理想媒质中的声波方程
声学基础4.3理想流体媒质中的声波方程

○ 重点: – 1、运动方程; – 2、连续方程; – 3、状态方程; – 4、声传播速度的计算.
○ 难点: – 1、运动方程; – 2、连续方程; – 3、状态方程;
4.3.1三个基本物理定律
思想:目的是推导某一参量(如声压)的波动方程, 但 是声扰动过程中,各参量声压,密度增量及振速等的 变化是相互关联的,首先要找出各参量之间的关系.
同一时间从EFGH面流出的质量:
x方向体元质量的增加为: F1
F
2
同理y方向,z方向使体元的质量增加为
根据质量守恒定律: 即 连续性方程:
小振幅声波:
简化得: 声场介质中的连续性方程
3)状态方程 仍然考察一小体积元.设它在没有声扰动时状态为
一般情况下,当声波传过来时它们会发生变化,三个 量的变化不是独立的,而是相互联系的. 由于在理想流体的假设下,声波过程进行较快,介质还 来不及与旁边的介质进行热量交换,因而声波过程可 以认为是绝热过程,即温度T0不变.这样,就可认为压
合并: 由
欧拉方程
欧拉方程描述了声场中声压和振速之间的关系.
2)连续性方程 根据质量守恒定律,连续介质中,任意一处体积元中 流进和流出的质量不等,必然引起该体积元介质密 度的变化.
仍取小体元分析,某一瞬时,质点振速为 研究x方向流动. Δt时间内介质由ABCD面流入体元ΔV的质量为
为单位时间通过单位面积的质量
由于声压p是标量,又容易测量,因此我们常采用声压 描述声场: 对连续性方程
对t求导 将运动方程带入上式
得到:
由
即 略去二阶小量,得 因此,状态方程可写为:
由
得:
波动方程
在不同坐标系中有不同形式
声波运动方程

声波运动方程声波是一种机械波,是由物体振动产生的,通过空气或其他介质中的分子传播。
声波的传播可以用声波运动方程来描述。
声波运动方程是研究声波传播的基础,它描述了声波在介质中的传播规律。
声波运动方程可以用以下形式表示:∂²p/∂t² = c²∇²p其中,p表示声压,t表示时间,c表示声速,∇²表示拉普拉斯算子。
声波运动方程的左边表示声波的加速度,右边表示质量与力的关系。
这个方程可以看作是波动方程和质量守恒定律的结合。
通过解析这个方程,我们可以研究声波的传播特性,进一步了解声波在不同介质中的行为。
声波运动方程的解决过程中,需要考虑介质的性质和边界条件。
不同的介质对声波的传播速度和传播特性会产生影响。
例如,空气中的声速约为343米/秒,而水中的声速约为1482米/秒。
介质的密度、弹性模量等性质也会对声波的传播产生影响。
声波运动方程的解可以用波函数表示,例如平面波、球面波等。
波函数描述了声波在空间中的分布情况和传播方向。
不同的波函数对应着不同的声波模式,例如驻波、衍射、干涉等。
这些声波模式在实际生活中有着广泛的应用,例如音乐演奏、声纳探测等。
声波运动方程的解还可以用数值方法求解,例如有限差分法、有限元法等。
这些方法可以通过离散化空间和时间来近似求解声波运动方程,从而得到声波的传播情况。
数值方法的应用使得声波的研究更加精确和高效。
声波运动方程的研究不仅对理解声波的传播机制有着重要意义,同时也为声波的应用提供了理论基础。
例如,声波在医学中的应用已经得到了广泛的发展,例如超声诊断、超声治疗等。
通过研究声波运动方程,可以优化声波的传播参数,提高医学影像的质量和治疗效果。
声波运动方程是研究声波传播的重要方程,通过解析和数值方法可以研究声波的传播特性和应用。
声波运动方程的研究对于提高声波应用的效果和探索新的应用领域有着重要意义。
我们需要进一步深入研究声波运动方程,探索更多关于声波的奥秘。
声波的基本性质

