当前位置：文档之家 › 浅述有限长度线声源的声辐射

浅述有限长度线声源的声辐射

  • 格式：doc
  • 大小：764.00 KB
  • 文档页数：5

浅述有限长度线声源的声辐射杭州声崴演出器材有限公司 孙健(已发表在<艺术科技>2006年第三期)摘要1．相同声功率的点声源和有限长度线声源相比较，在传输距离相同时从点声源得到声强度要比线声源强，也就是说点声源传得更远。

2．有限长度线声源等幅(响度)曲面近场时不是柱面，远场时也不是球面,它是介于柱面与球面之间的可变形橄榄球面。

3．相同声功率不同长度线声源的不同形状的橄榄球面一定有相同面积的等幅曲面。

4．在垂直于有限长度线声源的直线r 上的辐射衰减特性曲线Q （r ）是一条介于-3dB 与-6dB 之间的光滑渐近曲线,不存在近场到远场临界转折点。

关键词 线声源 等幅曲面 橄榄球面 衰减特性线阵列的理论是由美国著名声学家H.F 奥尔森(Olson)等人在1957 年提出的. 他们在声学研究中发现垂直线阵列扬声器的声音辐射体在垂直平面内有指向性增强的作用。

1970年JBL 公司利用这个原理用八个扬声器单元组成了一个称作“声柱”的产品。

1992年3月马榭尔.厄尔本（Marcel Urban ）教授和克里斯汀.赫尔(Christian Hail)在维也纳92届AES 会议上正式展示了线阵列研究成果。

垂直线阵列扬声器系统切实地批量投入应用是最近十多年来的事,由于它特有的性能在某些室外大型扩声等场所已得到一定范围的应用。

近年来,国内也有许多厂家生产出了不同系列的垂直线阵列扬声器系统.通过有限空间消声实验室的实验也证明了它在近距离内有较强的指向性。

但是很多线阵列的安装设计人员和使用者对它的认识有些误区;有些生产厂商和线阵列爱好者夸大了它的特性,把它神化了。

如“线阵列音箱比普通音箱传得更远”、具有“声透镜”功能、“垂直角度已达到0.12度基本平行状态”、“线阵列扬声器系统是扬声器中最先进的产品”等等。

作者对线阵列比较了解的调音师、音响设计师和大学教师作调查。

90%以上的被调查者都认为：线阵列扬声器要比相同功率的点声源扬声器传得更远，因为线阵列扬声器的声辐射衰减比较小。

所以，作者想通过理想条件(忽视指向性、反射、频率、介质损耗等因素)下的线声源和点声源的比较和分析来阐明本文上述个人观点。

1.相同声功率的点声源比有限长度线声源距离传得更远1.1 点声源 在自由声场中，声功率为A p 的点声源S p 向外辐射的能量呈球体状扩散，在点声源S p 距离为r 的受声点E 0的声强度P p 的算式:)1(42r A p pp π=此处的声压级Q p 差:)2(lg 20lg 1021221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=r r r r Q p由上式可知与声源的距离增加一倍，声压级降低6dB 。

图11.2无限长度线声源 当无限点声源S i 排成行时就可以看成为无限长的线声源。

无限长度线声源S L 向外辐射的能量呈圆柱体状扩散.当线声源L 的单位长度的声功率为A L ，在与线声源S L 距离为R 处受声点E 0的声强度P L 的算式为:)3(2r A p L L π= 此处的声压级Q L 差:)4(lg 1021⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=r r Q L 因此距离增加一倍，声压级降低3dB 。

图21.3有限长度线声源 当有限N 个点声源S i 排垂直成行时就可以看成有限长度线声源,当长度为L 线声源S L 的声功率为A L = A p,由N 点S i 单点声功率为A i = A L /N ，单点声源S i 间隔距离d=L/(N-1),X i =|L/2-(I-1/2)d|;X i =|L/2-(I-1/2)d|(N=2,4,6…); X i =|L/2-(I-1)d| (N=1,3,5…),在与任意点声源S i 距离为r i 处受声点E 0的单点声强度P i 为:)5(42ii i r A P π= 这时在距离为R 处受声点E 0的总声强度P L 的算式为: 图3()R X tg R A r A P P i i n i i i n i i i n i i L /)6(4cos 41122121-=======∑∑∑απαπ 显然由于L 上每个点声源S i 到受声点E 0距离r i 不同。

