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第七章 声学材料

作者:欢乐棋牌在线时间:2020-07-30 07:49

  ? 声音是物质的波动,一个完整的声学系统 应包括声源、声介质和声接受器三个要素。 我们把振动发声的物体叫做声源,把能够 传播声音的物质叫做传声介质,把能够感 知声音的器件叫声接受器。 ? 声学材料可分为发声材料、声介质材料和 声探测(感知)材料。 1、声的物理特征 ? 声音主要有强弱和高低两个方面的衡量。声音的 强弱是指声音的大小。表示声音强弱的物理量度 主要有声压、声强和声功率以及它们的级。 ? 声压(P)是指声介质中的压强相对于无声波时 的压强改变量。声音的声压大,该声音就强。声 压的大小是由声源振动的振幅决定的,与声源的 振动频率无关。由于声压是随时间作疏密相间不 断变化的,所以,通常用一段时间的有效声压表 示,称为有效声压,它是瞬时声压的方均根 值.其数学表达式为: 式中P(t)是瞬时声压,t是时问,T是声 波周期。人耳的听觉声压范围为2x10-5-20Pa。用声压表示声音的强弱是很不方便 的。为此,人们便采用声压的对数来表示 声音的大小组别.称为声压级,单位为dB。 国际上统一规定,把正常人耳刚刚能听 到的声压2x10-5作为基准声压p0,定为0dB。 声压级Lp的数学表达式为: ? 声强(I)是指在垂直于声波传播的平面上,单 位时间内通过单位面积的声能,单位是 W/m2。在自由声场中,某处的声强与声压 的平方成正比: 式中,ρ 介质密度;c是声速。 把正常人耳刚刚能听到的声强(10-2w/m2) 作为基准声强I0,定为0dB。声强级的数学 表达式为: ? 声功率(W):声源在单位时问内辐射出的总 声能量。10-12w作为基准声功率W。,定为 0dB。声功率级的数学表达式为: ? 频率与频谱:频率表示声源振动快慢的物 理量。 声音的频率越高,音调就高,听起来 就感到尖锐;反之.声音的频率低,音调 就低,听起来就感到低沉。能够发出单一 康率的纯音的发声体很少,发声体的振动 一般都比较复杂,所发出的声音都是有许 多不同频率、不同强度的纯音复合而成。 以频率为横坐标,以声音的强弱(声压级或 声强级)为纵坐标,绘出声音强弱的频率分 布图,叫频谱图。 ? 利用频谱图可以进行频谱分析,可以看出构成声 音的各个频率成分和相应的强度。频谱分析在材 料的无损检测、机械的故障诊断、噪声控制等方 面有广泛的应用。 2、发声材料和声探测材料 ? 凡是能产生振动的材料(固体、液体和气体)都 可以是发声材料,都可能成为发声材料。这里我 们只介绍压电材料和磁致伸缩材料(压磁)。它 们既可以做发声材料,又可以做声探测材料。 ? 压电材料主要是利用它的压电效应来实现电--声 和声--电转换,利用电--声转换可做为发声材料, 利用声--电转换可做为声探测材料。 ? 压电效应是指在某些晶体材料上施加机械应力时, 晶体的某些表面会产生电荷,这种现象通常称为 正压电效应:反之,在晶体的某些方向施加电场 时,晶体会产生几何形状的变化,这种现象通常 称为逆压电效应。 ? 除了一些晶体外,许多陶瓷、聚合物也具有压电 效应。 ? 利用压电材料的逆压电效应可制成各种电 声源,如扬声器、鳞鸣器、超声波发生器 等。 ? 利用压电材料的正压电效应可制成各种声 探测器,如拾音器、船舶声纳、水声换能 器、超声探测器等。 ? 利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和逆磁 致伸缩放应可制造成各种超声波发生器、 水声、电声换能器,如声纳的水声发射与 接受器,超声波换能器等。 3、声阻尼材料 ? 随着工业和交通运输业的飞速发展,噪声 污染及其对人体健康的危害,越来越引起 人们的重视。它同水污染、空气污染一样 被列为三大公害。 ? 噪声与振动可以通过吸声、隔声、消声、 阻尼减振等措施加以治理。 ? 阻尼减振技术已发展成为一项专门的技术, 成为控制振动、冲击和噪声的主要技术手 段。 ? 阻尼减振技术中所用到的材料称为阻尼材料或减 振材料。阻尼材料可分为金屑基阻尼材料和非金 属基阻尼材料两大类。 ? 