聲學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)：封閉空間中的聲場(chǎng)特性

2017-05-04 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

聲源在被聲阻抗率不同的界面所包圍的空間中輻射的聲場(chǎng)稱封閉空間中的聲場(chǎng)。例如機(jī)器在車間或?qū)嶒?yàn)室中發(fā)出噪聲,當(dāng)門、窗或其他開口的面積遠(yuǎn)小于整個(gè)邊界的面積,則室內(nèi)的聲場(chǎng)就可以近似地看作是封閉空間中的聲場(chǎng)。

聲源在封閉空間中輻射聲波時(shí),傳播到各界面上的聲波,一部分被界面吸收,一部分被反射。在一般房間中,要經(jīng)過(guò)多次反射后,聲波的強(qiáng)度才減弱到可以被忽略的程度。

直達(dá)聲和混響聲

聲源在封閉空間中連續(xù)穩(wěn)定地輻射聲波時(shí),空間各點(diǎn)的聲能是來(lái)自各方向的聲波疊加的結(jié)果。其中未經(jīng)反射、直接傳播到某點(diǎn)的聲波稱為直達(dá)聲;一次和多次反射聲的疊加稱為混響聲。

直達(dá)聲的強(qiáng)度與離聲源中心的距離平方成反比。如果頻率較高(波長(zhǎng)與空間尺寸相比很小),混響聲的強(qiáng)度可近似地認(rèn)為各處相等?；祉懧暷艿拇笮?除與聲源輻射功率有關(guān)外,還與空間大小和諸界面的平均吸聲系數(shù)有關(guān)。

室內(nèi)聲壓穩(wěn)態(tài)值

聲源以聲功率(W)在封閉空間中穩(wěn)定地輻射聲波時(shí),一方面聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí),聲能不斷衰減,聲波遇到界面時(shí)又有一部分能量被吸收;另一方面聲源又不斷地補(bǔ)充聲能。聲源開始發(fā)聲后經(jīng)過(guò)很短一段時(shí)間,聲能就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),這時(shí)空間內(nèi)各點(diǎn)聲壓達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值。

把室內(nèi)的直達(dá)聲和混響聲都計(jì)算在內(nèi)時(shí),在離聲源中心距離為r的某點(diǎn),聲壓平方的平均值p倍,ρ0是空氣的密度;c是空氣中的聲速;Qθ是聲源在θ方向輻射的指向性因數(shù),即該點(diǎn)的聲強(qiáng)與聲功率相等的無(wú)指向性聲源在相同距離上的聲強(qiáng)之比;R=Sā/(1-ā)稱為房間常數(shù);S是室內(nèi)總表面積;ā是室內(nèi)諸表面的平均吸聲系數(shù)。

擴(kuò)散場(chǎng)距離

直達(dá)聲壓按距離反比規(guī)律而衰減,混響聲可近似認(rèn)為在空間內(nèi)各點(diǎn)都相等,因此在離聲源的某一距離處,其直達(dá)聲有效聲壓與混響聲有效聲壓正好相等,這個(gè)距離稱為擴(kuò)散場(chǎng)距離rc。

封閉空間體積或界面的吸聲系數(shù)越大,擴(kuò)散場(chǎng)距離就越大。當(dāng)聲源在各方向輻射的指向性因數(shù)不同時(shí),不同方向上的擴(kuò)散場(chǎng)距離也不同。如果聲源輻射無(wú)指向性,這時(shí)各方向的擴(kuò)散場(chǎng)距離都相同,稱為混響半徑。

在小于擴(kuò)散場(chǎng)距離的區(qū)域內(nèi),直達(dá)聲大于混響聲,在允許誤差范圍內(nèi),可以忽略混響聲(即反射聲)影響的區(qū)域,作為近似的自由聲場(chǎng)。反之,在大于擴(kuò)散場(chǎng)距離的區(qū)域,混響聲大于直達(dá)聲,稱為混響聲場(chǎng)。

簡(jiǎn)正方式

聲波在互相平行的一對(duì)剛性界面之間傳播時(shí),如果距離為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍,就會(huì)產(chǎn)生共振。相應(yīng)的頻率稱簡(jiǎn)正頻率(或固有頻率、共振頻率),相應(yīng)的駐波傳播方式稱簡(jiǎn)正振動(dòng)方式,或簡(jiǎn)正方式。三維空間有一系列的各種類型的簡(jiǎn)正方式。關(guān)于簡(jiǎn)正頻率的計(jì)算式見室內(nèi)聲學(xué)。

擴(kuò)散聲場(chǎng)

當(dāng)封閉空間內(nèi)被激發(fā)起足夠多的簡(jiǎn)正方式時(shí),由于不同方式有各自特定的傳播方向,因而使達(dá)到某點(diǎn)的聲波包括了各種可能的入射方向。在這種情況下,除了在擴(kuò)散場(chǎng)距離內(nèi)的自由聲場(chǎng)區(qū)和離界面1/4波長(zhǎng)范圍內(nèi)的固定干涉區(qū)以外,空間內(nèi)各點(diǎn)的聲能密度相等;從各個(gè)方向到達(dá)某點(diǎn)的聲強(qiáng)相等;到達(dá)某點(diǎn)的各波束之間的相位是無(wú)規(guī)的。具備這樣特性的聲場(chǎng)稱為擴(kuò)散聲場(chǎng)。

理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)是難以獲得的。特別在低頻段,被激發(fā)起的簡(jiǎn)正方式較少,到達(dá)某點(diǎn)的聲波入射方向不夠多,各點(diǎn)聲能密度的起伏也比較大。此外,當(dāng)界面有大塊面積的表面聲阻抗率相差很大的材料時(shí),也會(huì)使空間內(nèi)的聲場(chǎng)不均勻。這種情況稱為聲場(chǎng)不擴(kuò)散或擴(kuò)散不良。為了獲得較好的聲場(chǎng)擴(kuò)散條件,特別對(duì)于混響室或?qū)ｉT測(cè)試噪聲的實(shí)驗(yàn)室,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取以下措施:

使實(shí)驗(yàn)室有足夠大的體積;
使實(shí)驗(yàn)室有良好的布局;
在室內(nèi)增加適當(dāng)?shù)墓潭ɑ蚧顒?dòng)的擴(kuò)散體。

聲場(chǎng)衰變和混響時(shí)間

聲源一停止發(fā)聲, 封閉空間內(nèi)各處的平均聲能密度就按指數(shù)率逐漸衰變。聲能密度衰變到原來(lái)的百萬(wàn)分之一時(shí)所需的時(shí)間稱為混響時(shí)間?；祉憰r(shí)間的長(zhǎng)短與空間體積成正比,而與空間內(nèi)聲吸收成反比。

不同類型的簡(jiǎn)正方式有不同的指數(shù)衰變率(或混響時(shí)間)?？偟乃プ冞^(guò)程不是單一的指數(shù)衰變規(guī)律,同時(shí)空間內(nèi)不同點(diǎn)的衰變率也往往有較大的差異。這種混響時(shí)間的不均勻性和衰變率的不規(guī)則性是與聲場(chǎng)擴(kuò)散不良緊密聯(lián)系的。

當(dāng)聲場(chǎng)擴(kuò)散不良時(shí),室內(nèi)各點(diǎn)聲壓值和混響時(shí)間的起伏都比較大。這時(shí),在實(shí)際聲學(xué)測(cè)量中,只有在較多的測(cè)點(diǎn)求出多次測(cè)量的平均值,才能得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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