纵波
横波(SV)
横波(SH)
表面波--沿无限大固体介质自由表面传播的波。
制导波--在有限空间传播的波。(兰姆波、 斯通利波)
波动方程。
2 p x2
1 c02
2 p t 2
C0 为声波传播速度。
声波在介质中的传播速度指声场能量单位时 间的传播距离。
其大小与介质声学性质、介质体密度及声波 类型有关。与声场强度无关。
声波在介质中传播时,致使介质质点产生 振动,质点振动速度不同于声波传播速度。 质点振动速度与介质、声场强度、声波类型 有关。
单位:帕(N/㎡)。1帕=1 N/㎡
1标准大气压(bar)=1.01325105 Pa (帕)
同理,由声扰动造成的密度的变化量也是位 置和时间的函数。
' 0 '(x, y, z,t) 0、-声扰动前、后的介质密度; ' 密度变化量。
声场--存在声压的空间。 有效声压--一周期内瞬时声压的均方根值。
d
)s
P为压强。
讨论:1、理想气体 C 的表达式。
理想气体的绝热方程
PV const.
对于一定质量的理想气体,有
P
const.
由此得:c2 P
P为理想气体的压强。 C 为声波在流体中的传播速度。
2、一般流体
c2
( dp
d
)s
dp
(
d
)
s
m V const.
Vd dV 0
d
第3章 理想流体介质中声波的传播(3-1,3-6)讲诉

声波的传播速度
介质中振动传播过程的时间滞后现象说明声波在 介质中传播有一定的时间,称为声波的传播速度.
声波在空气中的传播速度是330m/s,在水中的传播速 度为1500m/s在钢块中的传播速度是5500m/s. 声波的分类
)
0
uz z
简化得:
t
0
(
ux x
u y y
uz ) z
声场介质中的连续性方程
t
v
0 u
3-2-3 状态方程 仍然考察一小体积元.设它在没有声扰动时状态为
P0 , 0 , T0
一般情况下,当声波传过来时它们会发生变化,三个 量的变化不是独立的,而是相互联系的.
声压的瞬时值:某一瞬时的声压.
峰值声压:在一定时间间隔中最大的瞬时声压值称 为峰值声压或巅值声压;如果声压随时间的变化是 按简谐规律的,则峰值声压也就是声压的振幅;
p pm cost,
有效声压 :在一定时间间隔内,瞬时声压对时间取 均方根值称为有效声压:
pe
1 T p2dt T0
简谐振动
pe
声场中取小体元ABCDEFGH D
V xyz
F1
介质静止时 u0 0 有声波作用时压强为 P0 p
B A
z z
对ABCD面: F1 (P0 p)yz
由于P随坐标变化,在 x 内变化量为 P
对EFGH面: F2 (P0 p P)yz
x 方向的合力为: Fx F1 F2 Pyz
G
H
p
v j
p
v k
x y z
欧拉方程描述了声场中声压和振速之间的关系.
声波运动方程

声波运动方程声波是一种机械波,它通过分子之间的振动传播。
声波的运动可以用声波运动方程来描述。
声波运动方程是描述声波在介质中传播的数学模型,它可以帮助我们理解声波的传播规律和特性。
声波运动方程可以写成如下形式:∂^2P/∂t^2 = c^2∇^2P其中,∂^2P/∂t^2表示声波的加速度,c表示声速,∇^2P表示声波的压强梯度。
声波运动方程告诉我们,声波的加速度与声波的压强梯度之间存在一种关系。
当声波在介质中传播时,分子会受到振动的力,从而产生加速度。
这种加速度导致了声波的传播。
声波运动方程中的声速c是一个常数,它决定了声波在介质中的传播速度。
不同的介质具有不同的声速,例如在空气中,声速约为343米/秒,而在水中,声速约为1480米/秒。
声波运动方程还告诉我们,声波的传播受到介质的影响。
当声波传播到介质的边界处时,会发生折射、反射和透射等现象。
这些现象是由声波运动方程中的压强梯度引起的。
声波运动方程的解可以用来描述声波的传播。
通过求解声波运动方程,我们可以得到声波的波函数。
声波的波函数可以用来描述声波的幅度、频率和相位等特性。
声波运动方程在物理学和工程学中有广泛的应用。
例如,在医学领域中,声波运动方程被用来描述超声波在人体组织中的传播。
超声波可以用来诊断疾病和进行治疗。
在工程领域中,声波运动方程被用来设计和优化声学器件,例如扬声器和麦克风等。
声波运动方程是描述声波在介质中传播的数学模型。
它可以帮助我们理解声波的传播规律和特性。
通过求解声波运动方程,我们可以得到声波的波函数,从而描述声波的幅度、频率和相位等特性。
声波运动方程在物理学和工程学中有广泛的应用,对于提高我们对声波的理解和利用具有重要的意义。
声学公式总结

