第二章声学基本知识
第二章---声现象单元备课
第二章声现象单元备课一、教材分析本章讲述的是一些声学的初步知识。
讲述的内容有声音的发生·传播、音调、响度和音色，以及噪声的危害和控制超声特点应用和次声产生危害防控。
本章的重点是声音的发生与传播，它是解释各种声现象的基础。
二、学情分析本章是与生活现象相结合的非常紧密的一章，理解上会更容易一些通过师生的双边活动激发学生的学习的兴趣和对科学的求知欲望，使学生乐于探索生活中物理现象和物理原理。
三、单元目标（一）知识和技能：1、体验声音的产生是由于振动引起的。
领会声音传播需要介质。
知道声音在不同介质中传播的速度不同。
2、了解声音的产生、传播、乐音的特性、噪声危害及防控以及超声的利用次声危害等3使学生通过实验理解声音产生的条件、传播的条件、控制噪声的方法以及声音在生活实际中的利用等知识。
4、初步了解弦乐管乐器的发声原理（二）过程和方法1．通过总结和归纳，学会梳理知识的方法。
2．通过实验活动，进一步了解研究物理问题转换法·推理法的方法。
3通过实验根据我本人的特长演奏一些乐器·马头琴·电子琴·军鼓·学习乐音3个特4播放多媒体材料了解声的利用5能利用声学知识解释一些常见的生活现象（三）情感态度和价值观1．感受自然界声音的美妙与有趣，激发好奇心和求知欲。
2．培养团结合作、主动与他人交流、敢于提出自己见解的精神。
3．初步认识科学对人类社会和生活的实际意义，培养热爱科学、勇于探索的意识。
4通过教师和学生的双边活动，激发学生的学习的学习兴趣和对科学的求知欲望，使学生乐于探索生活中物理现象和物理原理四、重点、难点:重点：声音的产生和传播的条件，乐音的特征，防控噪声的途径。
难点：音调、响度和音色的区分，超声波特点利用、次声波的危害及在生活中的应用。
五、知识结构一、声音三环节：1、声音的产生：发声体的振动（振动也震动、运动与有所区分）2、声音的传播：介质、声波、声速、回声3、听觉的产生：两条路径――空气传声和骨传声二、乐音三特征：1、音调：（1）声音的高低；（2）是由频率决定的，什么是频率？（3）声音可分为：超声、次声和可听声。
《声学基础知识》课件
让我们一起探索声学的奥秘吧。从声学基础概述开始，深入了解声音的产生 机制、声音的特性和参数，以及声学波动的基本概念。
声学基础概述
声学是研究声音在空气、固体和液体中的传播和变化的学科。它涵盖了声音的起源、传播和感知等方面的内容。
声音的产生机制
声音的产生涉及物体振动，从声源传递到介质中形成声波。声波通过空气、固体或液体的震动传递，最终被我 们的耳朵接收。
声音的特性和参数
声音具有许多特性和参数，包括频率、振幅、声压级和声色。这些特性决定 了声音的音调、响度和音质。
声学波动的本概念
声学波动是指声音在空气、固体或液体介质中传播的过程。了解波动的基本概念可以帮助我们理解声音的行为 和传播规律。
声场的传播和测量
声场是声波在空间中的分布情况。了解声场的传播和测量方法有助于我们优 化声音的传递和改善声学环境。
声学信号的处理和分析
声学信号的处理和分析可以帮助我们理解和改善声音的质量。通过采用数字信号处理等技术，我们可以对声音 进行精确的控制和调整。
声学应用的案例研究
通过案例研究，我们可以了解声学在不同领域的应用，包括音乐演奏、建筑 设计、噪声控制等。这些案例可以帮助我们更好地理解声学的实际应用。
《声学基础概述》PPT课件
2.2.1 脉动球源、点声源和多极子声源
• 脉动球源是进行着均匀舒展和收缩的球面 声源，球源表面各点沿径向作同振幅、同 相位的振动。假设脉动球源的半径为 ，表 面振动位移为 ，随着表面位移的和谐变化， 球面向外辐射声波为球面波,无限介质中的 声压为，
29
• 介质中的质点振速则为， 在球源的表面处，介质的质点振速与球源表 面的振动速度一致，假设球源的振动速度 为 ，代入上式得，
3
