10.4平均能流密度声强与声压.ppt

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1、上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声10.4 平均能流密度平均能流密度声强与声压声强与声压 10.4.1 介质中的能量分布介质中的能量分布 10.4.2 平均能流密度平均能流密度 10.4.3 声强与声强级声强与声强级 10.4.4 声压声压声强和声压的关系声强和声压的关系 10.4.5 声波的衰减声波的衰减超声波的优势超声波的优势 10.4.6 波的反射和透射波的反射和透射半波损失半波损失 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声10.4 平均能流密度平均能流密度声强与声压声强与声压 10.4.1 介质中的能量分布介质中的能量分

2、布 1.波的能量波的能量 每个体元振动所具有的动能每个体元振动所具有的动能 之和之和2.能量密度能量密度 每个体元形变所具有的势能每个体元形变所具有的势能 波场中单位体积的能量波场中单位体积的能量 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声体元体元振动的振动的动能动能：3.细棒中机械横波能量密度细棒中机械横波能量密度 体元质量体元质量 m=dV yO 体元形变势能：体元形变势能：上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声弹性力关系弹性力关系 切变模量切变模量 若细棒中传播的是简谐波若细棒中传播的是简谐波 上上 页页下下 页页结结 束束返返

3、 回回第十章第十章 波动和声波动和声又又体元总机械能体元总机械能：上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声(2)E 最大值出现在形变最大处最大值出现在形变最大处(1)Ek=Ep 随时间周期性变化，周期为波动周期的一半随时间周期性变化，周期为波动周期的一半.即即 T =4.讨论讨论 波形波形 极大极大极小极小(3)波动的能量与振动能量是有区别的波动的能量与振动能量是有区别的.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声平均能量密度平均能量密度 能量密度能量密度 普适结论普适结论 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声

4、波动和声平均能流密度平均能流密度 单位时间通过垂直于波的传播单位时间通过垂直于波的传播方向上单位面积的平均能量方向上单位面积的平均能量.1.平均能流密度平均能流密度 简称简称能流密度，或波强能流密度，或波强(坡印廷矢量坡印廷矢量).平均能流密度平均能流密度是矢量是矢量,方向沿波的传播方向方向沿波的传播方向.10.4.2 平均能流密度平均能流密度 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声2.波的功率波的功率P（平均能流）平均能流）功率功率单位时间通过截面单位时间通过截面 S 的平均能量的平均能量 S为任意曲面时为任意曲面时波源功率波源功率 S与与I垂直垂直P=IS

5、S与与I不垂直不垂直,I与与S法向成法向成 角角,P=IS cos 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声证明证明平面波平面波,在垂直于在垂直于I方向取两平面方向取两平面 S1=S2 所以所以,平面波振幅相等：平面波振幅相等：求证求证在均匀不吸收能量的媒质中传播的平面波在在均匀不吸收能量的媒质中传播的平面波在行进方向上振幅不变行进方向上振幅不变.得证得证.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声对对球面波：球面波：P1=P2 即即 I1 S1=I2 S2 球面波球面波 即振幅与离波源的距离成反比。即振幅与离波源的距离成反比。球面简谐

6、波的波函数：球面简谐波的波函数：上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声声波声波 能引起听觉的机械波能引起听觉的机械波声波声波：次声波：次声波：超声波：超声波：人的人的听觉与频率和声强有关听觉与频率和声强有关.最低声强（闻阈）最低声强（闻阈）I0=10-12W/m2 (约约1000Hz)最高声强（痛阈）最高声强（痛阈）I 10W/m2(约约1000Hz)声强声强声波的波强声波的波强 10.4.3 声强与声强级声强与声强级 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声声强级声强级 人耳所感受到的声音的响度人耳所感受到的声音的响度.声波传播的

7、速度几乎与频率无关，而速度与介声波传播的速度几乎与频率无关，而速度与介质的密度有关，所以声波传播的速度对于温度和压质的密度有关，所以声波传播的速度对于温度和压强的变化很敏感强的变化很敏感.定义定义声强级声强级I0为人耳听得到的最小声强（标准声强）为人耳听得到的最小声强（标准声强）.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声（红线为等响度线）（红线为等响度线）语言区域语言区域痛阈痛阈闻阈闻阈/HZ20100050010050001000002040608010012010-210-410-610010-810-1010-12L/dbI/W m-2上上 页页下下 页页结