声学公式总结声学是研究声波传播与产生的科学,涉及到各种与声音有关的现象和原理。
在声学研究中,有许多关键的公式被广泛应用于声场分析、信号处理和工程设计中。
本文将对几个重要的声学公式进行总结和解释。
1. 声速公式声速是声波在介质中传播的速度,它由介质的弹性和密度决定。
对于理想气体,声速公式可以表示为:c = √(γRT)其中,c是声速,γ是绝热指数,R是气体常数,T是气体的绝对温度。
2. 声波频率和波长关系声波频率和波长之间存在着简单的数学关系,即:λ = c/f其中,λ是波长,c是声速,f是频率。
根据这个公式,我们可以计算出特定频率声波的波长。
3. 声强公式声强是声音能量传播的强度,它与声波的振幅和面积有关。
声强公式可以表示为:I = P/A其中,I是声强,P是声波传播过程中通过单位面积的能量,A是声波传播的面积。
4. 声压级公式声压级用于度量声音的强度,它是以对数形式表示的。
声压级公式可以表示为:Lp = 20log(P/P0)其中,Lp是声压级,P是声压,P0是参考压力。
常用的参考压力为20微帕。
5. 多普勒效应公式多普勒效应是声音在运动的物体相对于静止物体所产生的频率变化现象。
多普勒效应公式可以表示为:f' = f(v±v0)/(v±vs)其中,f'是接收到的声音频率,f是发送声音的频率,v是声波在介质中的传播速度,v0是接收者的运动速度,vs是声源的速度。
6. 声音衰减公式声音在传播过程中会存在衰减,衰减程度与距离和介质特性有关。
常用的声音衰减公式可以表示为:L = 20log(r/r0) + αd其中,L是声音的衰减程度,r是距离,r0是参考距离,α是吸收系数,d是传播距离。
总结:声学是一个广泛的学科,涵盖了许多基本原理和公式。
本文对一些重要的声学公式进行了总结和解释,涉及到声速、频率和波长关系、声强、声压级、多普勒效应和声音衰减。
这些公式在声学研究和实际应用中具有重要的意义,对于声音的传播、信号处理和环境设计等领域都有着重要的参考价值。
声悬浮

如何更好地操纵悬浮的物体
【B】实际应用
(1)超声声悬浮 优势:应用广泛,比低频声悬浮浮力更大,可以悬浮密度较大的物体。 //图 超声声悬浮//
如何更好地操纵悬浮的物体
【B】实际应用
(2)三轴式声悬浮
优势:悬浮更稳定,可三个方向操纵物体 //图 三轴式//
如何更好地操纵悬浮的物体
【B】实际应用
(3)近场声悬浮
(三)理论修正与实验改良
【A】理论修正
由实验可知,在非理想状况下,声悬浮模型需进行修正 (1)有边界的条件下: F-z不满足简单的正弦分布,猜想F的分布函数满足简谐分布的傅里叶叠加。 (2)在气流存在的条件下: 应加上气流浮力, F浮 =F驻 F气 其中F气由环境决定。
(三)理论修正与实验改良
(2)连续性方程:
-
( v) x t
(3)物态方程: dp c2dρ
(一)声波的一维波动方程
将三个方程进行线性化处理并省略二级以上微量可得:
ρ0 v p t x
ρ0
v ρ =x dt
p=c2 ρ 0
消去ρ ’和v,可得到声波的一维波动方程:
故有声波的表达式:
[5]冯大圣, 焦锋, 陈娟,等. 单轴式声悬浮的实验研究及数值模拟分析[J]. 材料导 报, 2007, 25(5):27-30.
代入F的公式,对于z方向的悬浮力,得到公式:
5 Fz r3ρ k 02 sin (2kz) 6
(四)声悬浮的条件
5 根据公式: Fz r3ρ k 02 sin (2kz) 6
可得到F-z曲线。 4 对于半径为r,密度为ρ s的小球重力为: G= r3ρ sg 3 当Fz=G时,物体才能达到稳定的悬浮状态,当F/G>1时,为物体 的悬浮区域 (图2 F-z曲线)
空气中声音传播方程的推导

