
中耳，包括鼓膜、鼓室、咽鼓管等部分。
由耳壳经过外耳道可通到鼓膜，这里便进人中耳了。
鼓膜俗称耳膜，呈椭圆形，只有它才是接受声音信号的，它能随着外界空气的振动而振动，再把这振动传给后面的器官。
鼓室位于鼓膜的后面，是一个不规则的气腔。
有一个管道使鼓室和口腔相通，这个管道叫咽鼓管。
咽鼓管的作用是让空气从口腔进人中耳的鼓室，使鼓膜内外两侧的空气压力相等，这样鼓膜才能自由振动。
鼓室里最重要的器官是听小骨。
听小骨由锤骨、砧骨和镫骨组成，锤骨直接与鼓膜相依附，砧骨居中，镫骨在最里面，它们的构造和分布就象一具极尽天工的杠杆，杠杆的前头连着鼓膜，后头连着内耳。
声学基础知识
声学基础知识声学基础知识⼀、声学基础1、⼈⽿能听到的频率范围是20—20KHZ。
2、把声能转换成电能的设备是传声器。
3、把电能转换成声能的设备是扬声器。
4、声频系统出现声反馈啸叫，通常调节均衡器。
5、房间混响时间过长，会出现声⾳混浊。
6、房间混响时间过短，会出现声⾳发⼲。
7、唱歌感觉声⾳太⼲，当调节混响器。
8、讲话时出现声⾳混浊，可能原因是加了混响效果。
9、声⾳三要素是指⾳强、⾳⾼、⾳⾊。
10、⾳强对应的客观评价尺度是振幅。
11、⾳⾼对应的客观评价尺度是频率。
12、⾳⾊对应的客观评价尺度是频谱。
13、⼈⽿感受到声剌激的响度与声振动的频率有关。
14、⼈⽿对⾼声压级声⾳感觉的响度与频率的关系不⼤。
15、⼈⽿对中频段的声⾳最为灵敏。
16、⼈⽿对⾼频和低频段的声⾳感觉较迟钝。
17、⼈⽿对低声压级声⾳感觉的响度与频率的关系很⼤。
18、等响曲线中每条曲线显⽰不同频率的声压级不相同,但⼈⽿感觉的响度相同。
19、等响曲线中，每条曲线上标注的数字是表⽰响度级。
20、⽤分贝表⽰放⼤器的电压增益公式是20lg（输出电压/输⼊电压）。
21、响度级的单位为phon。
22、声级计测出的dB值，表⽰计权声压级。
23、⾳⾊是由所发声⾳的波形所确定的。
24、声⾳信号由稳态下降60dB所需的时间，称为混响时间。
25、乐⾳的基本要素是指旋律、节奏、和声。
26、声波的最⼤瞬时值称为振幅。
27、⼀秒内振动的次数称为频率。
28、如某⼀声⾳与已选定的1KHz纯⾳听起来同样响，这个1KHz纯⾳的声压级值就定义为待测声⾳的响度。
29、⼈⽿对1~3KHZ的声⾳最为灵敏。
30、⼈⽿对100Hz以下，8K以上的声⾳感觉较迟钝。
31、舞台两侧的早期反射声对原发声起加重和加厚作⽤，属有益反射声作⽤。
32、观众席后侧的反射声对原发声起回声作⽤，属有害反射作⽤。
33、声⾳在空⽓中传播速度约为340m/s。
34、要使体育场距离主⾳箱约34m的观众听不出两个声⾳，应当对观众附近的补声⾳箱加0.1s延时。
声学基础知识
在背景噪声较强的情况下，利用一定的手段提高信号的信 噪比，可以使语言清晰度得以提高。
28
房间的特殊声学现象
声聚焦：由于室内存在的凹面，使部分区域的声音汇集在 某一个焦点上，从而造成室内声场分布不均匀的现象。
死点：由于声音的聚焦或干涉形成某点（或某区域）声音 严重不足的情况。 声影区：由于建筑物或折射的原因，造成声音不能辐射到 的区域。 声染色：由于房间频率相应的问题，原始声音在传播过程 中被赋予了额外的声音特征。
6
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
7
声音的三要素
响度
响度又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决 于声波振幅的大小。响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围 为0dB—140dB。
音高