• 人耳能够感觉到的声波的频率范围从 到 ，一般称为 音频 。频率低于 的声 音称为 次声波 ，而频率高于 的声音则 称为 超声波 。
• 声压 p就是介质受到扰动后所产生的压强 P 的微小增量。存在声压的空间称为 声场 ， 声场中某一瞬时的声压称为 瞬时声压 。
4
• 在一定时间间隔内最大的瞬时声压称为峰 值声压，在一定时间间隔内瞬时声压对时 间取均方根称 为有效声压 ，
(2.2.12) 声场的总声压为两个点源的声压之迭加，即
虽然 和 在数值上相差很小，但这种差异 反映到相位上却是影响很大的。
35
• 将 (2.2.12) 式代入 (2.2.13) 式，即可得到，
• 偶极子之间的距离很近，在频率不是很高 的情况下， ，因此上式简化为，
• 上式表明：偶极子的辐射声压不但与距离 有关，而且还和 角有关，这意味着在声场 中同一距离但不同方向的声压不同。
平面声波在无限、均匀介质分界面上的 反射，是声反射现象中最简单的一种。
26
• 声波的 反射与折射定律
27
2.2 典型声源及其声辐射
• 物体在弹性介质中振动会引起周围介质的 振动，从而激发声波。本节将介绍声波与 声源之间的关系。
• 声源的形式是多种多样的，实际声源的结 构形式往往是十分复杂的，要想从数学上 严格求解几乎是不可能的。理论分析中常 用的处理方法就是将实际复杂的声源简化 处理成各种典型声源，比如球声源、点声 源、活塞式声源等等。
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。
声学基础 第二章 声波的基本性质
第二章 声波的基本性质 §2.1 概述2.1.1 声波的物理量1、声压p 指由声扰动产生的逾量压强，即声波引起的介质压强起伏与介质 静压的差值。
0p P P P =∆=- 声压p 通常是空间和时间的函数。
(,)p p r t = 介质中的实际压强为0P P p =+ （2-1-1）2、介质的密度和温度与声压的概念相似，声扰动或声波同样可以引起介质密度和温度的起伏。
0=-δρρ 0T T =-τ （2-1-2）δ和τ同样是空间和时间的函数。
不过一般情况下，这种起伏通常较小（详见小振幅声波或线性声学基本假设），可以近似认为：0=ρρ ，0T T = 即忽略密度和温度的起伏，近似认为它们为常量。
3、声波中的质点振动位移s 和振动速度v 指产生或传播声波的质点（或微元体）在其平衡位置附近的振动位移和振动 速度。
通常它们是矢量（场）。
4、声速c指声波在介质中的传播速度，分为相速度和群速度。
关于它们以后再介绍。
5、声波的频率f 、角频率ω、波长λ、周期T 等是我们熟悉的物理量，此处不再赘述。
描述声波的物理量还有许多，以后还要陆续介绍。
2.1.2 声波分类关于声波有多种分类方法很多，常见的分类方法主要有：根据波阵面（或等相位面）的形状或波源的几何特征，可以将声波分为： 1、 球面波（点源）；2、柱面波（直线源）；3、平面波（平面源） 根据波的振动方向与波传播方向的几何关系，可以将声波分为： 1、纵波，振动方向与波传播方向平行； 2、横波，振动方向与波传播方向垂直； 根据介质的几何尺寸和形状，还可将其中的声波分类为体波和导波，前者指在无限大介质中传播的波，而后者则指在有限介质中传播的波。
另外根据介质的理想化程度和对其数学描述的近似程度，把声学划分为：线性声学 理想介质理想介质 线性声学非线性声学 实际介质 声学 或 声学线性声学 理想介质实际介质 非线性声学非线性声学 实际介质流体介质因具有不可压缩性，同时其粘滞系数较小，对剪切应力的传递能力有限，因此其中只能传播纵波。
南京大学_声学基础课件_第2章_膜的横振动
第2章 薄膜的横向振动
2.1 矩形膜的振动 2.2 圆形膜的对称本振振动模式 2.3 圆形膜的强迫振动 2.4 圆形膜的非对称本振振动模式
2u t 2
T
u x
xdx
u x
x
dy
T
u y
