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- 2022-04-29 14:26:15 发布
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'a2第二章声学基础:声波的基本性质、基本声学量2a.
一、声波与声压声波(声音)的产生应具备两个基本要素:物体的振动和传播振动的媒质。物体的振动是产生声波的基本原因,而传声媒质则是传播声波的条件,两者缺一不可。置于弹性媒质中的振动体,由于它的振动,使得振动体周围的媒质质点也随之作受迫振动。媒质质点的振动在媒质中的传播,就称为声波。--重要概念
声波的概念是最基本也是最简单,但非常重要。我们在处理声音问题的时候,可能会用到很多工具,但是不要忘记声音的本质——波的特性。
声压随时间的变化服从简谐规律。瞬时声压的方均根值就是有效声压,等于幅值的0.707倍。一般仪表测试的往往是有效声压值。因此,在实际应用中人们习惯上所指的声压也往往是声压有效值。声压的基本单位为帕(Pa),同时有1帕=1牛顿/米21微巴=1达因/厘米21帕=10微巴说明返节始
二、声波方程声场的特征可以通过媒质中的声压p、质点振动速度v、或媒质的密度等物理量加以描述。建立这些参数随时间与空间之间的变化关系,并以数学形式表示,就叫做声波方程,也称波动方程。
图返节始
所谓管内的声波,指的就是空气质点振动沿管内传播的这一能量传递过程。因此,在离原点O的某一距离处B的空气质点也将在其平衡位置附近作谐振动,只不过振动从O点传到B需要一段时间而已。也就是说,O点和B点所不同的是它们的起振时间不同。这种时间上的差距就是相位的不同,即这两者之间存在着一定相位差。
因为B点是任意选取的,可见,x是任意的。因此,(2-47)式就描述了在平面声波传播过程中,媒质中任何一点、在任一时刻的质点位移。它反映了有声波存在时,媒质质点的位移随时间与空间的变化规律。显然,这就是以质点位移表示的声波方程。
从(2-47)式可以看出,波动方程中含有两个自变量t和x。这两个自变量反映了质点位移与时间t和空间位置x之间的相互关系。x一旦确定,位移则只是时间t的函数。这表示,在某一确定位置上,质点振动位移随时间t以正弦函数的规律变化。在一般情况下,即除x=0外的其它位置,尽管其变化规律与活塞(声源)相同,但存在一定相位差。换句话说,该点的振动方式在滞后x/c之后才与活塞的振动方式完全相同。
同样地,t一旦确定,则位移仅仅是位置x的函数。这表示,对于某一确定的时刻而言,不同质点振动的位移随空间位置也是按正弦的规律变化的。
声波方程
返节始
第三节基本声学量一、声波的能量--声强二、声压级与声强级--分贝三、频率与频程四、声阻抗率和特性阻抗五、频谱与谱级返二章开始
一、声波的能量--声强在声波传播过程中,媒质中的各质点就要发生振动,因此具有动能;与此同时,媒质还要产生形变,因而还具有位能。由此可见,声波的传播总是伴随着能量的传递。尽管声音的大小强弱可以用声压表示,但是,为了在数学处理上的简便,我们仍然从图2-6物理图象出发,运用与能量有关的媒质质点振动的参量进行讨论,然后通过已经得出的关系再与声压联系起来,从而获得以声压表示的相应结果。
声功率
切不可将声源的声功率与声源实际损耗的功率混淆。声功率仅仅是总功率中以声波形式辐射出去的一小部分。例如,一个标称为10瓦的扬声器,以声波形式辐射出去的声功率通常不过0.2瓦左右。
总结置于弹性媒质中的振动体,由于它的振动,使得振动体周围的媒质质点也随之作受迫振动。媒质质点的振动在媒质中的传播,就称为声波。有声波的空间或区域称为声场声压可以定义为由于声扰动而产生的逾量压强(简称逾压)p。压强的变化量。在单位时间内,通过垂直于传播方向上的单位面积的声能量称为声强.声源的声功率是指声源在单位时间内供给媒质的能量,即在单位时间内辐射的能量声压与声强之间的关系I=Pe2/ρ0c=Pm2/2ρ0c声强与声功率的关系:W=I*S质点振速与声压的关系:Vm=Pm/ρ0c
二、声压级与声强级--分贝在实际测量中,如果试图采用声压或声强的绝对值来表征变化范围如此宽广的各种声音,并要想保持一定的测量精确度,显然是难以实现的。2×10-5---20帕为此,我们引入一个“级”的概念,用以衡量声音的相对强弱。因为“级”是一个相对比较的量,因此它应是无量纲的;从理论上讲,作为比较的量,应当是可以任意选择的,关键在于它必须遵循合理、实用与方便的原则。返节始