阻尼材料属于粘弹性材料,它的动态力学性能不 同于纯弹性材料,应变ε 滞后应力σ 。滞后的相 角α β 是阻尼材料的损耗因子,它可表示为; ? 损耗因子是衡量阻尼材料耗散振动能量的主要指 标之一。表征阻尼材料阻尼性能最常用的量是损 耗因数η ,它的物理意义是每振动一次所损耗的 能量与贮存的能量的比值。它的大小与材料振动 在单位时间内转变为热能而损失的振动能成正比。 η 值越大,表明材料的阻尼性能越好。损耗因子 与损耗因数的关系为η =2β π。 ? 金属基阻尼材料又称为减振合金,是一种高内耗 合金,它能把振动能较快地转变为热能消耗掉, 有效地阻尼声的传播。 ? 金属基阻尼材料主要用于设备和机械上,达到减 振和防噪声的目的,如发电机盖、运输带的齿轮、 汽车发动机油盘、汽缸头盖、船舶螺旋桨等。用 减振合金作为结构材料.制成机械中振动和发声 强烈的部件。 ? 常用的非金属基阻尼材料有橡胶系、塑料系、沥青 系。通常是由两种基本材料组成,一种是基材,另 一种是添料。常用的基料有沥青、氯丁橡胶、聚胺 脂、环氧树脂等。常用的添料有膨胀珍珠岩粉、膨 胀蛭石、石棉缄、碳酸钙、二硫化铜、铅粉、炭黑 粉等。 ? 粘弹性聚合物具有很好的阻尼性能,是很好的阻尼 材料基料。众所周知,枯性液体能耗散能量,然而 它却不能贮存能量;弹性体能够贮存能量,但它却 不能耗散能量。粘弹性聚合物同时具有枯性液体和 弹性固体的特征,在受到交变应力作用下发生变形 时,部分能量作为位能贮存起来,另一部分能量则 被耗散掉,转化为热能。这种能量的耗散表现为振 动阻尼, ? 用枯弹性聚合物阻尼材料牢固地粘贴到产 生振动的部件上,形成阻尼层,会使振动 减弱,降低噪声,在工业、国防领域有着 广泛的应用。 ? 一种典型的阻尼材料是美国海军研制的 MRC-OG4粘弹性聚合物阻尼材料。它的基 体是经过增塑处理的氯乙烯和醋酸乙烯共 聚物,添料是片状石墨和炭黑。它在较宽 的温度和频率范围内阻尼较好,把它粘贴 在潜艇的壳体上,可以有效地降低潜艇的 自噪声。 4、声吸收材料 ? 在噪声较大的车间,由于四壁及天花板的多次反 射,造成混响,使车间内噪声强度增加。另外, 在大型会议室、剧场、礼堂、音乐厅和体育馆等, 为了得到良好的音响效果,通常不希望墙壁和屋 顶反射声音。因此需要在天花板和墙壁上粘贴吸 声材料,以减少声音的反射。 ? 常用的吸声材料主要是多孔材料。当声波进入吸 声材料孔隙后,引起空隙中的空气和材料的细小 纤维振动。由于摩擒和枯滞阻力,声能转变为热 能,而被吸收和消耗掉。 ? 材科的吸声性能常用吸声系数α 来表示,它定义 为声波人射到材料表面时,材料的吸收声能和透 射声能之和与入射到材料表面的总声能之比。完 全反射的材料, α =o,完全吸收的材料, α =1,一般材料的吸声系数介于0和1之间。 ? 多孔吸声材料分为无机纤维吸声材料、泡沫塑料 吸声材料、有机纤维吸声材料和建筑吸声材料等。 ? 无机纤维吸声材料主要有超细玻璃棉、玻璃丝、 矿渣棉、岩棉等,这类材料的优点是隔热耐.价 格低廉。 ? 泡沫塑料吸声材料主要有聚胺脂、聚醚乙烯、聚 氯乙烯、酚醛等,这类材料具有良好的弹性,缺 点是易燃,易老化。 ? 有机纤维吸声材料有棉麻、干蔗、木丝、稻草等, 这些材料的价格低廉,取材方便。 ? 建筑上采用的吸声材料有加气混凝土、膨胀珍珠 岩、微孔吸声砖等。 日本市区内的高速路 采用声阻尼材料和 吸声材料 日本市名古屋区内的高速路 费米能 ? 在固体物理学中,一个由无相互作用的费米子 组成的系统的费米能(EF)表示在该系统中加入 一个粒子引起的基态能量的最小可能增量。 费米能是在绝对零度时,处于基态的费米子系 统的化学势,或上述系统中处于基态的单个费米 子的最高能量。 ? ? 费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化 学位;但是在半导体物理和电子学领域中,费米 能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。 费米能级 ? 菲米能级的物理意义是,该能级上一个的 状态被电子占据的几率是1/2。

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