ydy
u y
y
dx
2u t 2
T
lim
x0
u x
xx
x
u x
x
T
lim
x0
u y
yy
y
u y
y
1 2u 2u 2u
1
c2
t 2
x2
y2
0;
c2 T
8
强迫振动方程
外力密度（单位面积上的外力）：f (x, y,t)
17
2.2 圆形膜的对称本振振动模式
振动方程
x r cos; y r sin
1 c2
2u t 2
2u x2
2u y2
0
1 r
r
r
u r
1 r2
2u
2
1 c2
2u t 2
0
y (r,) x
18
对称情况的本征振动模式—圆周固定
u(r,,t) u(r,t)
1 r
r
r
u r
Y(y) 0 y 0,l y
k2
kx2
k
声学基础知识解析
声学基础知识解析声学，作为物理学的一个分支，研究了声音的产生、传播和感知。
声波是一种机械波，是由固体、液体和气体中的物质震动引起的。
声学的研究对于我们日常生活和科学研究中都具有重要的意义。
本文将对声学的基础知识进行解析。
一、声的产生声音的产生是由物体的振动引起的。
当物体振动时，周围的空气分子也会跟随振动，形成一个机械波，即声波。
声波的频率越低，音调就越低，频率越高，音调就越高。
二、声的传播声波是通过介质传播的，大部分情况下是通过空气传播。
当我们发出声音时，声波会向四面八方传播，当声波到达一个物体时，它会撞击物体的表面，使表面振动，并且使介质内的分子也发生振动。
这种振动会一直传播下去，直到遇到障碍物或者被吸收。
三、声的特性声音具有以下几个基本特性：1. 音量：也称为声音的强度，是指声音的大小。
音量与声波的振幅有关，振幅越大，音量就越大。
2. 频率：也称为音调，是指声音振动的快慢。
频率与声波的周期有关，周期越短，频率就越高，音调就越高。
3. 声音色彩：是指声音的质地或音质，不同的乐器和人的声音都有独特的音色。
音色由声波的谐波分量决定。
四、声的吸收与反射当声波遇到物体时，它会发生吸收和反射。
当声波被吸收时，会转化为其他形式的能量，导致声音变弱或消失。
当声波被物体表面反射时，它会沿着其他方向传播，形成回声。
五、应用领域声学的研究在很多领域都有重要的应用，以下是一些常见的应用领域：1. 音乐：声学研究有助于了解乐器的原理和声音产生的机制，帮助人们更好地演奏乐器和欣赏音乐。
2. 建筑与环境：声学研究在建筑和环境设计中发挥重要作用，可以帮助减少噪音污染，改善室内声学环境。
3. 通讯：声学研究在通讯技术中起着关键作用，例如手机和音频设备的设计。
4. 医学：声学在医学中的应用广泛，包括超声波成像、听力研究等。
结论声学作为物理学的一个分支，研究了声音的产生、传播和感知。
通过学习声学的基础知识，我们可以更好地理解声音的产生和传播原理，并且可以应用于音乐、建筑、通讯和医学等领域。
物理性污染控制_第二章_噪声污染及其控制_第2节声学基PPT精品文档85页
40
轻声耳语
0.00063
30
树叶飘动声
0.00020
20
常见的声压级范 围如右图所示：
2. 声强和声强级：
（1）声强：在声波传播方向上单位时间内垂直 通过
单位面积的平均声能量，称为声强，
用
I=W/A
I 表示，单位：瓦每平方米 。
声压和声强都是度量声音大小、强弱的物理量。 声压是用力的关系说明声音的强弱，声强是
为什么要用“级”表征声音的大小？ 用声压绝对值表示声音强弱不方便。从闻 阈声压2×10-5Pa到痛阈声压2×101Pa，声 压绝对值相差100万倍。采用与基准值的 相对值较方便。
级的概念：1个量的级是这个量与同类基准值
之比的对数，用L表示。
表达式：
L logr
X X0
r＝10时，级的单位为贝（耳），工程上常用分
2.2.2 声波的物理量度
1. 声压、声压级
（1）声压：受声波的传播扰动，局部空气产生 压缩或膨胀，压缩的地方压强增大，膨胀 的地方压强缩小，这样在原来的大气压上 产生压强的变化，此压强变化称声压。
