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工程声学/户外声传播

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第 1 部分:集中声学系统1.11.21.31.41.51.61.71.81.91.101.11

第 2 部分:一维波动2.12.22.3

第 3 部分:应用3.13.23.33.43.53.63.73.83.93.103.113.123.133.143.153.163.173.183.193.203.213.223.233.24

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户外声传播或大气声传播在环境声学中特别重要,环境声学关注户外环境中声音和振动的控制。户外声传播受扩散、吸收、地面配置、地形剖面、障碍物、压力、风、湍流、温度、湿度等的影响。本页涵盖的主题包括空气中的声速、分贝标度、扩散损失、大气吸收衰减、地面上的衰减、折射、衍射和声音降低的示例。

空气中的声速[1]

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空气中的声速随压力、密度、温度、湿度、风速等因素而变化。流体中声速 的表达式用流体的热力学性质表示。方程式由下式给出

其中 是流体密度, 是流体压力。

这个方程可以简化为理想气体,得到

其中 是比热容比

在 0 °C 和 1 个大气压下,空气的声速为

在 20 °C 和 1 个大气压下,空气的声速为

用开尔文温度 表示声速的等效表达式为

其中 是气体比热容。

分贝量级[2]

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在声学中,分贝 dB 或 dB SPL(声压级)用于量化声音压力级和强度相对于参考值的对数比例。

声音强度的强度级 由以下定义:

其中 是参考强度。

由于行进波携带的强度与压力振幅的平方成正比,因此强度级可以表示为声压级

其中 是测量的声波有效压力振幅,而 是参考有效压力振幅。有效声压是给定时间间隔内瞬时声压的均方根。 也称为声级

对于空气,压力参考值取为

,

这是人耳能听到的最低声压,也称为听觉阈值。

图 1 - 分贝和反比曲线图

声音衰减[3]

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室外声学研究需要定义声源和接收器,以便解释传播过程中涉及的不同现象。声音在空气中传播的衰减可以用其总衰减量来描述,以分贝 (dB) 表示声源和接收器之间的距离。总衰减量 可以表示为:

其中 是声源附近距离 处的均方根 (rms) 声压 的声压级,而 是在距离声源 r 处测得的具有均方根声压 的对应声压级。

总衰减定义为几何扩散衰减、大气吸收衰减,以及由其他所有效应引起的额外衰减(即)的总和:

额外衰减 可以包括均匀大气中地面产生的衰减、非均匀大气中的折射、障碍物或阻挡物造成的衍射和反射产生的衰减,以及湍流造成的散射或衍射效应。衰减值通常为正数。

扩散损失[4]

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两点之间的几何扩展损耗,以 dB 为单位,在距离源 的两点之间可以表示为

其中 是由问题几何形状给出的常数。 对应于平面波传播(均匀管道), 对应于从线源的圆柱形传播,并且 对应于从点源的球面波传播。需要注意的是,对于从点源的球面波传播,从源到接收点的距离加倍()对应于 的损耗。

大气吸收衰减[5] [6] [7]

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声音通过大气的吸收是由于剪切粘度、热传导或热耗散以及氧气、氮气和水蒸气振动、旋转和平移能量引起的分子弛豫。衰减,以 dB 为单位,由于大气吸收,可以表示为

其中,(以米为单位)是行进波的路径长度, 是行进距离为 后声压, 是在 处的初始声压, 是每米尼泊的衰减系数, 是每米 dB 的衰减系数。

在静止大气中,传播损失取决于空气的压力、相对湿度和频率。纯音频率的衰减系数 可以表示为

其中 以及 ,其中 是以 Hz 为单位的声频, 是大气压, 是参考大气压 (1 atm), 是以 K 为单位的大气温度, 是参考温度 (293.15 K), 是分子氧的弛豫频率, 是分子氮的弛豫频率。来自实验测量的氧气和氮气的比例弛豫频率公式如下:

以及

其中 是以百分比表示的水蒸气摩尔浓度 (绝对湿度)。 是根据相对湿度 计算出来的,如下:

其中,饱和蒸汽压 由下式给出

其中 .

