声频技术(1声学基础,建筑声学)

建筑电子工程建筑声频技术之一——厅堂扩声基础授课内容•厅堂扩声–厅堂扩声基础–扩声工程设计•公共广播系统•会议系统•声频技术的发展声频趣谈•“声音”在人们的日常生活中占有重要地位–悲痛时——“声泪俱下”–感情充沛动人——“声情并茂”–交朋友不看金钱、不看外表——“声应气求”（见《周易乾》“同声相应，同气相求”）–若干了坏事，则会受到人们“声色俱厉”的批评–若某人过着“声色犬马”的生活就会导致“声名狼藉”–若事情做得好，则“声誉鹊起”、“声威日隆”、“声名远扬”厅堂扩声•厅堂扩声基础–声学常识–室内声学（roomacoustics）•厅堂扩声工程设计–厅堂扩声系统的设计步骤–扩声工程需求分析–建筑声学处理–扩声工程计算厅堂扩声基础•声学基础知识–声波（soundwave）–声压(soundpressure)、•有效声压（effectivesoundpressure）•声压级(soundpressurelevel)（SPL）–声功率(soundpower)•声功率级（soundpowerlevel）–声强（soundintensity，soundenergyfluxdensity）•声强级（soundintensitylevel）厅堂扩声基础——声学基础知识•声波（soundwave）–定义：物体的机械振动在媒质中的传播。–振动三要素：振幅＋频率＋相位–波动四要素：频率，振幅，相位，波长(wavelength)与波速（wavevelocity）f声波的波速是多少？声波波速公式是什么？波速公式如何得到？厅堂扩声基础——声学基础知识•声波（soundwave）–声波是纵波（longitudinalwave）(Vs.transversewave)声波总是纵波吗？•声压(soundpressure)–概念：声波传播时，空气压强变化。变化量＝声压–表示式：•p：声压（Pa，即N/m2）•P0：测试点静止时的压强•P：测试点有声音时压强厅堂扩声基础——声学基础知识()optPP厅堂扩声基础——声学基础知识•有效声压（effectivesoundpressure）–T：取平均的时间间隔，在周期声压时，T取一个或几个（正整数）周期；对非周期性声压，T应取足够长，使间隔长度的微小变化不影响测量结果。–一般测量仪器表示的声压为有效声压。201()TpptdtT厅堂扩声基础——声学基础知识•声压级(soundpressurelevel)–基准声压：Pr＝2×10－5Pa（0dB）20lg()prPLP厅堂扩声基础——声学基础知识表1：常见声源的声压级典型声源人耳感受声压（Pa）声压级（dB）汽锤，机场跑道不能忍受200140春雷，动力工具震耳欲聋20120重型车辆，机床很响2100车间、乐队响2×10-180大声喊叫一般2×10-260低声谈话轻2×10-340呼吸声微弱2×10-420隐约2×10-50厅堂扩声基础——声学基础知识•声功率(soundpower)–概念：单位时间内向外辐射的声能。衡量声源的发声能力•声功率级（soundpowerlevel）–基准声功率：W0＝10-12W010lgwWLW厅堂扩声基础——声学基础知识表2常见声源的平均发声功率声源耳语交谈小提琴轻声唱大提琴女高音钢琴管风琴小鼓大鼓75人交响乐队声功率W0.01µ10~30µ0.3~17.7µ33µ0.16m1m0.413132570厅堂扩声基础——声学基础知识•声强（soundintensity，soundenergyfluxdensity）–概念：某一点的声强为单位时间内通过该点且与声波传播方向垂直的单位面积内的声能I•声强级（soundintensitylevel）–声强的上下限相差一万亿倍，度量声音的强弱不方便，同时，人耳对声音强弱的分辨能力不与声强成正比，而是近似地与声强的对数值成正比。厅堂扩声基础——声学基础知识•表达式•以dB为单位。•基准声强：I0＝10-12W/m2（0dB）010lg()IILI厅堂扩声基础——室内声学•室内声学（roomacoustics）–建筑声学（architecturalacoustics）•室内声场的建立•描述室内声场的物理量•影响室内声场的因素•研究室内声场的方法–生理声学与心理声学–电声学厅堂扩声基础——室内声学•建筑声学（architecturalacoustics）–室内声的组成厅堂扩声基础——室内声学•建筑声学（architecturalacoustics）–室内声场(soundfield)的建立厅堂扩声基础——室内声学•建筑声学（architecturalacoustics）–室内声场(soundfield)的建立，室内声的组成厅堂扩声基础——室内声学•直达声（directsound）：–听音处最初到达的声波（在自由场（freefield）中，如果不考虑反射声，声强按照与距离的平方成反比的规律衰减。）•反射声（reflectsound）：–近次反射声（早期反射声）：经过几次反射到达的声音，反映空间中声源、耳朵及墙壁之间的距离关系–多次反射声（混响声（reverberationsound）：直达声后50ms以外的多次反射声）厅堂扩声基础——室内声学•声音的干涉与衍射–衍射现象：闻其声不见其人–衍射产生条件：物体尺寸与声波波长的关系。•反馈声（feedbacksound）：–经过反射后重新到达声源处的声音。•声吸收（soundabsorption）：–当声波经过一种介质时，声能被转换为其他能量的一种现象。反馈声起什么作用？厅堂扩声基础——室内声学•吸声材料（soundabsorptionmaterial）–多孔吸声材料（porousabsorbingmaterial）玻璃棉、矿渣棉、木丝板等，对高频段的吸收更有效。–共振吸声材料（resonanceabsorbingmaterial）薄板，对低频段更为有效–微穿孔板（空腔吸声）（microperforateabsorber）：Helmholtz共振腔，窄带吸收。