每个单点声源S i 到达受声点E 0声强度P i 也不同,只有当夹角αi =0; r i =R 时E 0总声强度 P L 的算式为:)7(42RNA P i L π=也就是说当每个单点声源S i 集中在S 0一个点上时受声点E 0才能得到最大声强度P Max = P P 图4当然由于每个单点声源S i 到达受声点E 0声强度P i 的方向不同,所以它们要用矢量来相加。

1.4平均距离 从平均距离:)8()4/(1221R L r n r ni i +==∑= 来看由于L>0所以线声源L 各点声源S i 点到达受声点E 0的平均距离r 要大于R 。

当L 长度越长，平均距离r 越大，在受声点E 0的总声强度的P L 越小; 当L 长度越短，平均距离r 越小，在受声点E 0的总声强度的P L 越大;当长度L=0,声功率集中在S 0一点时r =R 在受声点E 0的总声强度P L = P p 为最大。

图5结论: 当同样声功率A L =A p 距离R 相同时，在受声点E 0处的有限长度线声源总声强度P L 要小于点声源声强度P P ,点声源比有限长度线声源距离传得更远。

2.有限长度线声源的等幅曲面是介于柱面与球面之间的可变形橄榄球面2.1等时曲面 在通常情况下有限长度线声源的想象波阵面是靠在直线L 上移动点声源S i 半径为r 小球面留下的连续投影得到的两头半球面中间柱面的类柱面曲面。

因为时间t 相等，所以每个点声源S i 向球面方向辐射波阵面的距离r 相等;时间相等的波阵曲面有N 个,我们把最外层一个称为等时曲面。

我们把等时曲面的径向长度D EW =2r 叫纬长;经向长度D NS =2r+L 叫经长。

因为L 是不变的，r 随着时间t 增大而增大，当r<L/π时D EW <0.61D NS 这时纬长小于61%经长，等时曲面象两个半球夹一段圆柱。

当r>L/π时D EW > 0.61D NS这时纬长大于61%经长，等时曲面象两个半球夹一片圆饼;当r=16L 时D EW =0.97D NS 这时纬长与经长误差只有3%,等时曲面更象个圆球。

图6如果我们想象直线L 上每个点声源S i 上都向球面方向发出相同密度的声力线,当r 较小时等时曲面很象个洗瓶刷; 当r 较大时等时波阵面更象个毛球。

但是当r 较小时在这等时曲面的柱面上每一圆周C j上的声强度P j 是不同的。

下面我们就要讨论线声源的等响度曲面。

2.2等幅曲面 我们把理想有限长度线声源L 的等响度曲面叫做等幅曲面。

如果在平行于有限长度线声源L 距离为r 作圆柱C ，那么在圆柱C 上每一圆周C j 上的声强度是不相同的。

下面我们用直线AB来代替柱面C ，这时在直线AB 上任意点距离为r j 处受声点E j 处的总声强度P j 的算式为:图7 ()R X tg R A r A P P i j i j n i ji i n i ji i n i i j j /)9(4cos 41122121-=======∑∑∑απαπ 比较受声点E 0,E j ,E b 声强度P 0,P j ,P A ,从线段AB 中心点E 0到E j 到线段顶端E b 由于平均夹角j α的增大、平均距离j r 增大。

那么在直线AB 上每一点的声强度是不相同的，且是以E 0为中心对称的，直线中间E 0声强度最大，E a 、E b 两头声强度最小。

显然声强度P 0 > P j > P A,那么就是说,我们假定的圆柱面上的声强度不是等幅的,它是中间大,两边小。

有限长度线声源L 的等幅曲面是个橄榄球面。

图8 当r →0时等幅波阵面趋近柱面; 当r>0时等幅波阵面就是橄榄球面; 当r 远大于L ，r →∞时平均夹角α趋近于0,等幅曲面更趋近球面（从局部微观来看可能是平面）。