闻阈、痛阈对于空气,基准声压p0一般取210帕12*10-4微巴作为比较的基准声压p0,是听力正常的人的听觉对1000赫标准音恰可辨认的声压值,即所谓听阈声压(闻阈)。闻阈:人在安静的条件下,对1000Hz的声音能够听到的最低声压为2×10-5帕,这一值成为人的闻阈。痛阈:使人耳产生痛感的高声压为20帕,这一值成为人的痛阈。痛阈:是闻阈的一百万倍,此范围太大,测量和计算很不便,所以人耳的感觉对声压的变化不成线性正比关系。
若取空气的特性阻抗c=400牛顿秒/米,这一基准声强就与基准声压相对应,而声强级也与声压级在数值上大致相等。(在通常情况下,其误差在0.2分贝左右)。
小结声压级声强级声功率级要标注基准量p0=210帕I0=10瓦/米ω0=10瓦返节始
三、频率与频程由于振动频率在声传播过程中一般是不会改变的,因此,声音的频率通常指的就是声源的振动频率。一般地说,声音的频率值愈大,主观感觉的音调就愈高;反之,在听感上就觉得音调低沉。音调也称音高,是声音的三要素之一。返节始
频率通常以f表示。在米千克秒[MKS]单位制中,频率的单位为赫兹(Hz)。千赫(KHz)=10赫(Hz)兆赫(MHz)=10赫(Hz)人的听觉器官可感受的声音频率范围在20赫至20000赫之间。这一人耳可以“听到”的频率范围的声音,通常称为“可听声”;相应地,这一频率范围就称为“声频范围“。频率低于20赫的,统称为“次声”;高于20000赫的,则称为“超声”。
频程仅就可听声的频率范围而言,其间相差就达1000倍。在声学中把如此宽广的频率范围划分成若干较小的段落,每一段落中两个声信号频率间的距离,称为频程。经验证明,两个不同频率进行比较时,具有决定意义的是它们的比值,而不是它们的差值。
倍频程对频率作相对比较的单位:倍频程(Oct.)。并且定义,频程是以相对比较的两个频率的高频与低频之比取以2为底的对数表示的,单位就是倍频程。对于分别为f1与f2(f2>f1)的两个频率而言,它们之间频程的倍频程数可用下式表示:
如果在两个相距1倍频程的频率之间插入两个频率,并使这四个频率之间依次相距1/3倍频程,则这四个频率之间必须满足以下关系:20/3:21/3:22/3:23/3即1:21/3:22/3:2(2-71a)即1:1.260:1.587:2(2-71b)由此可见,按倍频程均匀划分频率区间,相当于按对数关系将频率加以标度。
在实际应用中,最常使用的是倍频程和1/3倍频程及中心频率。(倍频程=1倍频程)
上、下频与中心频率的关系中心频率fc与其上、下限频率f2、f1之间有以下关系:对于1倍频程带宽,n=1;对于1/3倍频程带宽,n=1/3,从(2-73)式还可得出
返节始
四、声阻抗率和媒质特性阻抗在波阵面一定面积上的声压p与通过该面积的体积速度U的复数比,定义为媒质在该面积上的声阻抗,即声阻抗的单位是牛顿秒/米2。在米千克秒[MKS]制中称为声欧姆。声阻抗ZA可以用力阻抗ZM表示,而且在数值上等于力阻抗除以有关面积的平方。返节始
声阻抗率在分析实际问题时,通常不用体积速度U,而用质点振速v,并将声场中某一位置的声压p,与该位置的质点振速v之比,定义为这一位置的媒质声阻抗率ZS,即声场中某点的媒质声阻抗率ZS可以是复数。它与电学中的电阻抗一样,其实数部分反映了能量的损耗(不是热量损耗),代表能量从一处向另一处转移,即“传播损耗”。
特性阻抗乘积0c是媒质固有的一个常数,称为媒质的特性阻抗。它的单位是瑞利。1瑞利=1牛顿秒/米3由此可见,对于平面声波而言,它的声阻抗率在数值上恰好等于媒质的特性阻抗。如果借用电路中的语言形象地描述此时的传播特性,则可以这样叙述:平面声波处处与媒质的特性阻抗相匹配。返节始
五、频谱与谱级对声源发出的声音进行分析,来了解它们的频率成分和相应的强度,从而认识它们的特性,以便进行录音补偿。这种分析方法就称为声音的频谱分析。由这种分析所得的结果,则是声音的频谱结构。通常以频率为横坐标,以反映相应频率成分强弱的物理量(如声压级)为纵坐标,从而将频率与强度的对应关系用图形加以表示,这种图形就称为频谱图,简称频谱。返节始