这些公式在压力低于2个大气压、温度低于330开尔文(57摄氏度或134华氏度)以及海拔高度不超过3千米的情况下有效。从图和公式中可以看出,对于更高的频率和/或更高的压力,吸收系数更高。

纯音频率的衰减系数 如图2所示,为20摄氏度的空气在每大气压下,作为频率和相对湿度每大气压下的函数。用于生成图表的matlab脚本在附录A中显示。

图2 - 大气吸收每大气压下的衰减系数作为频率和相对湿度的函数,对于20摄氏度的空气。[8] [9]

对于不同的温度、相对湿度和纯音频率,也可以从表1中获得衰减值,该表对应于1个大气压。

表1 - 大气衰减系数 (dB/km) 在1个大气压下选定的频率。[10]

温度 相对湿度 (%) 62.5 赫兹 125 赫兹 250 赫兹 500 赫兹 1000 赫兹 2000 赫兹 4000 赫兹 8000 赫兹
30 摄氏度 10 0.362 0.958 1.82 3.40 8.67 28.5 96.0 260
20 0.212 0.725 1.87 3.41 6.00 14.5 47.1 165
30 0.147 0.543 1.68 3.67 6.15 11.8 32.7 113
50 0.091 0.351 1.25 3.57 7.03 11.7 24.5 73.1
70 0.065 0.256 0.963 3.14 7.41 12.7 23.1 59.3
90 0.051 0.202 0.775 2.71 7.32 13.8 23.5 53.5
20 摄氏度 10 0.370 0.775 1.58 4.25 14.1 45.3 109 175
20 0.260 0.712 1.39 2.60 6.53 21.5 74.1 215
30 0.192 0.615 1.42 2.52 5.01 14.1 48.5 166
50 0.123 0.445 1.32 2.73 4.66 9.86 29.4 104
70 0.090 0.339 1.13 2.80 4.98 9.02 22.9 76.6
90 0.071 0.272 0.966 2.71 5.30 9.06 20.2 62.6
10 摄氏度 10 0.342 0.788 2.29 7.52 21.6 42.3 57.3 69.4
20 0.271 0.579 1.20 3.27 11.0 36.2 91.5 154
30 0.225 0.551 1.05 2.28 6.77 23.5 76.6 187
50 0.160 0.486 1.05 1.90 4.26 13.2 46.7 155
70 0.122 0.411 1.04 1.93 3.66 9.66 32.8 117
90 0.097 0.348 0.996 2.00 3.54 8.14 25.7 92.4
0 摄氏度 10 0.424 1.30 4.00 9.25 14.0 16.6 19.0 26.4
20 0.256 0.614 1.85 6.16 17.7 34.6 47.0 58.1
30 0.219 0.469 1.17 3.73 12.7 36.0 69.0 95.2
50 0.181 0.411 0.821 2.08 6.83 23.8 71.0 147
70 0.151 0.390 0.763 1.61 4.64 16.1 55.5 153
90 0.127 0.367 0.760 1.45 3.66 12.1 43.2 138


[存疑 ]

宽带噪声的恒定百分比带的有效大气衰减通常小于纯音声音的衰减,这是由于有限的带宽和滤波器裙边的斜率。[11] 在雾和降水、[12] 空气中的尘埃、[13] 以及由于潮湿空气分子的电磁辐射导致的低于10赫兹的频率,也会发生一些大气衰减。[14]

从固体表面反射[15]

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当波前接触到固体表面时,它会从该表面反射回来。声波的反射角等于波的入射角。反射波可以与入射波发生干涉,从而导致相长干涉和相消干涉。由于入射波和反射波沿相反方向传播,这会导致驻波模式和共振。在固体表面附近,声压强度会增强,因为反射波的压力会叠加到入射波的压力上。

图3 - 反射声波的入射角

地面上的衰减[16]

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地面附近的声音传播受地面对声波的吸收和反射的影响。声音可以从源头发出,沿着直线路径传播到接收器,也可以被地面反射和/或吸收。声波如何与地面相互作用受地面阻抗的影响,地面阻抗将压力和速度联系起来。

