3.1建筑聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第3.1章 建筑聲學(xué)基本知識(shí),3.1.1 聲音的基本性質(zhì),聲音的產(chǎn)生和傳播,頻率、波長(zhǎng)與聲速,聲波的繞射、反射和散射,聲波的透射與吸收,聲音的產(chǎn)生和傳播,聲音產(chǎn)生于振動(dòng)，振動(dòng)的物體是聲源。“聲”由聲源發(fā)出，“音”在傳播介質(zhì)中向外傳播在空氣中，聲源振動(dòng)迫使其周圍緊鄰的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，該振動(dòng)迅速在空氣中傳播開(kāi)來(lái)，這種振動(dòng)的傳播稱為聲波。聲波為縱波，介質(zhì)（空氣等）的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行聲波傳播方向（疏密變化）

2、。聲波傳播到人耳，引起人耳鼓膜的振動(dòng)，帶動(dòng)聽(tīng)骨振動(dòng)，由耳蝸、聽(tīng)神經(jīng)等形成神經(jīng)脈沖信號(hào)，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)神經(jīng)傳至大腦聽(tīng)覺(jué)中樞，形成聽(tīng)覺(jué)。,頻率、波長(zhǎng)與聲速,描述聲波的基本物理量f：頻率，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，單位Hz(赫茲）?：波長(zhǎng)，在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點(diǎn)距離。單位m 聲波完成一次振動(dòng)所走的距離。C：聲速，聲波在某一介質(zhì)中傳播的速度。單位m/s。在空氣中聲速：,在0oC時(shí)，C鋼=5000m/s, C水=1450m

3、/s，C混凝土=3100m/s。 在15oC時(shí)，C空氣=340m/s 參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f* ? 或 ?=c/f,user:聲源、介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、聲接收點(diǎn)的振動(dòng)頻率相同；傳播的振動(dòng)形式而非質(zhì)點(diǎn)。,人耳可聽(tīng)頻率范圍（聽(tīng)域）為20Hz~20KHz, 20KHz為超聲。其中，人耳感覺(jué)最重要的部分約在100Hz~4000Hz,相應(yīng)的波長(zhǎng)約3.4m~8.5cm,聲波的繞射、反射和散射,聲波作為機(jī)械波，具有機(jī)械波的所有特征。

4、有繞射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。波陣面：聲波從聲源發(fā)出，在某一介質(zhì)內(nèi)按同一方向傳播，在某一時(shí)間到達(dá)空間各點(diǎn)的包絡(luò)面稱為波陣面。球面波：點(diǎn)聲源發(fā)出的波，聲線與波陣面垂直。如人、樂(lè)器。平面波：波陣面為平面的波，聲源互相平行，如線聲源，多個(gè)點(diǎn)聲源疊排。,聲波的繞射 聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙或孔洞時(shí)將發(fā)生繞射。繞射的情況與聲波的波長(zhǎng)和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。,聲波的反射 當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波

5、長(zhǎng)大得多的障礙時(shí)，聲波將被反射。類似于光在鏡子上的反射。反射的規(guī)則：1）入射線、反射線法線在同一側(cè)。 2）入射線和反射線分別在法線兩側(cè)。 3）入射角等于反射角。Li=L?,散射 當(dāng)障礙物的尺寸與聲波相當(dāng)時(shí)，將不會(huì)形成定向反射，而以障礙物為一子波源，形成散射。,聲波的透射與吸收,聲波具有能量，簡(jiǎn)稱聲能。當(dāng)聲波碰到室內(nèi)某一界面后（如天花

6、、墻），一部分聲能被反射，一部分被吸收（主要是轉(zhuǎn)化成熱能），一部分穿透到另一空間。,透射系數(shù)：反射系數(shù)：吸聲系數(shù)：,不同材料，不同的構(gòu)造對(duì)聲音具有不同的性能。在隔聲中希望用透射系數(shù)小的材料防止噪聲。在音質(zhì)設(shè)計(jì)中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場(chǎng)。,3.1.2 聲音強(qiáng)弱的計(jì)量,聲波是能量的一種傳播形式。人們常談到聲音的大小或強(qiáng)弱，或一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音響或不響，這就提出了聲音強(qiáng)弱的計(jì)量。,聲功率、聲強(qiáng)、聲壓1、聲功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)