p(PP0)
瞬时声压：声场中某一瞬时的声压值 峰值声压：一定时间间隔内最大一瞬时声压
值 有效声压（pe）：在一定时间间隔（周期的整
第二节 声学基础知识
2.1 声音的产生和传播 2.2 声波的描述 2.3 声波的传播特性 2.4 声源的指向性
2.1 声音的产生和传播
物体的振动是产生声音的根源。
声源：把产生声音的振动物体称作声源。
点声源：声源尺寸远小于测点到声源距离时，声波 以球面波形状较均匀地向各个方向辐射。
W 0基 准 声 功 率 ； W 0 1012W 。
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2020/5/13
2.2.1 描述声波的基本物理量
0cost()
位移 振幅
相位
位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大 的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。
相位：某一时刻，某一质点的振动状态（包括质 点振动的位移大小和运动方向
2020/5/13
• 1816年拉普拉斯修改了牛顿的公式，把等温压缩系 数换为绝热压缩系数，消除了理论和实验的差别。
• 通过牛顿到拉普拉斯的工作，人们才最后确认声波 是弹性波，奠定了经典声学的基础。
2020/5/13
2.2.1 描述声波的基本物理量
2020/5/13
线性声波和非线性声波
线性声波——简谐振动（位移与弹力成正比 方向相反的振动），正（余）弦函数 前提条件：质点振速<<声速 质点位移<<波长，密度增量<<静态密度
• 瑞利多才多艺．除集经典声学大成之外，他在电学 、光学等其他方面还有许多重大贡献。他于1904年 获得诺贝尔奖
图2－2 声波传播的物理过程
2.2.1 描述声波的基本物理量
1.周期： 质点振动每往复一次所需要的时间，单位为秒（s）。 2.声波频率： 一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。
频率范围 (Hz)
声音
定义
2020/5/13
<20
20-20000
>20000
次
<500 500-2000 >2000
2020/5/13
2.2.2 声波的类型
1.平面声波： 声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列
平 面时，称其为平面声波。
波前： 声波传播时处于最前沿的波阵面称为波前 。 2020/5/13
1.平面声波：
2020/5/13
1.平面声波：
a.波动方程：
2 p 1 2 p x2 c2 t2
对于简谐振动而言：
声学史话（瑞利）
• 瑞利勋爵的姓是斯特鲁特(1842—1919)，瑞利是他 的封号，但我们声学界早已习惯了，提起他就说瑞 利，包括瑞利盘、瑞利散射等等，反而把他的姓忘 了。瑞利是集经典声学大成者，他的名著”声学理 论”至今还有重大影响，声学上许多现象、原理和 方法都是他发现和提出的。他多才多艺，不仅在声 学上有突出贡献，对经典物理学的发展也有重大影 响。
P0 cos(t kx ) t ' kx k 2f 2
cc 波数,声波传播 2米距离所含的波长数 为了表述简洁 , 0,
px, t P0 cos(t kx)
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c(声速)的意义
P0cos(t0－kx0)=P0[(t0+t)－k(x0+x)] 这就要求t－kx=0因为k=/c，所以
在均匀的理想流体中的小振幅声波的波 动方程为：
2p2p2p 1 2p x2 y2 z2 c2 t2
或
2 p
1 c2
2 p t 2
拉普拉斯算符
2020/5/13Fra bibliotek2.2.2 声波的类型
