2.7 声波的传播方式

当声源在自由空间内传递时，声源附近的声压和质点速度不同相的区域被称为近场。近场内声波的干涉比较严重，在声源附近会出现较多数量的分布密集的声压极大值和极小值。距离为大于2倍声源的尺寸或大于两个波长的位置被称为远场。距离声源越远，声源越可以近似看作为点声源。为了避免声波的干扰，噪声测试通常在远场中进行。声波传递的近场和远场示意图如图2-11所示。

声波的传播主要有三种方式，分别为平面波传播、球面波传播和柱面波传播。

声波的波阵面垂直于传播方向的传播方式被称为平面波传播，平面波传播示意图如图2-12所示。平面波在空气中传播的过程中，声压和质点速度同相位。在理想的媒介中，声压和质点速度不随距离的变化而变化。在自由空间中，当声源尺寸较相应的波长小很多时，远离声源处的声场一般可作为平面波来处理。

波阵面为同心球面的声波被称为球面波，球面波传播示意图如图2-13所示。对于球面波，离声源任意距离上的声强与距离的二次方成反比、声压与距离成反比、声压和振动速度之间的相位差与球面波的半径对波长的比值成反比。任何形状的声源，只要尺寸比波长小得多，都可以看作点声源辐射球面波处理。

波阵面为同轴圆柱面的声波被称为柱面波，柱面波传播示意图如图2-14所示。

在柱面声波中，声压振幅沿轴向均匀分布，沿径向与轴距的二次方根成反比；其径向声强与轴距成反比。通过的动车所辐射的噪声即为这种柱面波。

声波在自由空间传播时，经常会碰到各种类型的障碍物，障碍物对声波传播特性的影响取决于障碍物的形状、大小和声波的波长。声波遇到障碍物时出现的现象主要为声波的反射、折射、散射和衍射现象。

当声波从一个媒介1传播到另外一个媒介2中，入射波将会在媒介的分界面处形成反射和折射现象。声波的反射和折射示意图如图2-15所示。

依据上述反射定律和折射定律，声波的入射和反射满足式（2-21）的关系。

式中 c₁——媒介1中的声速；

c₂——媒介2中的声速。

由式（2-21）可知，入射波与分界线法线的夹角Φ₁等于反射波与分界线法线的夹角Φ₂；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种媒介中声速之比，因此，入射波与分界线法线的夹角Φ₁大于或小于折射波与分界线法线的夹角Φ₃，当媒介1的密度ρ₁大于媒介2的密度ρ₂时，入射角Φ₁小于折射角Φ₃，当媒介1的密度ρ₁小于媒介2的密度ρ₂时，入射角Φ₁大于折射角Φ₃。

如果障碍物表面比较粗糙或者障碍物的大小与声波的波长差不多时，则当声波入射时，在障碍物的周围将会产生各个方向的散射现象，此时的声场由入射波和散射波叠加而成。声波的散射示意图如图2-16所示。

当波长很长时，散射声波的功率与波长的四次方成反比，散射波很弱，而且大部分均匀地分布在对着入射的方向。散射波能量的一半集中于入射波前进的方向，而另一半比较均匀地散布在其他方向，形成心脏形图线再加上正前方的一个尖峰。

声波在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），将绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为声波的衍射。在图2-17所示声波的衍射示意图中，声波通过障碍物（尺寸比声波的波长小），即使障碍物很大，低频声波也会绕过障碍物的边缘（图中虚线之内的区域）。声波的波长越长，衍射现象越明显。

声波的衍射需要注意声波的频率对衍射的影响，声波衍射效应的低频衍射效应如图2-18a所示，声波衍射效应的高频衍射效应如图2-18b所示。

很细的小孔允许通过大量的低频噪声能量，遮声屏障可以用来阻挡大量的高频噪声。

理想点声源在均匀媒介中辐射声波的声压、声强等量在各个方向上都是相同的，声源不具有指向性。一般声源实际上可以看作是多个声源的叠加，该声源辐射声波在各个方向上可能是不同的，这种声源被称为指向性声源，它们的波阵面不是以声源为圆心的球面，而是复杂的曲面。

当声源的尺度比波长大得多时，声音强度分布的情况的一个重要特性为指向性。声源尺寸比波长大得越多，指向性就越强。声源指向性用图2-19所示声波指向的方向图来表示。

实际上，人头和扬声器与低频波长相比是小的，这种情况下可以看作是点声源，但对高频声就不能视为点声源，而具有较明显的指向性。通常用极坐标图来表示声源的指向性。在极坐标图中，同一曲线上的各点，具有相等的声压级。声源的指向性与声源的尺寸、形状以及发声机理有关。声源的指向性还与声波的频率有关，声波的频率越高，声源的指向性越强。指向性越强，则越集中于声源辐射轴线附近。因此厅堂形状的设计、扬声器的布置，都要考虑声源的指向性。

表征声源指向性的参数为指向性因数Q和指向性指数DI。

指向性因数Q是指给定方向和距离的声压二次方对同一距离的各方向平均声压二次方的比值，即

式中 p_θ——给定方向和距离的声压；

p——同一距离的各方向平均声压。

指向性指数DI是指距离声源某距离的θ方向的声压级与同样距离上发出与本声源相等功率的假想点声源的声压级的差值，即

式中 L_pθ——距离声源某距离的θ方向的声压级；

L_p——同样距离上发出与本声源相等功率的假想点声源的声压级。

声波的指向性分为全指向式、心型指向式、超心型指向式、枪型指向式和双指向式，其示意图如图2-20所示。