7、物體向外輻射的能量W。（瓦或微瓦） 聲功率是聲源本身的一種重要屬性。 人正常講話——50?W,100萬(wàn)人同時(shí)講話50W,相當(dāng)于一個(gè)燈泡。 訓(xùn)練有素的歌手——5000~10000 ?W。 汽車?yán)取?.1 W,噴氣飛機(jī)——10KW。 在廳堂設(shè)計(jì)中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問(wèn)題。2、聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)聲波傳播方向垂直單位面積上的聲能。 對(duì)于點(diǎn)聲源有：

8、3、聲壓：指在某一瞬時(shí)壓強(qiáng)相對(duì)于無(wú)聲波時(shí)的壓強(qiáng)變化。符號(hào)P。 單位N/m 2 (牛頓/米2 ) ，或Pa(帕斯卡）,聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其疊加 由于以下兩個(gè)原因，實(shí)際應(yīng)用中，表示聲音強(qiáng)弱的單位并不采用聲壓或聲功率的絕對(duì)值，而采用相對(duì)單位——級(jí)（類似于風(fēng)級(jí)、地震級(jí)）。1）聲壓對(duì)人耳感覺(jué)的變化非常大 1000Hz的聲音，聽(tīng)覺(jué)下限Po=2 × 10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差10

9、6倍。2）人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的變化的感受并不與聲壓成正比，而與聲壓的對(duì)數(shù)成正比，兩個(gè)同樣的聲源放在一起，感覺(jué)并不是響一倍。,1、聲壓級(jí)Lp 取參考聲壓為Po=2×10-5N/m2為基準(zhǔn)聲壓，任一聲壓P的Lp為： 聽(tīng)覺(jué)下限： p=2 × 10-5N/m2 為0dB 能量提高100倍的P=2 × 10-3N/m2 為20dB 聽(tīng)覺(jué)上限：

10、 P=20N/m2 為120dB2、聲功率級(jí)Lw 取Wo為10-12W, 任一聲功率W的聲功率級(jí)Lw為：,3、聲壓級(jí)的疊加10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10dB=? 答案分別是：13dB,3dB,10dB.幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí)，某點(diǎn)的聲能是各個(gè)聲源貢獻(xiàn)的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻(xiàn)的聲壓平方和的開(kāi)根號(hào)。即：聲壓級(jí)為：,兩聲壓級(jí)疊加

11、，聲壓級(jí)的 差值與增值的 關(guān)系,課后作業(yè)：作業(yè)要求：必須抄題，包括選擇題。選擇題可能有多個(gè)答案。一、 如果要求影院內(nèi)最后一排觀眾聽(tīng)到來(lái)自銀幕的聲音和看到畫(huà)面的時(shí)間差不大于100ms，那么觀眾廳的最大長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)多少？二、 人耳聽(tīng)覺(jué)最重要的部分為：A、20~20KHz B、100~4000Hz C、因人而異，主要在50Hz左右 D、因人而異，主要在1000H

12、z左右三、 以下說(shuō)法正確的有：A、0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約5000m/s、1450m/s、331m/s。B、 0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約2000m/s、1450m/s、340m/s。C、氣壓不變，溫度升高時(shí)，空氣中聲速變小。四、 70dB+70dB+70dB+70dB=?五、 請(qǐng)寫(xiě)出Lp1+Lp2+...Lpn的聲壓級(jí)計(jì)算公式，請(qǐng)劃為最簡(jiǎn)。,3.1.3 聲音的頻譜與聲源的指向性,1 聲音的頻譜頻譜——表示某種

13、聲音 頻率成分及其聲壓級(jí)組成情況的圖形傅立葉理論及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)證明： 理論上，任何振動(dòng)的波形都可以分解為若干單頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。,分立譜：如弦振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。連續(xù)譜：談話、機(jī)器的噪聲，大多數(shù)的自然聲。,如何獲得聲音的頻譜： 使用帶通濾波器進(jìn)行測(cè)量或使用傅立葉數(shù)學(xué)分解。頻譜通常根據(jù)需要分成若干個(gè)頻帶，帶寬（Band)可寬可窄，是人為取定的。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。,,低頻泛音豐富，音色渾厚