音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上 音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之 则低，单位用赫兹(Hz)表示。
声音的中频主要包括中高频和中低频，中频成分多时， 声音表现有力、活跃清晰、透亮；中频成分过多，声音动态 出不来、浑浊有号角声，鸣声（500～800Hz）、电话声 （2～4kHz）、刺耳声（4～7kHz）、金属声（3～5kHz）； 中频成分适中，声音自然、中性、圆滑、悦耳，但声音可能 无活力、平淡；中频成分过少，声音圆润柔和，但是显得松 散。
30
频谱与音质的关系
在评价乐器或声音时，频谱结构在很大程度上决定声音的 音质。了解声音频谱与音质的内在关系，有助于声音的调 整和修饰。这对声音的前期处理喝后期加工都是十分必要 的。
频谱划分
高频段：7kHz以上
中低频段：500Hz~2kHz
中高频段：2kHz~7kHz
声学基础知识
声学基础知识声学是研究声音的产生、传播和接收的学科，它是物理学的一个重要分支，也与工程学、心理学等学科密切相关。
声音是一种机械波，是由介质中分子的振动引起的。
在日常生活中，我们所接触的声音与我们的情绪、心理状态有很大关联，而在工业、医学、通信等领域，声学也扮演着重要的角色。
本文将从声音的产生、传播和接收三个方面介绍声学的基础知识。
一、声音的产生声音是由物体振动引起的，当物体振动产生的机械波传播到我们的耳朵时，我们才能感知到声音。
声音的产生主要有以下几种方式：1. 自由振动：当一个物体自由地振动时，会在周围介质中产生声音。
例如，乐器弦线振动时产生的声音。
2. 强迫振动：当一个物体被外力作用迫使振动时，也会产生声音。
例如，乐器的音箱被演奏者的手和腮帮振动时产生的声音。
3. 空气振动：当空气被物体振动时，会通过空气分子的碰撞传播声音。
例如，人的嗓子发出的声音就是通过空气的振动传播出去的。
二、声音的传播声音是通过介质传播的，常见的传播介质有空气、水和固体。
声音传播的速度与介质的性质相关，例如，在空气中，声音传播的速度约为每秒343米。
声音传播的基本过程可以分为以下几个步骤：1. 振动：声音是由物体的振动引起的，当物体振动时，会在介质中产生声波。
2. 压缩与稀疏：振动的物体使介质中的分子产生交替的压缩和稀疏，形成纵波传播。
3. 传播：声波以纵波的形式沿介质传播，当声波到达物体后，物体的分子也会被振动，进而再次产生声波。
4. 接收：当声波达到接收器（如耳朵），通过耳膜、骨骼、耳腔等组织，被转化为神经信号，我们才能感知到声音。
三、声音的接收声音的接收是指我们如何感知和理解传播过程中产生的声音信号。
人类具有复杂而精细的听觉系统，能够感知各种不同频率和振幅的声音。
1. 听觉器官：人类的听觉器官包括外耳、中耳和内耳。
外耳通过外耳道将声音引入中耳，中耳通过鼓膜和听小骨（听骨链）将声波传递给内耳。
内耳中的耳蜗含有感音神经，能够将声波转化为神经信号。
声学基础知识
声学基础知识声音，作为我们日常生活中最常接触到的感知，是一种形式的机械波，它通过物质的震动传播而产生。
声学是研究声音产生、传播和听觉效应等相关现象的学科。
本文将介绍声学的基础知识，包括声音的特性、声波的传播与衰减、和人类的听觉系统。
一、声音的特性声音有几个重要的特性，包括音调、音量和音色。
音调是指声音的高低，由声源的频率决定。
频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。
音量是指声音的强弱，由声源振幅的大小决定。
振幅越大，音量越大；振幅越小，音量越小。
音色是指具有独特质感的声音特征，由声音的谐波成分和声源的包络形状决定。
不同的乐器演奏同一个音高，因为其谐波成分和包络形状不同，所以会有不同的音色。