声波的折射通常定义为声波离开一种流体并进入另一种具有不同声速的流体时的偏离。对于室外声传播,声波的折射会导致声波由于声速的变化而弯曲。声速的这种变化是由强风速和温度梯度引起的。向上折射会降低地面附近的声音水平,而向下折射则有助于声音越过噪声屏障等障碍物传播。如果地球上方的空气比地表的空气更温暖,就会发生向下折射。地球上方的温暖空气将具有更快的声速,导致声波弯曲回到地球。对于冷地面上的热空气,也会发生相同的现象。

图4 - 由温度梯度引起的外界声音折射

衍射是声音能够传播并扩散到开口之外和障碍物周围的机制。行进的声波倾向于绕过障碍物弯曲。衍射与声源产生的声音波长有关。对于较低频率,衍射更强。高频以更定向的方式传播。这就是为什么低频可以从障碍物后面以及阴影区听到得更清楚的原因。如果一个波前朝一个小开口传播,衍射会导致波以球形方式散布到开口之外。当一个波前穿过一个小障碍物时,与波长相比,衍射会导致声波弯曲,波前将在障碍物之后重建。这意味着人们无法从远离障碍物和声源的声音测量中识别出该小障碍物的存在。

图 5 - 声音在障碍物后面的不同传播路径
图 6 - 室外声音在小开口后面的衍射

为了减少户外环境中的噪音,可以使用几种机制。图 7 展示了用于降低公路噪音的不同隔音屏。另一种减少噪音的方法是使用植被。图 8 展示了垂直植被墙的照片。

图 7 - 不同类型的隔音屏
图 8 - 垂直植被墙

有用网站

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参考文献和进一步阅读

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参考文献按出版日期顺序排列。

一般

  1. Piercy, Embleton, Sutherland, 大气中噪声传播综述,J. Acoust. Soc. Am. 第 61 卷,第 6 期,第 1403-1418 页,1977 年 6 月
  2. Delany, ^ 大气中声音传播 - 历史回顾,Acustica. 第 38 卷,第 201-223 页,1977 年 10 月
  3. Piercy, Embleton, 大气中声音传播综述 (A),J. Acoust. Soc. Am. 第 69 卷,第 S1 期,第 S99-S99 页,1981 年 5 月
  4. Crocker, ^ 声学手册,John Wiley & Sons,1998 年 2 月
  5. Kinsler, Frey, Coppens, Sanders, ^ 声学基础,第 4 版,John Wiley & Sons,纽约,2000 年

声速

  1. Wong, 标准空气中的声速,J. Acoust. Soc. Am. 第 79 卷,第 5 期,第 1359-1366 页,1986 年 5 月

声音在大气中的吸收

  1. Calvert, Coffman, Querfeld, ^ 水蒸气在大气中对声音的辐射吸收,J. Acoust. Soc. Am. 第 39 卷,第 3 期,第 532-536 页,1966 年 3 月
  2. Henley 和 Hoidale, ^ 大气尘埃对声能的衰减和色散,J. Acoust. Soc. Am. 第 54 卷,第 2 期,第 437-445 页,1973 年 8 月
  3. Sutherland, Piercy, Bass, Evans, 计算声音在大气中吸收的方法,J. Acoust. Soc. Am. 第 56 卷,第 S1 期,第 S1-S1 页,1974 年 11 月
  4. Bass, Sutherland, Piercy, Evans, 声音在大气中的吸收,物理声学:原理和方法。第 17 卷 (A85-28596 12-71)。奥兰多,佛罗里达州,学术出版社,第 145-232 页,1984 年
  5. Bass, Sutherland, Zuckerwar, ^ 声音在大气中的吸收:更新,J. Acoust. Soc. Am. 第 88 卷,第 4 期,第 2019-2021 页,1990 年 10 月
  6. Bass, Sutherland, Zuckerwar, Blackstock, Hester, ^ 声音在大气中的吸收:进一步发展,J. Acoust. Soc. Am. 第 97 卷,第 1 期,第 680-683 页,1995 年 1 月