空气中声音传播方程的推导数学与应用数学2011级
作者:王锴丰,王保山,王冬羽
6.结论:
本小组通过流体力学知识,推导证明出了声波在空气中传播满足波动方程,并且对声波在空间中一点扩散模型的解析解进行了求解,在求解过程中由数学物理方程可知,三维问题的柯西问题,用到泊松积分公式,求出了空间中的压强场,密度场,与速度场。
参考文献:《数学物理方程》,谷超豪,李大潜,陈恕行,郑宋穆,谭永基(高等教育出版社)2002.7 《大学物理学》(上),赵近芳,颜晓红(北京邮电大学出版社)2008.6
《声学基础》第三版,杜功焕,朱哲民,龚秀芬(南京大学出版社)2012.5。
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du x u x dt t du x u x u x dx u x dy u x dz = + + + dt t x dt y dt z dt
m = ρV = ρx y z
According to Newton’s second law F=ma, Newton’
the acceleration of small volume in x direction will be
[ ρu x + ( ρu x ) x ]yzt x
That the net influx of mass into this spatially fixed volume,resulting from flow in the x direction , is
x ( ρ u x ) x y z t
THREE BASIC EQUATIONS 理想媒质中的三个基本方程
1. The equation of motion
1. the equation of motion ( Euler's equation) First, we write the relation between sound
PV = P0V0
γ γ
ρ0V0 = ρV
γ
γ
ρ ρ0 + d ρ γ P0 P = P0 = d ρ + P0 ≈ P0 + ρ0 ρ0 ρ0
In the sound field of small amplitude
dρ << 1 ρ0
γ P0 p = dP = P P0 ≈ d ρ = c2d ρ ρ0
Similar expressions give the net influx for the y and z directions,
( ρu y ) xyzt y
( ρu z ) xyzt z
So that the total influx must be
m = ρxyz = [ ( ρ u x ) + ( ρ u y ) + ( ρ u z )]xyz t x y z
= i+ j+ k x y z
is gradient operator
p p p p = i + j+ k x y z
2. The equation of continuity
restatement of the law of the conservation of matter To relate the motion of the fluid to its compression or dilatation, we need a functional relationship between the particle velocity u and the instantaneous density p .
ρ ρ0
We obtain
u x ( ρu x ) ( ρ 0u x ) = ρ 0 x x x
Similar expressions gibe the net influx for the y and z directions,
u y ( ρu y ) ρ 0 y y
u z ( ρu z ) ρ 0 z z
u z P = ρ0 t z
Now let the motion be three –dimensional,
so write
u P = ρ0 t
P ≡ p
Since P0 is a constant, and obtain
du p = ρ 0 dt This is the linear inviscid equation of motion, valid for acoustic processes of small amplitude
The net force experienced by the volume dV in the x direction is
Fx = F1 F2 = Pyz
For small amplitude , we can neglect the second order variable terms,
When
u x Pyz = ρxyz t
u x P =ρ x t
x → 0
P P lim = x → 0 x x
For small amplitude u x P = ρ0 t x
u y P = ρ0 y t
ρ ρ0
Similarly ,in the direction of y and z, we can obtain
ρ = [ ( ρu x ) + ( ρu y ) + ( ρu z )] t x y z
t → 0
ρ ρ lim = t → 0 t t
We obtain the equation of continuity
ρ = [ ( ρu x ) + ( ρu y ) + ( ρu z )] t x y z
dP 1 d 2P P=P(ρ0 ) + ( )S,ρ0 ( ρ ρ0 ) + ( 2 )S,ρ0 ( ρ ρ0 ) 2 + dρ 2! d ρ
Where S is adiabatic process, the partial derivatives are constants determined for adiabatic compression and expansion of the fluid about its equilibrium density.
P = P0 + p
ρ = ρ0 + ρ '
dp 2 dρ ' =c dt dt
This is the equation of state, gives the relationship between the pressure fluctuation and the change in density.
dP P=P(ρ0 ) + ( )S,ρ0 (ρ ρ0 ) dρ
dP dP = ( ) S , ρ0 d ρ dρ
We suppose
dP c = ( ) S , ρ0 dρ
2
In the case of gases at sufficiently low
density, their behavior will be well approximated by the ideal gas law. An adiabatic process in an ideal gas is governed by
Consider a small rectangularrectangularparallelepiped volume element dV=dxdydz which is fixed in space and through which elements of the fluid travel. The net rate with which mass flows into the volume through its surface must equal the rate with the mass within the volume increases.
PV = P0V0
γ γ
Here r is the ratio of specific heat at constant pressure to that at constant volume. Air , for instance ,has r =1.4 at normal conditions
For idea gas,
If the fluctuations are small, only the lowest order term in ρ ρ0 Need be retained .This gives a linear relationship between the pressure fluctuation and the change in density
Speed of sound in fluids
We et a thermodynamic expression for the speed of sound
dP c= dρ s, ρ0
Where the partial derivative is evaluated at
equilibrium conditions of pressure and density. For a sound wave propagates through a perfect gas, the speed of sound is :
Note that the equation is nonlinear;