声学基础：声波的特性介绍

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1、声压
当声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，压缩时压强增加，膨胀时压强减小。这变化部分的压强与静压强的差值称为声压。声压变化的平均值为零，因此平均声压是一个无用的量。通常用瞬时声压、峰值声压或有效声压（简称声压）。对于正弦形声波，峰值声压是声压的幅值，它等于有效声压的1.414倍。

2、质点振动位移
声波的质点振动位移是媒质中的质点，因声波通过而引起的相对于平衡位置的位移。振动质点的最大位移称为振动的振幅。空气中声波振动的幅度非常小，大于10⁻⁷mm~1mm之间。低限相应于听阈，高限相应于痛阈。

3、质点振动速度
声波的质点振动速度是在一定时刻，媒质中某一无穷小部分，由于声波存在而引起的相对于整个媒质的速度。瞬时质点速度、峰值质点速度和有效质点速度的意义和声压中所用有关名词相似。

4、声阻抗
媒质在一定表面上的声阻抗，是该表面上的平均有效声压p 对通过该表面上的有效体积速度u 的比值：

声阻抗的实数部分为声阻，虚数部分为声抗。而声阻抗也可以用力阻抗表示，这时它等于力阻抗除以有关面积的平方。声阻抗率是媒质中某一点的有效声压对该点的有效质点速度v 的比值：

在一自由平面声波中，某点的有效声压p 对该点的有效质点速度v 的比值称为特性阻抗。它等于媒质密度ρ0 和媒质中声速c 的乘积。

在温度为20℃和标准大气压时，空气的特性阻抗大约为400Pa·s/m。


5、声强
在某点按指定方向测定的声强，是该点上在单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的声能平均值。在自由平面声波或球面波的情况，声波在传播方向上的声强为

式中，p 为有效声压，ρ0 为空气密度，c 为空气你中的声速。

6、声能密度
声能密度是媒质中无穷小部分的声能与这部分媒质体积的比值。声能密度的瞬时值、最大值、峰值分别称为瞬时声能密度、最大声能密度和峰值声能密度。声场中某点总的平均声能密度为

式中，p 为有效声压，ρ0 为媒质密度，c 为声速。平均声能密度必须说明是某一时刻的空间平均，还是某一点的时间平均，以免混淆。

7、声源的声功率
声功率是单位时间内垂直通过指定面积的声能。声源的声功率通常指，在单位时间内声源向空间辐射的总能量。

8、声谱
声音的频谱（简称声谱）是把各分量的幅值按照频率排列的图形。根据声音的不同特性，声谱可能是线状谱、连续谱或两者的混合。线状谱是频率离散分量所组成的频谱，也称离散谱；连续谱则是由频率在一定范围内，连续变化的分量所组成的。

图1(a)给出正弦信号的频谱，它在频谱图上是频率f 处幅值为A 的直线；图1(b)给出直流分量为零的复杂周期波和它的频谱，是一种线谱。矩形波的波形和频谱如图1(c)所示。典型的随机信号的波形和频谱如图1(d)所示。

图1 声信号及其频谱图

对于具有线状谱的声音，可以测出个别频率的声压或声压级。但是对于具有连续谱的噪声，只能测出某一频带Δf 内的声压或声强。显然Δf 不同，所得声压或声强也不同，即通过滤波器可以得到不同的声谱图。为了描述连续谱中各频率所含能量大小，采用单位频带（即Δf=1Hz）的声压均方值称为声谱密度。在实际测量中，测量在某频带Δf 内的声压均方值p2，并假设在此频带内其频谱是平坦的，则得到谱密度

某一频率的谱密度与基准密度之比，取常用对数再乘以10称为谱（密度）级，单位dB。声压谱级为

式中，Lp 为Δf 频带内的声压级，使用时应该注明频带的中心频率与带宽。Δf0=1Hz。

来源：摘录自《《噪声与振动控制工程手册》》，作者：马大猷。