地面上的衰减

  1. Embleton, Piercy 和 Olson, 有限阻抗地面上的室外声音传播,J. Acoust. Soc. Am. 第 59 卷,第 2 期,第 267-277 页,1976 年 2 月
  2. Bolen 和 Bass, 地面覆盖物对声音穿过大气的传播的影响,J. Acoust. Soc. Am. 第 69 卷,第 4 期,第 950-954 页,1981 年 4 月
  3. Embleton, Piercy 和 Daigle, 通过声学测量确定的地面表面的有效流动阻力,J. Acoust. Soc. Am. 第 74 卷,第 4 期,第 1239-1244 页,1983 年 10 月
  4. Rasmussen, 地形剖面对户外声音传播的影响,声音与振动杂志,第 98 卷,第 1 期,第 35-44 页,1985 年 1 月
  5. Attenborougha, 地面对连续宽带声源室外声音传播的影响综述,应用声学,第 24 卷,第 4 期,第 289-319 页,1988 年
  6. Hess, Attenborough 和 Heap, 通过短程传播测量对地面进行表征,J. Acoust. Soc. Am. 第 87 卷,第 5 期,第 1975-1986 页,1990 年 5 月
  7. Attenborough, Taherzadeh, Bass, Di 等等 室外声音传播模型的基准案例,J. Acoust. Soc. Am. 第 97 卷,第 1 期,第 173-191 页,1995 年 1 月

植被

  1. Aylor, 植被和地面降噪,J. Acoust. Soc. Am. 第 51 卷,第 1B 期,第 197-205 页,1972 年 1 月
  2. Bullen, Fricke, 声音穿过植被的传播,声音与振动杂志,第 80 卷,第 1 期,1982 年 1 月 8 日,第 11-23 页,1981 年 5 月
  3. Price, Attenborough, Heap, 声音穿过树木的衰减:测量和模型,J. Acoust. Soc. Am. 第 84 卷,第 5 期,第 1836-1844 页,1988 年 11 月

屏障和隔音板

  1. Maekawa, 隔音板降噪,应用声学,第 1 卷,第 3 期,第 157-173 页,1968 年 7 月
  2. Jonasson, 地面上屏障降噪,声音与振动杂志,第 22 卷,第 1 期,第 113-126 页,1972 年 5 月
  3. Kurze, 屏障降噪,J. Acoust. Soc. Am. 第 55 卷,第 3 期,第 504-518 页,1974 年 3 月
  4. Isei, Embleton, Piercy, 有限阻抗地面上屏障降噪,J. Acoust. Soc. Am. 第 67 卷,第 1 期,第 46-58 页,1980 年 1 月
  5. Li, Law, Kwok, 城市环境中的吸声平行隔音屏,声音与振动杂志 第 315 卷,第 1-2 期,第 239-257 页,2008 年 8 月

吸声材料

  1. Delany 和 Bazley, 纤维吸声材料的声学特性,应用声学,第 3 卷,第 2 期,1970 年 4 月,第 105-116 页
  2. Attenborough, 多孔材料的声学特性, 物理学报 第 82 卷,第 3 期,第 179-227 页,1982 年 2 月
  3. Lauriksa, Copsa, Verhaegena, 弹性多孔材料的声学特性, 声学与振动杂志 第 131 卷,第 1 期,第 143-156 页,1989 年 5 月 22 日

附录 A - Matlab 程序用于绘制衰减系数

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clear all;
clc ;
close all;

T_0 = 293.15;
T_01 = 273.16 ;
T = 20 + 273.15; 
p_s0 = 1;
F = logspace(1,6);
ler=length(F);
hrar=[0 10 20 40 60 80 100];
a_ps_ar=zeros(7,ler);
for k=1:7
    hr=hrar(k);
    psat = p_s0*10^(-6.8346*(T_01/T)^1.261 + 4.6151);
    h = p_s0*(hr)*(psat/p_s0);
    F_rO = 1/p_s0*(24 + 4.04*10^4*h*(0.02+h)/(0.391+h));
    F_rN = 1/p_s0*(T_0/T)^(1/2)*( 9 + 280*h*exp(-4.17*((T_0/T)^(1/3)-1)) );
    alpha_ps= 100*F.^2./p_s0.*( 1.84*10^(-11)*(T/T_0)^(1/2)...
    + (T/T_0)^(-5/2)*(0.01275*exp(-2239.1/T)./(F_rO + F.^2/F_rO)...
    + 0.1068*exp(-3352/T)./(F_rN + F.^2/F_rN) ) );
    a_ps_ar(k,:) = alpha_ps*20/log(10);