14、、堅(jiān)實(shí)、有力,中頻泛音豐富，音色圓潤(rùn)、和諧、自然,高頻泛音豐富，音色明亮、清透、純凈,2 如何獲得聲音的頻譜： 使用帶通濾波器進(jìn)行測(cè)量或使用傅立葉數(shù)學(xué)分解。頻譜通常根據(jù)需要分成若干個(gè)頻帶，帶寬（Band)可寬可窄，是人為取定的。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。,在進(jìn)行聲音計(jì)量和頻譜表示時(shí)，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級(jí)值使用整個(gè)頻帶聲壓級(jí)的疊加。,倍頻程：通常將可聞?lì)l率范圍內(nèi)20~20Hz分為十個(gè)倍頻帶，其中

15、心頻率按2倍增長(zhǎng)，共十個(gè)，為： 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K,倍頻程的一個(gè)倍頻帶恰好是音樂(lè)上 的 一個(gè)八度音。（低音A鍵頻率為220Hz，中音A鍵頻率為440Hz，高音A鍵頻率為880Hz） f1、f2分別為相鄰倍頻帶的中心頻率。,1/3倍頻程：將倍頻程再分成三個(gè)更窄的頻帶，使頻率劃分更加細(xì)化，其中心頻率按倍頻的1/3增長(zhǎng)，為：12.5 16 20 25

16、31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...,f1、f2分別為相鄰倍頻帶的中心頻率。,倍頻帶的劃分,f0頻帶中心頻率fL頻帶的 下限截止頻率fU頻帶的上限截止頻率,3 聲源的指向性,聲源發(fā)出的聲音在各個(gè)方向上分布不均勻，具有指向性。聲源尺寸比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看作點(diǎn)聲源，無(wú)指向性。聲源尺寸比波長(zhǎng)差不多或更大時(shí)，聲源不再是點(diǎn)聲源，出現(xiàn)指向性。人們使用喇叭，目的是為了增加指向性。,3.1.3

17、 人耳的主觀聽(tīng)覺(jué)特性,人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo),(1) 聽(tīng)覺(jué)范圍,最高最低頻率可聽(tīng)極限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。,最小最大可聽(tīng)極限人耳有一定的適應(yīng)性，常人上限為120dB,經(jīng)常噪聲暴露的人有可能達(dá)到135~140dB。下限頻率與頻率有關(guān)。最小可辯閾（差閾） 聲壓級(jí)變化的察覺(jué)： 一般是1dB 3dB以上有明顯感覺(jué) 頻率變化的察覺(jué)：

18、 一般是3%，低頻時(shí)3Hz。,(2) 聽(tīng)覺(jué)定位,人耳判斷聲源的遠(yuǎn)近比較差，但確定聲源的方向比較準(zhǔn)確。人耳判斷聲源的方位主要靠雙耳定位，對(duì)時(shí)間差和強(qiáng)度差進(jìn)行判斷。人耳的水平方向感要強(qiáng)于豎直方向感。通常，頻率高于1400Hz強(qiáng)度差起主要作用；低于1400Hz時(shí)，時(shí)間差起主要作用。,(3) 哈斯(Hass)效應(yīng),人耳有聲覺(jué)暫留現(xiàn)象，人對(duì)聲音的感覺(jué)在聲音消失后會(huì)暫留一小段時(shí)間。如果到達(dá)人耳的兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔小于50m

19、s，那么就不會(huì)覺(jué)得聲音是斷續(xù)的。直達(dá)聲到達(dá)后50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲會(huì)加強(qiáng)直達(dá)聲。直達(dá)聲到達(dá)后50ms后到達(dá)的“強(qiáng)”反射聲會(huì)產(chǎn)生“回聲”——哈斯效應(yīng)。根據(jù)哈斯效應(yīng)，人耳在多聲源發(fā)聲內(nèi)容相同的情況下，判斷聲源位置主要是根據(jù)“第一次到達(dá)”的聲音。因此，劇場(chǎng)演出時(shí)，多揚(yáng)聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問(wèn)題。,(4) 掩蔽效應(yīng),人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽(tīng)覺(jué)靈敏度因另外一個(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩蔽效應(yīng)。一個(gè)聲音高于另一個(gè)聲音10dB,掩蔽效