8、结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声引起痛觉的声音引起痛觉的声音炮炮 声声铆铆 钉钉 机机交通繁忙的亍道交通繁忙的亍道通通 常常 谈谈 话话耳耳 语语引起听觉的最低声音引起听觉的最低声音树叶沙沙声树叶沙沙声声声 源源声强声强/W m-2 1110-210-510-610-1010-1110-12声强级声强级/dB 震耳震耳响响正常正常轻轻极轻极轻120100706020100120上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声噪声的利用噪声的利用 噪声，一向为人们所深恶痛绝。但是，也许你不知道，随着现代科学噪声，一向为人们所深恶痛绝。但是，也许你不知道，随着

9、现代科学技术的发展，人们已能利用噪声造福人类。技术的发展，人们已能利用噪声造福人类。噪声除草噪声除草科学家发现，不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根科学家发现，不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根据这个道理，人们制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使据这个道理，人们制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草，用杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草，用“欲擒故纵欲擒故纵”的妙策，保证作物的顺利生长。的妙策，保证作物的顺利生长。噪声诊病噪声诊病美妙、悦耳的音乐能治病，这已为大家所熟知。但噪声怎么美妙

10、、悦耳的音乐能治病，这已为大家所熟知。但噪声怎么能用于诊病呢？最近，科学家制成一种激光听力诊断装置，它由光源、能用于诊病呢？最近，科学家制成一种激光听力诊断装置，它由光源、噪声发生器和电脑测试器三部分组成。使用时，它先由微型噪声发生器噪声发生器和电脑测试器三部分组成。使用时，它先由微型噪声发生器产生微弱短促的噪声，振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜产生微弱短促的噪声，振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜功能的数据显示出来，供医生诊断。它测试迅速，不会损伤耳膜，没有功能的数据显示出来，供医生诊断。它测试迅速，不会损伤耳膜，没有痛感，特别适合儿童使用。痛感，特别适合儿童使用。此外，还

11、可以用噪声测温法来探测人体的病灶。最近科学家又提出一种此外，还可以用噪声测温法来探测人体的病灶。最近科学家又提出一种声波清除法，利用噪声来消除噪声，声波清除法，利用噪声来消除噪声，看来，掌握科学知识并善于利看来，掌握科学知识并善于利用它，可以为人类做许许多多有益的事。用它，可以为人类做许许多多有益的事。上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声10.4.4 声压声压声强和声压的关系声强和声压的关系 波不仅传递能量还传递动量波不仅传递能量还传递动量.伴随波的传播，伴随波的传播，还存在压强的传播还存在压强的传播.声压声压 p是有声波传播的空间某一点在某一瞬时的压强是有声

12、波传播的空间某一点在某一瞬时的压强 p0是没有声波时的压强是没有声波时的压强 xyOef f yaybaa bb yccc d上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声设简谐波方程设简谐波方程 体元速度体元速度 声压波声压波方程可表示为方程可表示为 声声压幅压幅 若波沿负若波沿负x方向传播方向传播 波阻波阻 或或上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声波在介质中传播时，波强逐渐减弱波在介质中传播时，波强逐渐减弱10.4.5 声波的衰减声波的衰减超声波的优势超声波的优势 声强级声强级 I入射初始声强，入射初始声强，Id深入介质深入介质d

13、距离处的声强距离处的声强,衰减系数衰减系数.上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声1MHz频率超声波经过几种介质的衰减系数频率超声波经过几种介质的衰减系数 介质介质 0/dBcm-1空气空气10铝铝0.02骨骼骨骼310蓖麻油蓖麻油1肺肺40肌肉肌肉1.52.5一种有机玻璃一种有机玻璃2软软组织组织0.31.5水水0.002上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声 超声波超声波超声波是频率高于超声波是频率高于20000Hz的声波波长极短。的声波波长极短。它的特点是它的特点是能流密度大方向性好穿透力强能流密度大方向性好穿透力强上上 页