二、声波的传播与衰减声波是指由声源振动产生的压力波。
声波传播时，需要介质作为传播介质，常见的介质包括空气、水、固体等。
在传播过程中，声波会经历衍射、反射、折射等现象。
衍射是指声波遇到障碍物时沿着障碍物的边缘传播，使声音能够绕过障碍物。
反射是指声波遇到障碍物后从障碍物上反弹回来，产生回声。
折射是指声波在介质之间传播时由于介质密度不同而改变传播方向。
声波在传播过程中会逐渐衰减，衰减的程度取决于声音传播的距离、传播介质的特性以及环境条件等。
一般来说，声音传播的距离越远，声波能量的衰减越大；传播介质的特性也会影响声波的衰减，固体传播声波的衰减相对较小，而空气和水传播声波的衰减相对较大。
环境条件如温度和湿度也会对声波的衰减产生一定影响。
三、人类的听觉系统人类的听觉系统是感知声音的重要器官。
它由外耳、中耳、内耳和大脑皮层等部分组成。
外耳包括耳廓和外耳道，它们的主要功能是接收和传导声音。
中耳包括鼓膜和听小骨（锤骨、砧骨和镫骨），它们的主要功能是将声音的机械能转换为神经信号。
内耳包括耳蜗和前庭，耳蜗负责感知声音，前庭负责维持平衡。
大脑皮层负责处理和解读声音信号。
人类听觉系统对不同频率的声音有不同的感知范围。
一般来说，人类可以听到频率范围在20Hz到20kHz之间的声音。
声学基本知识和专业名词
声学基本知识和专业名词作为一个操作音响的人员连最基本的声学知识都不了解，他将无法真正操作好音响设备，连一些专业名词无法理解，他不是一个合格的音响操作人员。
一、声音的物理特性（一）声音的直线传播特性1、声音的产生：声音是由物体振动引起空气的波动，传到耳膜，经过听觉神经听到声音。
声源：发生声音的振动源叫作声源。
声波：由声源引起媒质的振动形成声波。
声场：声波传播的空间叫作声场。
声音在空气中是以一疏一密的纵波传播的。
为什么叫“纵波”，因为它进行方向和传播方向一致2、声速与波长声波在单位时间内传播的距离称为声速，常用符号“C”表示，单位是米/秒（M/S）。
一般来说声速只和传播媒质及其状态有关，在标准大气压下和温度为20°C时，空气中的声速为344米/秒；15°C 时为340米/秒，工程计算一般取344米/秒（因为温度和湿度对声速影响比较大，温度每增加1°C，声速增加2英尺）。
如果声波在水中传播，声速约为1485米/秒，在海水中1500米/秒，在木材中为3320米/秒，在钢材中则为5000米/秒。
声速在室内声学设计和扩声技术中应用很多，一般以毫秒计算，即千分之一秒，1S/1000，简写MS。
声波振动一周所传播的距离为波长，常用符号“λ”表示，单位是米（M）。
声波的波长与声速和频率的关早期反射声都控制在50MS以内，在常温下50MS 所传播的距离为340M 0.05=17M，要记牢这个数值，它是一个界限，50MS以内的早期反射声，有助于加强直达声。
超过50MS的反射声会影响清晰度。
系如下：λ=C/f f为频率由此可见，相同条件下，频率越高，波长越短。
例如，常温空气中，频率为20HZ声波的波长为17.20米，频率为5千赫的声波波长为0.0688米。
3、反射、折射和透射声音在传播过程中，遇到墙壁等障碍物时，一部分声波在分界面处将改变传播方向返回到原来的媒质中去，而另一部分声波则以新的传播方向进入到新的媒质中去，并在新的媒质中继续向前传播。
声学基础知识
声学基础知识一、声音声音是空气分子的振动。
物体的振动（我们称之为"声源"）引起空气分子相应的振动，传入人耳导致鼓膜振动，通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。
