2.7 聲波的傳播方式

當(dāng)聲源在自由空間內(nèi)傳遞時(shí)，聲源附近的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度不同相的區(qū)域被稱為近場(chǎng)。近場(chǎng)內(nèi)聲波的干涉比較嚴(yán)重，在聲源附近會(huì)出現(xiàn)較多數(shù)量的分布密集的聲壓極大值和極小值。距離為大于2倍聲源的尺寸或大于兩個(gè)波長(zhǎng)的位置被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)。距離聲源越遠(yuǎn)，聲源越可以近似看作為點(diǎn)聲源。為了避免聲波的干擾，噪聲測(cè)試通常在遠(yuǎn)場(chǎng)中進(jìn)行。聲波傳遞的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)示意圖如圖2-11所示。

聲波的傳播主要有三種方式，分別為平面波傳播、球面波傳播和柱面波傳播。

聲波的波陣面垂直于傳播方向的傳播方式被稱為平面波傳播，平面波傳播示意圖如圖2-12所示。平面波在空氣中傳播的過(guò)程中，聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度同相位。在理想的媒介中，聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度不隨距離的變化而變化。在自由空間中，當(dāng)聲源尺寸較相應(yīng)的波長(zhǎng)小很多時(shí)，遠(yuǎn)離聲源處的聲場(chǎng)一般可作為平面波來(lái)處理。

波陣面為同心球面的聲波被稱為球面波，球面波傳播示意圖如圖2-13所示。對(duì)于球面波，離聲源任意距離上的聲強(qiáng)與距離的二次方成反比、聲壓與距離成反比、聲壓和振動(dòng)速度之間的相位差與球面波的半徑對(duì)波長(zhǎng)的比值成反比。任何形狀的聲源，只要尺寸比波長(zhǎng)小得多，都可以看作點(diǎn)聲源輻射球面波處理。

波陣面為同軸圓柱面的聲波被稱為柱面波，柱面波傳播示意圖如圖2-14所示。

在柱面聲波中，聲壓振幅沿軸向均勻分布，沿徑向與軸距的二次方根成反比；其徑向聲強(qiáng)與軸距成反比。通過(guò)的動(dòng)車所輻射的噪聲即為這種柱面波。

聲波在自由空間傳播時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到各種類型的障礙物，障礙物對(duì)聲波傳播特性的影響取決于障礙物的形狀、大小和聲波的波長(zhǎng)。聲波遇到障礙物時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象主要為聲波的反射、折射、散射和衍射現(xiàn)象。

當(dāng)聲波從一個(gè)媒介1傳播到另外一個(gè)媒介2中，入射波將會(huì)在媒介的分界面處形成反射和折射現(xiàn)象。聲波的反射和折射示意圖如圖2-15所示。

依據(jù)上述反射定律和折射定律，聲波的入射和反射滿足式（2-21）的關(guān)系。

式中 c₁——媒介1中的聲速；

c₂——媒介2中的聲速。

由式（2-21）可知，入射波與分界線法線的夾角Φ₁等于反射波與分界線法線的夾角Φ₂；入射角的正弦與折射角的正弦之比等于兩種媒介中聲速之比，因此，入射波與分界線法線的夾角Φ₁大于或小于折射波與分界線法線的夾角Φ₃，當(dāng)媒介1的密度ρ₁大于媒介2的密度ρ₂時(shí)，入射角Φ₁小于折射角Φ₃，當(dāng)媒介1的密度ρ₁小于媒介2的密度ρ₂時(shí)，入射角Φ₁大于折射角Φ₃。

如果障礙物表面比較粗糙或者障礙物的大小與聲波的波長(zhǎng)差不多時(shí)，則當(dāng)聲波入射時(shí)，在障礙物的周圍將會(huì)產(chǎn)生各個(gè)方向的散射現(xiàn)象，此時(shí)的聲場(chǎng)由入射波和散射波疊加而成。聲波的散射示意圖如圖2-16所示。

當(dāng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，散射聲波的功率與波長(zhǎng)的四次方成反比，散射波很弱，而且大部分均勻地分布在對(duì)著入射的方向。散射波能量的一半集中于入射波前進(jìn)的方向，而另一半比較均勻地散布在其他方向，形成心臟形圖線再加上正前方的一個(gè)尖峰。

聲波在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物或者小孔（窄縫），將繞過(guò)障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為聲波的衍射。在圖2-17所示聲波的衍射示意圖中，聲波通過(guò)障礙物（尺寸比聲波的波長(zhǎng)小），即使障礙物很大，低頻聲波也會(huì)繞過(guò)障礙物的邊緣（圖中虛線之內(nèi)的區(qū)域）。聲波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯。

聲波的衍射需要注意聲波的頻率對(duì)衍射的影響，聲波衍射效應(yīng)的低頻衍射效應(yīng)如圖2-18a所示，聲波衍射效應(yīng)的高頻衍射效應(yīng)如圖2-18b所示。

很細(xì)的小孔允許通過(guò)大量的低頻噪聲能量，遮聲屏障可以用來(lái)阻擋大量的高頻噪聲。

理想點(diǎn)聲源在均勻媒介中輻射聲波的聲壓、聲強(qiáng)等量在各個(gè)方向上都是相同的，聲源不具有指向性。一般聲源實(shí)際上可以看作是多個(gè)聲源的疊加，該聲源輻射聲波在各個(gè)方向上可能是不同的，這種聲源被稱為指向性聲源，它們的波陣面不是以聲源為圓心的球面，而是復(fù)雜的曲面。

當(dāng)聲源的尺度比波長(zhǎng)大得多時(shí)，聲音強(qiáng)度分布的情況的一個(gè)重要特性為指向性。聲源尺寸比波長(zhǎng)大得越多，指向性就越強(qiáng)。聲源指向性用圖2-19所示聲波指向的方向圖來(lái)表示。

實(shí)際上，人頭和揚(yáng)聲器與低頻波長(zhǎng)相比是小的，這種情況下可以看作是點(diǎn)聲源，但對(duì)高頻聲就不能視為點(diǎn)聲源，而具有較明顯的指向性。通常用極坐標(biāo)圖來(lái)表示聲源的指向性。在極坐標(biāo)圖中，同一曲線上的各點(diǎn)，具有相等的聲壓級(jí)。聲源的指向性與聲源的尺寸、形狀以及發(fā)聲機(jī)理有關(guān)。聲源的指向性還與聲波的頻率有關(guān)，聲波的頻率越高，聲源的指向性越強(qiáng)。指向性越強(qiáng)，則越集中于聲源輻射軸線附近。因此廳堂形狀的設(shè)計(jì)、揚(yáng)聲器的布置，都要考慮聲源的指向性。

表征聲源指向性的參數(shù)為指向性因數(shù)Q和指向性指數(shù)DI。

指向性因數(shù)Q是指給定方向和距離的聲壓二次方對(duì)同一距離的各方向平均聲壓二次方的比值，即

式中 p_θ——給定方向和距離的聲壓；

p——同一距離的各方向平均聲壓。

指向性指數(shù)DI是指距離聲源某距離的θ方向的聲壓級(jí)與同樣距離上發(fā)出與本聲源相等功率的假想點(diǎn)聲源的聲壓級(jí)的差值，即

式中 L_pθ——距離聲源某距離的θ方向的聲壓級(jí)；

L_p——同樣距離上發(fā)出與本聲源相等功率的假想點(diǎn)聲源的聲壓級(jí)。

聲波的指向性分為全指向式、心型指向式、超心型指向式、槍型指向式和雙指向式，其示意圖如圖2-20所示。