20、應(yīng)就很小。能量大的聲音掩蓋能量小的聲音。中頻聲音掩蓋高頻和低頻聲音。低頻聲對(duì)高頻聲的掩蔽作用大。,雞尾酒會(huì)效應(yīng)顱骨效應(yīng)回音壁效應(yīng)多普勒效應(yīng),(5) 人耳頻率響應(yīng)與等響曲線,人耳對(duì)不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對(duì)于低于1000Hz和高于4000Hz的聲音，靈敏度降低。不同頻率，相同聲壓級(jí)的聲音，人聽(tīng)起來(lái)的響度感覺(jué)不一樣。以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測(cè)聽(tīng)起來(lái)和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級(jí)構(gòu)成一條曲線叫“等響

21、曲線”。響度單位是“宋”sone，響度級(jí)單位是“方”phon。隨著聲壓級(jí)的提高，對(duì)頻率的相對(duì)敏感度也不同聲壓級(jí)高，相對(duì)變化感覺(jué)??；聲壓級(jí)低，相對(duì)變化感覺(jué)大。,40方等響,,聲級(jí)線性聲級(jí)（L聲級(jí)）將各個(gè)頻帶的聲音級(jí)疊加，得到線性聲級(jí)。,A 聲級(jí)A 聲級(jí)是使用40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜進(jìn)行加權(quán)，之后再進(jìn)行頻帶疊加。A聲級(jí)對(duì)500Hz以下的聲音進(jìn)行較大衰減，模擬人耳對(duì)低頻不敏感的特性。A聲級(jí)的數(shù)值單位表示是dB(A),

22、如60dB(A)。,A、B、C、D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),A:模擬人耳響應(yīng)，40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。B:以70方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，低頻衰減比A聲級(jí)小。C:以85方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),整個(gè)可聽(tīng)范圍內(nèi)衰減小。D:主要用于航空噪聲測(cè)量。,作 業(yè)：1、 聲音的物理計(jì)量中采用"級(jí)"的概念，為什么？2、 試證明在自由場(chǎng)中，Lp=Lw-20lgr-11。式中，Lw為聲源的聲功率級(jí)，Lp為距聲源r米處的聲壓級(jí)。3、

23、下列純音相當(dāng)于多少方？頻率 1000Hz 2000Hz 5000Hz 100Hz 50 Hz聲壓級(jí) 40dB 30dB 60dB 80dB 67dB4、 一廠房測(cè)得機(jī)械噪聲聲壓級(jí)為94dB,關(guān)掉機(jī)器，聲壓級(jí)為88dB，求機(jī)器實(shí)際的聲壓級(jí)。,3.1.4 聲波在室外空曠地帶的傳播規(guī)律,隨與聲源距離的增加，聲能發(fā)生衰減。對(duì)于點(diǎn)聲源，有：,距離增加一倍，聲壓級(jí)減少6dB。對(duì)于存在地面

24、反射的情況，有：,3.1.5 聲波在室內(nèi)封閉空間的傳播,與室外情況很不同。形成“復(fù)雜聲場(chǎng)”。1、距聲源同樣的距離，室內(nèi)比室外響些。2、室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，聲音不會(huì)馬上消失，會(huì)有一個(gè)交混回響的過(guò)程，一般時(shí)間較短。夸張：“繞梁三日，不絕于耳”3、當(dāng)房間較大，而且表面形狀變化復(fù)雜，會(huì)形成回聲和聲場(chǎng)分布不均，有時(shí)出現(xiàn)聲聚焦、駐波等。以上現(xiàn)象源于：封閉空間內(nèi)各個(gè)界面使聲波被反射或散射。,反射界面的平均吸聲系數(shù),聲音在房間內(nèi)的反射,室內(nèi)

25、聲音反射的幾種情況,室內(nèi)聲學(xué)中，常利用幾何作圖的方法，主要研究一次或二次反射聲分布情況。,在使用幾何聲學(xué)方法時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)條件：1）只考慮能量關(guān)系。2）聲波所遇到的反射界面、障礙物尺寸應(yīng)比聲音的波長(zhǎng)大得多。,3.1.6 室內(nèi)聲音的增長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)和衰減,從能量的角度，我們考慮在室內(nèi)聲源開(kāi)始發(fā)聲、持續(xù)發(fā)生、停止等情況下聲音形成和消失的過(guò)程。,混響時(shí)間 Reverberation Time(RT),什么是混響時(shí)間？,室內(nèi)聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)