• 波阵面:是指空间同一时刻相位相同的各点 的轨迹曲线。 根据波振面的形状可将声波分为不同的类 型。
• 声线：常称为声射线，就是子声源发出的 代表能量传播方向的直线，在各向同性的 媒质中，声线就是代表波的传播方向且处 处与波阵面垂直的直线。
2020/5/13
Chapter 2 声学基础知识
• 2.1 声音的产生和传播 • 2.2 声波的描述 • 2.3 声波的传播特性 • 2.4 声源的辐射特性
2020/5/13
2.1声音的产生和传播
物体的振动是产生声音的根源。 声源： 我们把产生声音的振动物体称作声源。
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2.1.2 声音的产生和传播
超
低频声 中频声 高频
声
音频声
声
2.2.1 描述声波的基本物理量
3.波长： 声波两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距 离叫做波长，或者说声源每振动一次，声波 的传播距离。
c cT f 1T(H,zs1)
f
2020/5/13
2.2.1 描述声波的基本物理量
4.声速：振动在媒质中传播的速度。
媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度； 声速会随环境的温度有一些变化。
声波：这种向前推进着的空气振动称为声波。 声场：有声波传播的空间叫声场。 声音传播的实质： 声音传播是指物体振动形式的传播。
2020/5/13
2.2 声波的描述
• 2.2.1 描述声波的基本物理量 • 2.2.2 声音的物理量度 • 2.2.3 声波的类型
2020/5/13
声波的特性
• 声波的波动性——与光波的比较 • 声波产生的条件——媒质惯性和弹性——
p x,t P0ej(tkx)(复数解 ) px,tAcost Bsint
P0 cos(t kx)(实数解 )
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ω的意义
px,t P0 cos(t )
运动一个周期 ,从t 0到t T 又恢复到以前状态
T 2 2f
2020/5/13
k的意义
px, t P0 cos(t t ' )
c
x t
2020/5/13
1.平面声波：
b.质点振动速度： 对于简谐振动而言：
ux U0cos(tkx) U0 P0 /0c
质点振动的速度振幅
2020/5/13
1.平面声波：
c.声阻抗率：
Zs p/u
对于平面声波而言：
ZsP 0/U00c
媒质的特性阻抗，单位瑞利（Pa·s/m）
2020/5/13
表 21.1℃ 时声速近似值（m/s）
媒质 空气 水 混凝 玻璃 铁 铅 软木 硬木
名称
土
声速 344 1372 3048 3653 5182 1219 3353 4267
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空气中声速公式
• C=331.45+0.61t t——空气的摄氏温度℃
2020/5/13
2.2.2 声波的类型
真空中能否传播声波？ • 横波与纵波（固体有切变弹性） • 声波通过相邻质点间动量传递来传播能量
，而不是物质的迁移
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声学史话（声的波动性）
• 人虽然知道声在空气中传播，但声的本质是什么还 是众说纷坛，有人说是波，有人说是粒子，这和光 学中的波动说和粒子说的争论一样。
• 1687年牛顿在他的“原理”一书中对声波作为弹性 波推导了声速的公式。但经过测量，发现计算值和 实验值有较大的误差。原来牛顿认为声波传播是个 等温过程，没有考虑声波变化较快，是个绝热过程 。