二、声波把石头扔进平静的水面，会形成一组向四周扩散的水波，这是我们所能见到的比较直观"波"，空气分子振动形成的声波要复杂一点，它是从声源向四周立体扩散的一组疏密波，空气分子并不是从声源一直跑到您的耳朵，而是在它本来的位置振动，从而引起与它相邻的空气分子随之振动，声音就是这样从声源很快地向外传播的，声音在空气中的传播速度是331米/秒。
举一个简单的例子，麦浪的运动跟声波很相似，粒子的振动方向与波的运动方向是平行的。
波需要通过介质来传播，麦浪的运动到田埂边就自然停止了，声波的传播介质是空气分子，所以，真空里声音是不能传播的。
三、声音的频率声波每秒的振动次数称为频率，频率在20Hz~20KHz之间称为声波；频率大于20khz称为超声波；频率小于20hz称为次声波。
超声波和次声波人耳是听不到的，地震波和海啸都是次声波。
有些动物的耳朵比人类要灵敏得多，比如蝙蝠就能"听到"超声波。
世界上很少存在单一频率的"纯音"，我们所听到的声音大都是各种频率的复合音，如乐器发出的单音就是周期性的复合音，语音则是非周期性的复合音。
让我们对声音的频率有一个比较直观的概念：大鼓的"蓬蓬"声频率很低，大约在35Hz-7kHz；人的语音频率范围主要在200 Hz到40 00 Hz之间；锣声、铃声的频率大约在2000 Hz到3000 Hz左右；在人类语音中，女声比男声频率要高一点；童声要比成人频率高一点；"啊啊"声频率较低，"咿咿"声频率稍高，"嗤嗤、嘶嘶"声频率最高。
知道这一点很有用，在实际中，可以经常用来测试病人戴助听器前后对声音频率的反应。
声学基础知识
1.声信号及其特征
速度、波长与频率
λ ＝ν /f
式中 ν ——声音速度，单位m/s； ｆ——频率，单位Hz； λ ——波长，单位m。
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声信号及其特征 声音传播理论 建筑声学 听觉生理学 心理声学 音质评价
声音传播理论
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自由声场中的声音传播 声压级的叠加 混响时间 室内声场的结构 指向性扬声器的直达声场和混响声场 声波的干涉 几种典型的声学缺陷
1.声信号及其特征
音乐信号
乐器频率范围：基音16－4000Hz，包括全部泛音16－ 16000Hz。 声压级：15－18件乐器的乐队演出时，离声源10米处的 平均声压级约为95dB。 动态范围：一般乐队的动态范围为40－60dB，大型交响 乐队的动态范围可达到100dB。 高质量的音响系统（音乐重放）的频率响应范围应不小 于40－16000Hz，信号动态范围应不小于50－55dB。
听觉生理学
听觉生理学：研究声音响度与声压级关系的科学。 等响曲线：
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声信号及其特征 声音传播理论 建筑声学 听觉生理学 心理声学 音质评价
心理声学
心理声学：研究耳朵与人脑结合对听觉激励的反应。 声音的掩蔽和哈斯效应： ——大的声音掩蔽柔和的声音，频率较低的声音掩蔽频率 较高的声音； ——如果两个声压级相同的声音不同时到达耳朵，那么先 到达的声音可掩蔽后到达的声音。
2.声音传播理论
自由声场中的声音传播
平方反比定律：位于自由声场中的一个点声源产生的声 压级在离开声源的距离每增加一倍就减小6dB。 大气吸收对声音传播的影响：高频衰减。 体育馆、体育场、艺术广场等大型扩声场所。 湿度对声音传播的影响：干燥空气中的衰减比潮湿空气 中的衰减要大。 室内游泳池和室外扩声系统。
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4 介质声阻抗和声阻抗率
•柱面波
Z i 0 c
2 kr H0
•特点
H12 kr
具有与球面波相似的特点。
球面波和柱面波在远场近似为平面波。Why?