声音的频谱与音色有着密切的关系。它与声音的其它要素一起,构成某一特定的声音。从物理特性上讲,按照频谱的特征,可以把声音分成两大类:乐音和噪声。广播电影电视中的音乐与语言,属于乐音的范畴,而音响在物理上可划归噪声一类。从生理—心理声学角度,特别是从声音美学上讲,通常可以将声音分成有用声和无用声(或干扰声)两大类。第三类:打击乐器的声音(是噪声但有音高)
返节始
六、VU音量单位与峰值电平VU的意思就是“音量单位”的英文“VolumeUnit”缩写。(在电工工程中,都是稳态正弦波)在电声工程或录音技术中,情况就大不相同。在这类测试中遇到的基本上都是非稳态的复合信号。因此,应当如何测量这类(非稳态的)信号,就成了必须重新加以考虑的问题了。返节始
对于正弦波形的信号而言,用不同的电表进行测量,所得的结果都是相同的;用同一电表测量频率不同,但幅值相同的正弦波形信号,其结果也是相同的。对于复合声而言,情况则不然。因为这时信号的波形已经不再是正弦波形的了。不仅如此,而且通常还是非稳态的。对于这种非稳态的复杂信号应当如何计量,特别是在计量时所涉及的数值类型和时间特性等一类重要问题,就有必要重新考虑。
1、峰值回顾一下在声学测量和电声工程中所采用的反映声信号基本量——声压p或质点振动速度v和电压U或电流I的计量方式。R=U/IZS=P/V峰值:它指的是信号在一完全周期内(对于周期信号而言)或某一相当长时间内(对于非周期信号而言)的最大值。以电压为例,若以u(t)表示电压的瞬时值,则在T时间内的峰值Up可用下式表示:
2、有效值(均方根值)它是从能量角度考虑的一种计量方式,即从能量的角度上讲,用一个恒值代替变值是合理的。若仍以上述信号为例,有效值可用下式表示:
3、整流平均值(平均值)它实际上指的是信号瞬时绝对值的平均值。在上述信号的情况下,平均值可用下式表示:必须注意,在通常情况下,声信号的平均值等于零,即声信号一般不含直流分量,因此,这里所指的是绝对值的平均。所以,通常所说的“平均值”应理解为“整流平均值”。
4、准峰值、准平均值准峰值:它是以与信号相同峰值的稳态简谐信号的有效值表示的。准平均值:它是以与声信号相同平均值的稳态简谐信号的有效值表示的。对于简谐信号而言,准峰值Uq-p和准平均值Uavg.与有效值相等。它们可以表示成以下形式:
无论哪一种计量值都存在一个计量的时间问题,即T应取多长的问题。对于非稳态信号—波形和频谱一直在变化着的信号来说,显然计量时间不能太长,同时计量的速度又要相当迅速,以便跟上不断变化的声信号。但也并非一律的“快”:要了解峰值情况时,当然要快;但从统计上分析,则要求“慢”。因此,现代声学仪器都有不同的时间特性方面的要求。
在录音等一类电声工程中,为了统一各录音环节对节目的计量,便于在传输或节目交换时有一共同的电平标准,这就要求计量表除有相同的计量外,还应有相同的时间特性。此外,在频率响应、阻抗特性、刻度方式、指示偏差以及计量表引入的附加偏差等方面也应有统一的规定。这种计量表就是目前常用的音量单位表,即通常所说的VU表。
在一般情况下,VU表的0VU(100%)相当于信号的准平均值为1.228伏。但在具体使用时,也可以插入所需的衰减器或放大器,因此,0VU的基准值实质上是可以任意确定的。
VU值与分贝值的区别必须注意,VU值与分贝值之间是有区别的。尽管VU值也是以对数表示的信号准平均值(电平),但它有300毫秒的较长积分时间,这样就有可能跟不上信号的实际准平均电平(分贝)的变化。同时还必须明白,VU值是一种满足特定要求的信号准平均值,因此它不能真实地反映声信号主观感觉。
VU表的时间特性是这样规定的:以稳态时达0VU(100%)的1千赫简谐信号突然加到音量表时(信号源的等效电阻为600欧姆),指针达到刻度为99%处所需的时间应为30030毫秒,指针过冲不得超过稳定值的1%,过冲的摆动不应超过1次;当信号突然消失后,指针从100%降至1%的时间也应为30030毫秒。
在录音控制中,往往有人误认为它就是主观听感的定量反映,这是一种误解。我们在前面已经明确说明了提出VU表的主要目的便于在传输或节目交换时有一共同的电平标准,并对其特征作较详细讨论,其原因就在于此。此外,表具有这样长的积分时间,也使得它不可能反映出信号的幅摆尖峰情况。VU表的这些特点,也可以说是它的缺点。