图9直线（柱面）−→−〉0r 橄榄球面−−→−∞→r 球面3. 声功率相同的不同长度的线声源等幅曲面面积一定是相同的3.1声功率相同的不同长度的线声源等幅曲面面积是相同由式⑴可知声功率A等于声强度P与等幅面积S的乘积， A=P*S。

二个长度不等的线声源L1与L2,它们的等幅曲面的声强度 P1=A1/S1； P2=A2/S2当声功率相等A1=A2；声强度相等P1=P2 ，那么一定有等幅面积相等S1=S2。

任何两个不同形状的声源一定有两个形状不同但面积相等的等幅曲面。

3.2线声源越长时等幅橄榄球面纬向长度（直径）越小声功率一定时,等幅曲面面积是恒定的。

当线声源L较长时等幅橄榄球面较细长; 当线声源L较短时等幅橄榄球面较粗短; 当线声源L长度为0,声功率集中于S0一点时等幅曲面是个球面;这时候线（点）声源L的纬向长度最大,所以声功率相同时线声源L越长辐射越近；线声源L越短辐射越远，当线声源长度最短时辐射最远，所以点声源要比线声源传得更远。

图104.有限长度线声源在垂直于线声源r上的辐射衰减特性曲线Q（r）是一条介于-3dB与-6dB之间的一条光滑渐近曲线4.1当传输距离r无穷小时有限长度线声源等幅曲面接近柱面波，因为当r无穷小时我们可把有限长度线声源当作无线长度线声源来看,由式⑷可得Q（1/∞）=-3dB .4.2当传输距离r>0时线声源就呈现橄榄球特征，因为无限长度线声源保持柱面型波波阵面辐射的根本原因是1.它没有能量的重心;2.它是靠无限个相邻点声源的支持贡献来维持柱面波波阵面的.而有限长度线声源它有能量重心;它两端的波阵面由于缺乏相邻点声源的支持贡献而比中间低,且一定有距离r平行于有限长度线声源对应点声源S i位置N个受声点位置E i的声强度有P1< P1< P n/2; P n< P n-1< P n/2.平行于线声源的波阵面不是直线(有人称之为平面波)而是中间大两头小,所以它的波型是橄榄球面波.所以当辐射距离r>0时,它的声压级差Q（r）<-3dB;随着距离r的增大等幅曲面由瘦到胖逐渐向球型过渡.4.3当传输距离r为∞时等幅曲面更趋近球面因为除无限长度线声源和无限面积面声源外,任意单体声源辐射到一定距离后都可以把它看成一个点声源的球面辐射.由式⑵可得声压级差Q（∞）=-6dB .从平面上投影上看随着r增大波阵面是从直线向圆弧逐步过渡的一个过程,很象一个竖着切开的球形洋葱头剖面。

图11 所以有限长度线声源的辐射衰减特性曲线Q（r）是一条介于-3dB与-6dB之间的一条光滑渐近曲线，不存在近场到远场的临界转折点:图12 –3dB > Q(r)> –6dB5.结束语5.1有限长度线声源(线阵列扬声器系统)的初始垂直束射角度不能代表距离r逐渐增大后的束射角度当有限长度线声源(线阵列扬声器)的初始垂直束射角度大于零时已经说明它的波阵面不是柱面而是橄榄球面。