14、页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声声纳：声纳：定位、测距、探伤、显象定位、测距、探伤、显象超声波探伤：超声波探伤：能在不透明的材料中传播，可以用来检查金属能在不透明的材料中传播，可以用来检查金属零件内部的缺陷零件内部的缺陷医学医学B超：超：用以探测人体内部的病变用以探测人体内部的病变焊接：焊接：由于能量大而集中可用来切削、焊接，钻孔，由于能量大而集中可用来切削、焊接，钻孔，清洗机件还可用来处理种子和催化。清洗机件还可用来处理种子和催化。非声学量的声学测量：非声学量的声学测量：超声波的传播速度对于介质的密度、超声波的传播速度对于介质的密度、浓度、成分、温度、压力的变化

15、很敏感，利用这些可间接测量浓度、成分、温度、压力的变化很敏感，利用这些可间接测量其他有关物理量。其他有关物理量。空化作用：空化作用：超声波可以引起液体的疏密变化，使液体时而受超声波可以引起液体的疏密变化，使液体时而受压、时而受拉。形成近似真空的小空穴。压、时而受拉。形成近似真空的小空穴。超声延时：超声延时：近来在超声延时方面有新的发展，因为它的波速近来在超声延时方面有新的发展，因为它的波速比电磁波速低。比电磁波速低。上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声 次声波次声波科学研究：科学研究：研究地

16、球、海洋、大气等大规模运动；研究地球、海洋、大气等大规模运动；对自然灾对自然灾害性事件（如火山爆发、地震等）进行预报，深入认害性事件（如火山爆发、地震等）进行预报，深入认识自然规律。识自然规律。军事应用：军事应用：军事侦察；军事侦察；次声波有杀伤性。次声波有杀伤性。频率在频率在10420Hz(波长长波长长)之间的机械波，人耳听不到。之间的机械波，人耳听不到。由于它具有由于它具有衰减极小的特点衰减极小的特点，可以远距离传播。，可以远距离传播。1）次声波的特性）次声波的特性2）次声波的波源）次声波的波源大气湍流、火山爆发、地震、陨石落地、雷暴、磁暴等大大气湍流、火山爆发、地震、陨石落地、雷暴、磁暴

17、等大规模自然活动中，都有次声波产生。规模自然活动中，都有次声波产生。3）次声波的用途）次声波的用途上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声10.4.6 波的反射和透射波的反射和透射半波损失半波损失 反射系数反射系数 透射系数透射系数 Z大大波密介质波密介质,Z小小波疏介质波疏介质.入射波在反射时入射波在反射时发生反相的现象称为发生反相的现象称为半波损失半波损失.有半波损失有半波损失Z大大 Z小小无半波损失无半波损失Z大大 Z小小上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声入射波入射波反射波反射波透射波透射波介介质质1(Z1小小)介质介质2

18、(Z2大）大）界面界面入射波入射波反射波反射波透射波透射波介质介质1(Z1大大介质介质2(Z2小小)界面界面 脉冲波在界面处的反射和透射脉冲波在界面处的反射和透射上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声例题例题1 如图如图,沿沿 x 轴传播的平面简谐波方程为轴传播的平面简谐波方程为 隔开两种介质的反射界面，隔开两种介质的反射界面，A与坐标原点与坐标原点O相距相距2.25 m.设反射端两侧波阻相差悬殊且可视为固定端设反射端两侧波阻相差悬殊且可视为固定端.求反射波方程求反射波方程.(SI)AOxy12 上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声反射波在反射波在O点比在点比在A点落后点落后解解因两侧波阻相差悬殊因两侧波阻相差悬殊,可认为反射波入射波振幅相同可认为反射波入射波振幅相同.入射波在入射波在 A 点比点比 O 点落后点落后固定端反射，有半波损失，因此，反射波在坐标原点的固定端反射，有半波损失，因此，反射波在坐标原点的相位比入射波在该点的相位落后相位比入射波在该点的相位落后上上 页页下下 页页结结 束束返返 回回第十章第十章 波动和声波动和声反射波方程反射波方程 =200m/s,=100Hz,而已知入射波在坐标原点的初相位为零，故而已知入射波在坐标原点的初相位为零，故(SI)