VU表最大的优点VU表最大的优点:统一了计量时间特性因此,自1939年问世以来,就为广大电声工作者所广泛采用,成为录音中最常见的计量表之一。在60年代,又提出了另一种音量表——节目峰值表,即通常所说的PPM表(PeakProgremmeMeter)。它实际上是一种峰值电平表。
PPM表的时间特性与VU大不相同:要求表的指示值上升时间非常短,一般仅为1~10毫秒,而下降时间则长达1.5秒左右。显然,对PPM表的时间特性做这样规定,其目的一方面在于可以准确地反映出那些突如其来的强信号包络的变化(上升速度很快),另一方面又便于人的肉眼观察(下降速度很慢)。只适用于监测信号的幅摆情况。也不能真实地反映信号的强度。
总结VU表是一种准平均值。VU表有时间特性的规定。VU表不能真实地反映声信号主观感觉返节始
第三章复习及复习题
复习要求:1、金属塑性变形的概念、基本条件及常见的金属塑性变形的主要成形方法。2、冷、热变形及加工硬化的定义及其对金属性能的影响3、金属的可锻性的定义、衡量指标和影响因素4、金属塑性变形的基本规律5、金属自由锻成形的定义及自由锻成形过程(重点放在锻件图的绘制及其应考虑的因素、锻造工序<基本工序、辅助工序、精整工序>的确定、坯料质量及尺寸的计算、加热冷却规范)6、模锻的定义及模锻成形过程(重点在分模面的确定原则)7、模锻锻模模膛的分类及其作用8、金属在模锻模膛内的变形过程、特点及影响金属充填模腔的因素9、模锻飞边和冲孔连皮的作用及去除模具的特点10、冲压成形过程(弹壳、消音器后盖等零件)及其模具类型11、板料分离和成形的定义及其主要成形工艺12、落料和冲孔的定义及其凹凸模刃口尺寸的确定。13、板料冲裁过程与拉伸过程的异同点及其凹凸模结构、间隙的差异。
复习题一、名词解释:1、金属塑性变形、加工硬化2、自由锻、模锻、胎模锻3、落料、冲孔4、固态金属的冷变形和热变形5、板料分离和成形6、金属的可锻性
二、填空1、金属塑性成形的基本条件为、。2、工业上常用的金属塑性成形方法有、、、、、等。3、金属材料的固态成形必须有两个基本条件,它们是,。4、按温度将固态成形过程分为___、____两大类,它们以为分界限。5、金属材料的可锻性常用和来综合衡量。6、金属塑性变形的基本规律是定律和定律。7、绘制自由锻零件的锻件图主要考虑的因素有、、。8、绘制模锻零件的锻件图主要考虑的因素有、、、。9、自由锻锻件冷却方式有、、三种。10、模锻的修整工序主要有、、、等。11、模锻件的清理方法主要有、、等。12、锻模模膛按其功能可分为___和模锻模膛,模锻模膛可分为___和__。13、模型锻造过程中,拔长模膛的作用是,滚压模膛的作用是。14、模锻的制坯模膛有____、____、____、___等。15、模锻时飞边的作用是,,。16、胎模的种类主要有____、____、____等。17、板料成形按特征分为分离和成形过程,分离过程主要有落料、冲孔、切断、修整等,成形过程主要有拉深、弯曲、翻边、成形等。18、冲模按基本构造可分为简单模、连续模、复合模。19、在板料的拉深成形中,通常将拉深系数m(d/D)控制在0.5-0.8,为了防止起皱,当板料厚度S与坯料直径D之比<2%时,必须应用压边圈
三、简答题1、简述自由锻成形过程的流程及绘制自由锻件图要考虑的主要因素。2、在金属的模锻过程中,影响金属充填模腔的因素有哪些?3、请阐述金属在模锻模膛内的变形过程及特点。4、简述模锻技术过程中确定分模面位置的原则。5、落料和冲孔用凹、凸模刃口尺寸是如何确定的?
四、分析题1、下图所示的轴类零件,批量为15件/月,材料为40Cr钢,试:(1)根据生产批量选择锻造方法。(2)绘制该零件的锻件图。(3)分析该零件的锻造生产工序并计算坯料的质量和尺寸。
2、分析板料加工技术过程中冲裁过程和拉深过程的异同点以及冲裁凸、凹模和拉深凸、凹模结构、间隙差异。3、试分析下图所示弹壳的冲压过程4、试分析下图所示零件的冲压过程
5、模锻分模面选取的原则是什么?请按照该原则在下图所示的a-a、b-b、c-c、d-d、e-e五个面中选取符合条件的分模面。6、下图所示双联齿轮,批量为10件/月,材料为45钢,试:(1)根据生产批量选择锻造方法。(2)绘制该零件的锻件图。(3)分析该零件的锻造生产工序并计算坯料的质量和尺寸。'
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