合集下载

舱壁与压载对流场中有限长圆柱壳声辐射影响

舱壁与压载对流场中有限长圆柱壳声辐射影响

舱壁与压载对流场中有限长圆柱壳声辐射影响有限长圆柱壳是船舶、飞机等重要工程结构中的常见部件，其声辐射问题尤为突出。

圆柱壳在航行或飞行过程中，受到来自水或空气的流体动力作用，产生的压力波将引起圆柱壳表面震动，进而导致沿壳体传播的声振动和声辐射。

而壳体的舱壁和压载状态则会直接影响其声辐射特性。

首先，舱壁对有限长圆柱壳的声辐射影响主要体现在其对结构振动模态的限制上。

舱壁对圆柱壳的支撑和限制作用可以减小其振动幅值，降低其发出的噪声。

此外，舱壁的材料和厚度也会对其对声辐射的影响产生一定影响。

例如，在一定频率范围内，适当增加舱壁厚度可以提高其附加阻尼，抑制结构振动，从而降低声辐射。

其次，压载状态也是影响有限长圆柱壳声辐射的重要因素。

圆柱壳所受的流体动力作用和结构的刚度是影响其压力响应和振动响应的主要因素。

当流体动力影响较小时，圆柱壳表现为自由振动状态，其振动响应和声辐射特性主要受到自然频率和阻尼等参数的影响。

当流体动力影响增大时，圆柱壳的振动响应和声辐射特性会发生显著变化。

此时，压载状态对圆柱壳的振动模态、波浪压力响应和声辐射特性等方面都会产生直接影响。

最后，圆柱壳的表面粗糙度和形状也会对其声辐射特性产生影响。

在水中运行的船舶圆柱壳表面形态的复杂性和不规则性，会导致其产生较强的流体动力作用，从而增加结构振动和声辐射。

因此，船舶利用防污涂层等方法提高圆柱壳表面平滑度，可以有效减少其流体动力响应和噪声产生。

总之，舱壁和压载状态是影响有限长圆柱壳声辐射的主要因素之一。

对于船舶、飞机等重要工程结构来说，如何有效控制声辐射问题对于保证航行安全和提高乘客舒适度至关重要。

因此，深入研究舱壁和压载对有限长圆柱壳声辐射的影响规律，开展有效的声学控制和优化设计是提高结构阻尼和降低噪声水平的重要途径。

相关数据分析是对有限长圆柱壳声辐射影响的研究不可或缺的内容，下面我们将列举一些可能涉及的数据和进行分析。

1. 圆柱壳的外径和长度圆柱壳的大小直接影响其固有频率和压力响应特性。

噪声第二章-声学基本知识2

噪声第二章-声学基本知识2


声屏障的附加衰减与声源及接收点相对 屏障的位置、声屏障的高度及结构以及声 波的频率密切相关。
2.6.3 气象条件对声传播的影响
雨、雪、露等对声波的散射会引起声能的 衰减。但这种因素引起的衰减量很小，大 约每1000m衰减不到0.5dB，因此可以忽 略不计。
风和温度梯度对声波传播的影响很大。
,
2.5.3 半自由空间中的线声源
线声源：一长列火车、公路上的长车队、辐射噪 声的长输气管道等；
单位长度声功率为ω，dx段声功率dW= ωdx, 对距离r1的p点的声压平方贡献
声源无限长或p点靠近线源中部，且r0远小于线源 长度时：
当P点距声源的距离r0远大于声源的长度Ɩ时，则 Δθ=θ2-θ1很小，由图可知，r1 Δθ= Ɩ， r1= r0 因此：
空气吸收 衰减 0.27 6.7 2.1 52.3
f Lp2
120m 500 84.1
4000 77.1
800m 500 65.9
4000 15.9
2.6.2 地面吸收衰减
当地面是非刚性表面时：
地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距 离（30-50m）其衰减可以忽略，而在50m以上 应予以考虑。
2.Байду номын сангаас.1 点声源在自由空间中的辐射
自由声场
理论上说是没有边界的、媒质均匀而各向同 性的声场。在自由声场中，声波在任何方向 传播都没有反射，如室外开阔的旷野、消声 室等均属自由声场。
在自由声场中，以声源为中心的球面对称地向各个方 向辐射声能。在离源点r处，球面面积S=4πr2，声强I 和声功率W之间存在简单关系： W W I S 4r 2 声强级为
声压级约等于声功率级，因此r处的声压级近似为：
声学基础3_辐射

声学基础3_辐射

1第3章声波的辐射声学基础3.1 前言3.2 脉动球源的辐射3.3 声偶极辐射3.4 同相小球源辐射3.5 点源3.6 无限大障板上圆面活塞的辐射3.7 赫姆霍茨积分公式及其应用3.8 一般球形声源的辐射2第3章声波的辐射声波辐射的研究内容声源辐射声场的空间分布：即声源振动时，辐射声场的各种规律，例如声场中声压与声源的关系，声压随距离的变化以及声源的指向性等；声源与媒质的作用与反作用：即声源向媒质辐射声能量，媒质对声源具有反作用。