end
psvg = figure (1);
loglog(F,a_ps_ar(1,:), F,a_ps_ar(2,:), F,a_ps_ar(3,:), F,a_ps_ar(4,:),...
    F,a_ps_ar(5,:), F,a_ps_ar(6,:), F,a_ps_ar(7,:),'LineWidth',1);
xlabel({'f / p_s [Hz/atm]';'Frequency/pressure'},'FontSize',10,...
    'FontWeight','normal','FontName','Times New Roman');
ylabel('Absorption coefficient/pressure a / p_s [dB/100 m atm]',...
    'FontSize',10,'FontWeight','normal','FontName','Times New Roman');
title({'Sound absorption coefficient per atmosphere for air at 20°C ';...
    'according to relative humidity per atmosphere'},...
    'FontSize',10,'FontWeight','bold','FontName','Times New Roman')
hleg = legend('   0','   10',...
    '   20','   40','   60',...
    '   80','   100');
v = get(hleg,'title');
set(v,'string',{'h_r / p_s [%/atm]'},'FontName','Times New Roman','FontSize',10,...
    'BackgroundColor', 'white','EdgeColor','white','HorizontalAlignment','center');
set(hleg,'Location','SouthEast','EdgeColor','black')
axis([1e1 1e6 1e-3 1e4]);
grid on;
set(gca,'gridlinestyle','-');
set(gca,'MinorGridLineStyle','-')
%plot2svg('Absorption_coefficient.svg',psvg);

附录 B - Python 程序用于绘制衰减系数

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#!/usr/bin/python3

import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

## 1 atm in Pa
ps0 = 1.01325e5

def absorption(f, t=20, rh=60, ps=ps0):
    """ In dB/m
    
        f: frequency in Hz
        t: temperature in °C
        rh: relative humidity in %
        ps: atmospheric pressure in Pa

        From https://wikibooks.cn/wiki/Engineering_Acoustics/Outdoor_Sound_Propagation
        See __main__ for actual curves.
    """
    T = t + 273.15
    T0 = 293.15
    T01 = 273.16

    Csat = -6.8346 * math.pow(T01 / T, 1.261) + 4.6151
    rhosat = math.pow(10, Csat)
    H = rhosat * rh * ps0 / ps

    frn = (ps / ps0) * math.pow(T0 / T, 0.5) * (
            9 + 280 * H * math.exp(-4.17 * (math.pow(T0 / T, 1/3.) - 1)))

    fro = (ps / ps0) * (24.0 + 4.04e4 * H * (0.02 + H) / (0.391 + H))

    alpha = f * f * (
        1.84e-11 / ( math.pow(T0 / T, 0.5) * ps / ps0 )
        + math.pow(T / T0, -2.5)
        * (
            0.10680 * math.exp(-3352 / T) * frn / (f * f + frn * frn)
            + 0.01278 * math.exp(-2239.1 / T) * fro / (f * f + fro * fro)
            )
        )

    return 20 * alpha / math.log(10)

def plot():
    ## Figure in https://wikibooks.cn/wiki/Engineering_Acoustics/Outdoor_Sound_Propagation
    ax = plt.subplot(111)
    fs = np.logspace(1, 6, num=100, endpoint=True, base=10)
    ys = np.zeros(fs.shape)
    rh = (0, 10, 20, 40, 60, 80, 100)
    for r in rh:
        for i in np.arange(fs.shape[0]):
            ys[i] = absorption(fs[i], rh=r)
        ax.loglog(fs, 100 * ys, label='rh:%d'%r)
    ax.grid(True)
    ax.set_xlabel('Frequency/pressure [Hz/atm]')
    ax.set_ylabel('Absorption coefficient/pressure [dB/100m.atm]')
    ax.legend(loc='lower right')
    plt.show()

def table():
    p = ps0
    for t in [30, 20, 10, 0]:
        for rh in [10, 20, 30, 50, 70, 90]:
            print("T=%2d RH=%2d " % (t, rh), end='')
            for f in [62.5, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000]:
                a = absorption(f, t, rh, p)
                print("%7.3f " % (a*1000), end='')
            print()


if __name__ == '__main__':
    table()
    plot()

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