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5 相速度和群速度
•相速度
振动状态在介质中传播的速度
3. 小振幅波：各声学量是一阶小量。
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5
2 波动方程
连续性方程（质量守恒定律）
介质流入体元的净质量等于密度变化引起的体元内 质量的增加： U t
状态方程（绝热压缩定律）
介质的压缩和膨胀过程是绝热过程 ：
理想平面波的平均声能密度处处相等，因此平面 声波声能量具有无损耗、无扩展的传递特性。
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3 声场中能量
能流密度
单位时间内通过垂直声传播方向的单位面积的声能 pu
声波强度或平均声能流密度
通过垂直声传播方向的单位面积的平均声能流
3 声场中能量
声能：声波传播引起的介质能量增量称为声能 声能密度
2 1 p 2 V0 E Ek E p 0 u 2 2 2 c 0
2 1 p 2 i 0 u 2 2 2 0c
1 T i dt T 0
i arcsin nd
i 1，， 2
方向锐角或主瓣束宽（全开角）： 主极大值两旁第一个极小值之间的夹角
2 c2
t
pt
法向声阻抗率
Z1n 1c1 cos i
Z 2n 2 c2 cos t
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•斜入射
n c1 c 2 m 2 1
R
College of Underwater Acoustic Engineering
pt
pr
1c1
o
2 c2
x
声压透射系数 D Pt
16
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
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17
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
m cos i n 2 sin 2 i m cos i n 2 sin 2 i
D
2m cos i m cos i n 2 sin 2 i
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20
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
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24
7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
辐射声压
在远场，总声压为：
r x , y , 0
jk0cQ0 j t kr n1 jkdisin pr , , t e e 4r i 0
当 0 时，各点源同相叠加，合成声压最大：
jk 0 cnQ0 j t kr pr , 0 , t e 4r
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7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
声场的方向性函数
p r , , t 1 D pr , 0 , t n
i 0
n 1
e jkdi sin
d sin n sin d n sin sin
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7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
（1）当 d sin i 时，声压振幅出现极大值1，对应 极大值的方向：
cp
k
介质的相速度与频率无关，非频散介质；反之为 频散介质。
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14
5 相速度和群速度
•群速度
声能量传播的速度（波群和波包的相速）
d cg dk
非频散介质 c g c p 频散介质 c g c p k
sin 2 i n 2 m cos i
发生全内反射现象时，声波反射时发生 角的相 位跳跃。
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•非均匀平面波
波阵面（等相位面）上振
幅随离分界面的距离增大作指
7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
（2）当 nd sin
2i 1 时，声压振幅出现次极大值 2
3 arcsin 2nd
（旁瓣），对应次极大值的方向：
i 1，， 2
1 各次极大声压与主极大声压比值为： 2i 1 n sin 2n
法向质点振速连续 u1 x , t x0 u2 x , t x0 声压反射系数 R
Pr 2 c 2 1c1 Z 2 Z1 Pi 2 c 2 1c1 Z 2 Z1 Pi 2 2 c2 2Z 2 2 c2 1c1 Z 2 Z1
1 T I pudt T 0
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4 介质声阻抗和声阻抗率
介质特性阻抗
0c
声阻抗率
声场中某点声压与振速之比 ，它为一个复数（声压 与振速存在相位差）
Zp u
Байду номын сангаас
平面波 Z 0 c 特点
平面波声压和振速处处同相（正向波）或反向（反 向波），声强处处相等，其声阻抗率与频率无关。
2
1 声波描述
声压（标量）：声波扰动引起介质压强的变化量
p P P0
声场：声波所波及的空间
位移（矢量）：介质质点离开其平衡位置的距离
振速（矢量）：介质流速或介质质点运动速度的变化量
u U U0 u d dt
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dc p dk
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15
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•垂直入射
在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同，声波分界面上会 发生反射和折射。
pi
•边界条件
声压连续 p1 x , t x0 p2 x , t x0
2
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2 波动方程
速度势
介质单位质量具有的声扰动冲量 ：
p
0
dt
声压、质点振速与速度势关系
u
p 0 t
1 2 2 c t
2 2
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1 声波描述
密度改变量：
1 0
压缩量：介质密度的相对变化量
s 0 0 1 0
描述声场，通常采用上述各物理量的时空 分布函数？
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2 波动方程
假设条件
1. 介质静止、均匀、连续的：在波长距离上，声学 特性保持不变。 2. 介质是理想流体介质：忽略粘滞性和热传导性。
i arcsin d
d i
i 0,1,
i=0对应的方向为主极大值方向（主瓣）；
i=1对应的方向为第一副极大值方向（栅瓣），依 此类推。
注意：不出现副极大值的条件 d
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•斜入射
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21
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•全内反射
R m cos i i sin 2 i n 2 m cos i i sin i n
2 2
Re
i
2arctg
2
2 1 p 2 p 2 2 c t
2 1 1 1 2 2 r 2 2 sin 2 2 r sin 2 r r r r sin
1 1 2 2 2 r 2 2 r r r r z
声学基础
1 声波描述
声波：机械振动状态在介质中传播形成的波动形式 分类：
<20Hz声波—次声
>20kHz声波—超声
20Hz～20kHz声波—音频声
流体介质：纵波（压缩波 Compressional Wave） 固体介质：纵波、横波（切变波 Shear Wave）