这种反作用是声源激发起来的声场反过来对声源振动状态的影响，即由于辐射声波而附加于声源的辐射阻抗。

声源的简化实际声源的形状多种多样，如人的嘴，扬声器纸盆，发动机等各种机器，要想从数学上严格求解这些形状不规则的具体声源产生的声场，将十分困难；因此，常常需要对声源进行简化，如在一定条件下把它们近似看作平面，球面，柱面等理想化的声源，在避免繁琐的数学同时，所得结果又可揭示出声辐射的基本规律。

§3.1 前言3球面声场取球坐标系，坐标原点取在球心，各向均匀球面波的波动方程：222221ln t pc r p r S r p ∂∂=∂∂∂∂+∂∂⇒=24r S π2222222222)(1)(12t rp c r rp t p c r p r r p ∂∂=∂∂⇒∂∂=∂∂+∂∂()()kr t j kr t j Be Ae pr Y +−+==ωω()()kr t j kr t j e rB e r A p +−+=ωω第3章声波的辐射§3.2 脉动球源的辐射设半径r 0的球体表面做均匀的微小涨缩振动，即球体半径在r 0附近以微量dr 作简谐变化，从而在周围媒质中辐射声波。

球面的振动过程具有各向均匀的脉动性质，因此产生的声波波阵面是球面，辐射的是均匀球面波。

波阵面形状不变，但面积变化的声场的特殊形状波动方程:4球面声场u a 为振速幅值，指数中的-ka 是为了运算方便引入的初相位，不影响讨论的一般性。

声辐射的基本特征

声辐射的基本特征

基础知识：声辐射的基本特征声的本质是机械振动，声源是辐射声音的振动体，而传递这种振动的固体液体或气体就是声传播的介质。

研究声波的辐射一方面要研究声源振动时声场的规律，另一方面则要研究声场对声源的反作用。

波动方程声场的特征可以用声压、质点振动速度、以及密度的变化量来表示。

由弹性体中机械振动的特征可知，不同位置在不同时间的振动状态都在变化，并且这种时空之间还存在联系，其数学表达式就是声波方程。

为了方便的求解声波的波动方程，先要对声波已经传播介质做一些理想化的简化处理：传播介质无粘滞性，即没有传输损耗；宏观上声传播介质是静止的，且各向均匀；声传播是绝热的；介质中传播的是小振幅声波。

各声学变量只取一级近似。

最终根据运动方程、质量守恒方程、物态方程推导出理想流体介质中小幅声压波动方程为：其中，2为拉普拉斯算符，在直角坐标中它的形式为：求沙口质点速度可以通过下式求得：2|平面波辐射声场平面声场只需要考虑一维的情形用分离变量法可以解得此方程的通解为：江工。

=乂, 一阳+82+•前面池」3■的这一项代表沿着正方向传播的波，第二项代表反射声波。

因为讨论限定在无限媒质中，因此传播途径上没有反射波，因此通解就简化为：2型电，通解取复数形式是为了数学运算的方便，它可以很方便的将前进波与反射波分离开来。

再运用振速与声压的关系求得矢量场解为：其中，3=2n/人为波数，4为波长。

根据声压与声速的表达式可以求得--Wo vP0C0称为空气的特性阻抗，在声学中具有重要地位，它比P0或者。

0单独的作用要大。

由声压跟振速的表达式可以推得理想媒质中平面波的几个重要特征：声传播过程中，相位面是一个平面，所以称之为平面波。

平面波的传播速度是C0，相位面之间互相平行，且垂直于传播方向；声传播过程中波阵面不会扩大，因此能量不会因距离的增加而分散;质点振速幅值与声压幅值恒定不变声压与振速同相位;平面波与媒质阻抗特性处处匹配;3|球面波辐射声场实际问题中会遇到各种各样形状的辐射声源，要想把每一种具体形状声源的辐射声场求出来在数学上是非常困难的，也是不切实际。