厅堂扩声基础——室内声学•室内声学（roomacoustics）–建筑声学（architecturalacoustics）•室内声场的建立•描述室内声场的物理量•影响室内声场的因素•研究室内声场的方法–生理声学与心理声学–电声学厅堂扩声基础——室内声学•描述室内声场的物理量•（直达）声能密度（soundenergydensity）–在某点，一尺度甚小于波长而甚大于分子尺度的小体积中的声能用这个体积来除所得的商–W：声源功率。–r：听音点与声源的距离。–V：声速。24DWrv厅堂扩声基础——室内声学•混响声能密度–s：房间总表面积。–α：吸声系数（soundabsorptioncoefficient）：入射声能被材料表面或媒质吸收的百分数。–W：声源功率。–v：声速。4(1)RWvs厅堂扩声基础——室内声学•声能比（acousticratio）224164(1)RDErrKsEsR直达声能密度混响声能密度224164(1)RDErrKsEsR混响声能密度直达声能密度216rKsR厅堂扩声基础——室内声学•房间常数R（roomconstant）：–表征一个房间的活跃（live）程度或沉寂（dead）程度，房间常数越大，房间越沉寂。–S：房间表面积–：房间平均吸声系数1sR厅堂扩声基础——室内声学•混响半径ReverberationRadius（极限距离）:–反射声与直达声声能相等的地方与声源的距离。声能比Ks＝1014Rrr厅堂扩声基础——室内声学•混响时间（ReverberationTime）–定义：当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压级降低60dB所经过的时间称为混响时间，记作T60或RT，单位是秒（s）。厅堂扩声基础——室内声学•计算混响时间–赛宾（Sabine）/伊林（Eyring）/克纳森（Knudsen）公式–V：房间容积，m：空气吸收系数600.161KVVTSS600.161Sln(1)VT600.161Sln(1)VT600.161Sln(1)VT600.161Sln(1)VT600.161Sln(1)4mVVT600.161Sln(1)4mVVT600.161Sln(1)4mVVT利用声能密度、平均自由程、定义，可以推导赛宾公式厅堂扩声基础——室内声学•说明–推导公式的条件：首先，室内的声音是充分扩散的，即室内任一点的声音强度一样，而且在任何方向上的强度也一样；其次，室内声音按同样的比例被室内各表面吸收，即吸收均匀–当1时，T600，符合实际情况–当1时，-ln(1-)，修正公式与赛宾公式一致厅堂扩声基础——室内声学•公式适用条件–在室内总吸声量较小、混响时间较长的情况下，根据赛宾公式算出的数值与实测值相当一致。–在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值比实测值要长。在ã→1，即声能几乎被全部听收的情况下，混响时间应当趋近于0，而根据赛宾公式，此时T60并不趋近于0，与实际不符。–在室内表面平均吸声系数较小(ã0.2)时,用赛宾公式与用修正公式可以得到相近的结果,在室内表面的平均吸声系数较大(ã0.2)时,只能用修正后的公式计算室内的混响时间。厅堂扩声基础——室内声学•混响时间是目前建筑声学设计中能定量估算的重要评价指标，直接影响厅堂音质的效果。–在计算混响时间时，通常要计算125、250、500、1000、2000和4000Hz六个频率的值。对于录音室和播音室有时还应追加63Hz和8000Hz的混响时间。厅堂扩声基础——室内声学•声源指向性因数–特定方向的平方声压–所有方向平均的平方声压–Q＝1，2，4，822davpQp2dp2avp厅堂扩声基础——室内声学•室内稳态声压级–Lp——室内某点距声源为r的声压级（dB）–Lw——声源功率级(dB),W0＝？–Q——声源指向性因数–r——座位与声源的距离–——直达声–——反射声2410lg()4pwQLLrR24Qr4R厅堂扩声基础——室内声学•其他描述室内声场的参量–早期衰减时间（EarlyDelayTime）或早期混响时间（EarlyReverbTime）–重心时间(PointofGravityTime)–明晰度(Clarity)–房间响应（RoomResponse）–侧向效率（LateralEfficiency）–侧向能量因子（LateralEnergyFactor）–双耳听觉互相关（IntramuralCross－correlation）厅堂扩声基础——室内声学•室内声学（roomacoustics）–建筑声学（architecturalacoustics）•室内声场的建立•描述室内声场的物理量•影响室内声场的因素•研究室内声场的方法–生理声学与心理声学–电声学厅堂扩声基础——室内声学•影响室内声场的因素：–房间形状——长方体状–房间尺度——黄金分割比或无理数比–混响时间——房间材料与布置厅堂扩声基础——室内声学•房间形状：声聚焦–声波被大凹面镜反射后会聚于一点，这种现象叫做声聚焦•现象:–天坛回音壁–杰尼西亚的耳朵声聚焦对扩声有什么影响？厅堂扩声基础——室内声学•房间尺度–室内简正频率–如同任何一个振动系统一样，一个房间有其固有频率，这一系列固定频率的振动特别容易被激发。所以，当将一个频率分布均匀的声源放入房间时，在离声源相同距离处各频率的声压不会是相同的——对应于该房间共振频率的声压将会高得多。如何绘制房间共振频谱图？厅堂扩声基础——室内声学2220()()()2vmnrfLBH–v：声速，L，B，H是闭室的长、宽、高，m，n，r＝0、1、2……（m、n、r不同时为零）•简正频率的分布是影响房间音质的重要因素•合理确定L：B：H的值。对于体积小而声学特性至关重要的房间（播音室、录音室等）特别有意义。(1.61