26、后，聲源突然停止發(fā)聲，室內(nèi)聲壓級(jí)將按線性規(guī)律衰減。衰減60dB所經(jīng)歷的時(shí)間叫混響時(shí)間T60，單位S。,實(shí)際的混響衰減曲線。由于衰減量程及本底噪聲的干擾，造成很難在60dB內(nèi)都有良好的衰減曲線，因此有時(shí)取T30或T20 代替T60 。,1 賽賓(Sabine)公式,賽賓是美國(guó)物理學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)混響時(shí)間近似與房間體積成正比，與房間總吸聲量成反比，并提出了混響時(shí)間經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式——賽賓公式。,公式適用于：,2 伊林（Eyring)公式,4

27、m:空氣吸收系數(shù)，空氣吸收=4mV當(dāng)頻率取>=2KHz時(shí)，一般地，4m與濕度溫度有關(guān)，通常取相對(duì)濕度60%,溫度20oC時(shí)，4m為2KHz——0.009 4KHz ——0.022計(jì)算RT時(shí)，一般取125、250、500、1K、2K、4K六個(gè)倍頻程中心頻率,3 混響時(shí)間計(jì)算的不確定性,室內(nèi)條件與原公式假設(shè)條件并不完全一致。1）室內(nèi)吸聲分布不均勻 2）室內(nèi)形狀，高寬比例過(guò)大 造成聲

28、場(chǎng)分布不均勻，擴(kuò)散不完全計(jì)算用材料吸聲系數(shù)與實(shí)際情況有誤差一般誤差在10%——15%計(jì)算RT的意義：1）“控制性”地指導(dǎo)材料的選擇與布置。2）預(yù)測(cè)建筑室內(nèi)的聲學(xué)效果3）分析現(xiàn)有的音質(zhì)問(wèn)題,3.17 室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)計(jì)算,當(dāng)室內(nèi)聲源聲功率一定時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，在室內(nèi)距離為r的某點(diǎn)聲壓級(jí)可以預(yù)計(jì)，室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)的計(jì)算公式為：,公式前提：1）點(diǎn)聲源2）連續(xù)發(fā)聲3）聲場(chǎng)分布均勻,混響半徑：混響聲能密度=直達(dá)聲能密度=>混響

29、半徑,指向性因數(shù)：QQ=1,2,4,8,3.1.8 房間的共振與共振頻率,普遍存在的共振現(xiàn)象：暖瓶倒水、口腔發(fā)聲等等。在房間內(nèi)存在共振現(xiàn)象：,簡(jiǎn)并現(xiàn)象：當(dāng)不同共振方式的共振頻率相同時(shí)，出現(xiàn)共振頻率的重疊，稱為“簡(jiǎn)并”。簡(jiǎn)并出現(xiàn)時(shí)，共振頻率的聲音被大大加強(qiáng)，形成頻率特性的失真，低頻會(huì)產(chǎn)生翁聲，或產(chǎn)生“聲染色”（coloration),防止簡(jiǎn)并現(xiàn)象的根本原則是：使共振頻率分布盡可能均勻。具體措施有：1）選擇合適的房間尺寸、比例和形

30、狀；2）將房間的墻或天花做成不規(guī)則形狀；3）將吸聲材料不規(guī)則地分布在房間的界面上。,作業(yè)一、某長(zhǎng)方形教室長(zhǎng)寬高分別為10米、6米、4米，已知裝修為：吸聲系數(shù) a 500Hz 2000Hz墻：抹灰實(shí)心磚墻 0.02 0.03地面:實(shí)心木地板 0.03 0.03天花：礦棉吸音板 0.17

31、 0.10求房間的混響時(shí)間T60 (500Hz, 2kHz) 二、某一劇場(chǎng)，大廳體積為6000 m3，共1200座，500Hz的空?qǐng)龌祉憰r(shí)間為1.2秒，滿場(chǎng)為0.9秒，求觀眾在500Hz的人均吸聲量。四、在使用幾何聲學(xué)方法處理建筑聲學(xué)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)注意那些條件？五、混響聲與回聲有何區(qū)別？它們和反射聲的關(guān)系如何？六、混響時(shí)間計(jì)算公式的局限性何在？,5、 公路邊一座高層建筑，以下判斷正確的是：A、1層噪聲最大，10層、17層