聲學基礎理論知識：封閉空間中的聲場特性

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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稱封閉空間中的聲場。例如機器在車間或實驗室中發出噪聲,當門、窗或其他開口的面積遠小于整個邊界的面積,則室內的聲場就可以近似地看作是封閉空間中的聲場。

聲源在封閉空間中輻射聲波時,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,要經過多次反射后,聲波的強度才減弱到可以被忽略的程度。

直達聲和混響聲

聲源在封閉空間中連續穩定地輻射聲波時,空間各點的聲能是來自各方向的聲波疊加的結果。其中未經反射、直接傳播到某點的聲波稱為直達聲;一次和多次反射聲的疊加稱為混響聲。

直達聲的強度與離聲源中心的距離平方成反比。如果頻率較高(波長與空間尺寸相比很小),混響聲的強度可近似地認為各處相等。混響聲能的大小,除與聲源輻射功率有關外,還與空間大小和諸界面的平均吸聲系數有關。

室內聲壓穩態值

聲源以聲功率(W)在封閉空間中穩定地輻射聲波時,一方面聲波在媒質中傳播時,聲能不斷衰減,聲波遇到界面時又有一部分能量被吸收;另一方面聲源又不斷地補充聲能。聲源開始發聲后經過很短一段時間,聲能就達到動態平衡狀態,這時空間內各點聲壓達到一穩態值。

把室內的直達聲和混響聲都計算在內時,在離聲源中心距離為r的某點,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,即該點的聲強與聲功率相等的無指向性聲源在相同距離上的聲強之比;R=Sā/(1-ā)稱為房間常數;S是室內總表面積;ā是室內諸表面的平均吸聲系數。

擴散場距離

直達聲壓按距離反比規律而衰減,混響聲可近似認為在空間內各點都相等,因此在離聲源的某一距離處,其直達聲有效聲壓與混響聲有效聲壓正好相等,這個距離稱為擴散場距離rc。

封閉空間體積或界面的吸聲系數越大,擴散場距離就越大。當聲源在各方向輻射的指向性因數不同時,不同方向上的擴散場距離也不同。如果聲源輻射無指向性,這時各方向的擴散場距離都相同,稱為混響半徑。

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

簡正方式

聲波在互相平行的一對剛性界面之間傳播時,如果距離為半波長的整數倍,就會產生共振。相應的頻率稱簡正頻率(或固有頻率、共振頻率),相應的駐波傳播方式稱簡正振動方式,或簡正方式。三維空間有一系列的各種類型的簡正方式。關于簡正頻率的計算式見室內聲學。

擴散聲場

當封閉空間內被激發起足夠多的簡正方式時,由于不同方式有各自特定的傳播方向,因而使達到某點的聲波包括了各種可能的入射方向。在這種情況下,除了在擴散場距離內的自由聲場區和離界面1/4波長范圍內的固定干涉區以外,空間內各點的聲能密度相等;從各個方向到達某點的聲強相等;到達某點的各波束之間的相位是無規的。具備這樣特性的聲場稱為擴散聲場。

理想的擴散聲場是難以獲得的。特別在低頻段,被激發起的簡正方式較少,到達某點的聲波入射方向不夠多,各點聲能密度的起伏也比較大。此外,當界面有大塊面積的表面聲阻抗率相差很大的材料時,也會使空間內的聲場不均勻。這種情況稱為聲場不擴散或擴散不良。為了獲得較好的聲場擴散條件,特別對于混響室或專門測試噪聲的實驗室,在設計時應考慮采取以下措施: