室内装修中的吸声、隔声、减振与消声

室内装修中的吸声、隔声、减振与消声清华大学建筑学院燕翔ArchitectureSchoolofTsinghuaUniversity2006年5月一、声音声音噪声级(A)对人的影响火箭导弹发射150-160听觉器官物理损伤喷气飞机喷口130-140痛、无法忍受螺旋桨飞机、高射机枪120-130痛柴油机、球磨机110-120难于忍受织布机、电锯、压缩机100-110较难忍受载重汽车、高速公路边90-100很吵，难于语言通讯大声说话、闹市70-80较吵一般说话60-70对其他讲话者有干扰普通房间50-60较静静夜30-40非常静消声室内10-20极静听觉下限0-10听(0)1.1声音大小与人感觉的关系1.2声压和声压级1、声压：指在某一瞬时压强变化。符号P。人耳感觉的声压变化非常大，听觉下限和上限相差106倍。人耳的感受不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。2、声压级：取听觉下限为基准声压，任一声压P的Lp为：听觉下限：P=2*10-5N/m2为0dB能量提高100倍的P=2*10-3N/m2为20dB听觉上限：P=20N/m2为120dB3、声压级的叠加80dB+80dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分别是：83dB,3dB,10dB。几个声源同时作用时，声能是声源能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即：)(log2010dBPoPLp=220220222012212110...1010lg20...lg20lg20⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=+++==LpnLpLpnPoPPPPoPLp1.3声音的频谱•声音的频谱频谱——表示某种声音频率成分及其声压级组成情况的图形任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。1.4频带在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。•倍频程：通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：1631.5631255001K2K4K8K16K•1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：12.516202531.5405063801001251602002503154005006308001K1.25K1.6K2K2.5K3.15K4K5K6.3K8K10K12.5K16K20K1.5人耳听觉器官分为外耳、中耳、内耳。外耳用于聚拢声波。声波通过耳道作用于鼓膜，它将声能转换进而传到大脑进行翻译。外耳是一个圆柱通道，与特定频率的声音共振。耳道大约2.5-3cm长，共振频率大约在2000-3000Hz，这个频段的声音我们最敏感。外耳将这一范围的声音放大。好处是2000-3000Hz是语言的频率，主要是辅音，有利于我们彼此交流。缺点是我们在这一频率范围存在最先失去听觉敏感性的趋势，出现老化。声波带动鼓膜振动，再由中耳三块听小骨继续传递。锤骨、砧骨和镫骨将鼓膜的振动传到内耳入口——卵圆窗。三块骨头可以调整音量使其适合内耳器官。如果声压级很高，连接这些骨头的肌肉会使它们分开，减少进入内耳的声强。对于脉冲声，这种反射无效，因为脉冲声的速度远大于器官自我保护反应的速度。声能到达耳蜗后，引起耳蜗的振动。耳蜗内排列着微小的、毛发似的细胞，在液体中波动，将机械能转换成电能，并将这些电信号传送至听觉神经。听觉神经将来自于全部毛细胞的电信号传送至大脑，并在大脑中进行处理，进而理解为声音。整个听觉过程仅用毫秒即可完成。1.6听觉范围•最高最低频率可听极限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。•最小最大可听极限人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。•最小可辩阈（差阈）声压级变化的察觉：一般是1dB3dB以上有明显感觉频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。1.7掩蔽效应z人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。z一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。z低频声对高频声的掩蔽作用大。1.8人耳频率响应与等响曲线•人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于底于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。•不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。1.9A声级A声级是对声音的频带上使用A计权网络得到的加权值。单位是dB(A)。A声级反映了人耳对不同频率声音响度的计权。A声级越大，人感觉越吵。国家规定：厂界噪声（围墙外一米）：白天小于等于60dB(A)，夜晚小于等于50dB(A)。室内噪声：白天小于等于50dB(A)，夜晚小于等于40dB(A)。频率声压级加权值加权后-50.519.516.613.828.941.447.852.053.253.038.931.420.7-39.4-26.2-16.1-8.6-3.201.21.0-1.1-6.6-9.32069dB31.555dB6340dB12545dB25050dB50051dB1K52dB2K52dB4K52dB8K40dB16K38dB20K30dBA声级58.1dB有时，噪声的A声级是变化的，不能简单的使用某一时刻的A声级，需要使用在一段时间内使用平均A声级来表示能量平均，即Leq。例如，在12分钟内，每1分种A声级有变化，如下：时间123456789101112A声级(dB)808390869281668694959288则：这12分钟的Leq为：80dB+83dB+90dB+86dB+92+81dB+66dB+86dB+94dB+95dB+92dB+88dB-10lg12=100dB-10.8dB=89.2dB1.10等效连续A声级Leq在一些对安静要求较高的环境里，如剧场、录音室、演播室，不但需要考虑噪声的声级，同时要考虑噪声的频率特性。通过国际标准、化组织的一组评价曲线，每条曲线用一个NR值表示，噪声各个频率值都不超过的最低的曲线作为噪声评价的NR值。如右图，红线代表的噪声为NR25，蓝线代表的噪声为NR50。NR值与A声级有相关的换算关系，NR≈A-51.11NR噪声评价曲线1.12噪声允许标准和法规噪声允许的标准主要包括：《民用建筑隔声设计规范》GBJ118-88规定之“民用建筑室内允许噪声级”：卧室内(A声级）:dB(A)较高标准一般标准最低标准白天≦40≦45≦50夜间≦30≦35≦40一级二级三级Rw(dB)≧50≧45≧40Lpn,w(dB)≦65≦75*≦85(确有困难)隔声：在《剧场建筑设计规范》中规定：观众席背景噪声NR≦30(A)为甲等，NR≦NR35(A)为乙等、丙等。影响观众席背景噪声的主要因素是空调气流，以及外界噪声传入、灯光、舞台机械等。在《电影院建筑设计规范》中规定：观众席背景噪声NR≦40dB(A)为甲等，NR≦45dB(A)为乙等、丙等。在《办公建筑设计规范》中规定办公用房、会议室、接待室的噪声NR≦55dB(A)，电话总机房、计算机房、阅览室噪声50dB(A)。录音室、演播室等低背景噪声要求高的场合，一般要求背景噪声NR值低于22-25。城市区域环境噪声标准Leq类别适用区域白天dB(A)晚上dB(A)0疗养区、高级宾馆和别墅区等需要特别安静的区域50401居住、文教区域为主的区域55452居住、商业、工业混杂区域60503工业区65554交通干线两测7055标准规定，城市区域环境噪声的测量位置在居住窗外或厂界外1米处。一般地，室外环境噪声通过打开的窗户传入室内大致比室内低10dB，因此在工业区（3类）或交通干线两侧（4类）不应建住宅、学校、医院，因为受环境噪声的影响，室内噪声水平在开窗时不能达标。这一点需要引起建筑师的注意。二、室内声学2.1声音传播特性绕射反射散射2.2声波在室外空旷地带的传播规律随与声源距离的增加，声能发生衰减。对于点声源，有：距离增加一倍，声压级减少6dB。对于存在地面反射的情况，有：声音在传播时的折射•象光通过棱镜会弯曲，声音传播过程中声速发生了变化时，声波传播方向会改变。这种由声速引起的声传播方向改变称之为折射。•室外温度改变会产生声音折射。声音在温暖的空气中传播速度较快，声波向温度低的一面弯曲。•声波也会随风产生类似的弯曲，顺风传播时，可以传的比期望的远，逆风传播时，会产生阴影区。2.3声音的透射与吸收•声波具有能量，简称声能。•当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。透射系数：反射系数：吸声系数：ιαγEEEEo++=EoEi=τEoEr=γEoEiEaEoErr+=−=−=11α不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。2.4声音在房间内的反射2.5混响时间(RT)室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比。推论：房间体积越大或、吸声材料越少，混响时间越长。房间最佳混响时间及频率特性常用最佳混响时间(秒)音乐厅1.8-2.2剧院1.4-1.7多功能1.0-1.3电影院0.8-1.0高保真0.4-0.6录音室0.3-0.4赛宾(Sabine)公式赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。当室内声源声功率一定时，稳态时，在室内内距离为r的某点声压级可以预计，室内稳态声压级的计算公式为：混响半径：混响声能密度=直达声能密度=混响半径指向性因数：QQ=1,2,4,8三、吸声材料与吸声结构3.1吸声系数吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板吊顶。吸声系数定义：α=(E总-E反）/E总，即声波接触吸声介面后失去能量占总能量的比例。吸声系数永远小于1。同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同。一般常用100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。平均吸声系数：100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值降噪系数（NRC)：250Hz/500Hz/1000Hz/2000Hz吸声系数的平均值（四舍五入到0.5）吸声量或吸声系数的测量：1、混响室法αT=0.161V(1/T2-1/T1)/SA=0.161V(1/T2-1/T1)/n其中：V混响室体积S材料表面积n吸声体个数T1空室混响室混响时间T2防入材料后混响时间2、驻波管法：利用在管中平面波入射波和反射波形成极大声压Pmax和极小声压Pmin推倒出α0α0=Pmin/Pmax3、αT和α0的值有一定差别，αT是无规入射时的吸声系数，是正入射时的吸声系数。α0工程上主要使用αT材料吸声系数实验报告。标准:GBJ75-84报告中必须指明材料规格型号及安装方法。报告中可以读出平均吸声系数和降噪系数。有时吸声系数会大于等于1，主要是由于实验室或安装时边缘效应造成。3.2多孔材料的吸声机理•多孔吸声材料，如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能，不是因为表面粗糙，而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。•当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。•多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。错误认识一：表面粗糙的材料，如拉毛水泥等，具有良好的吸声性能。错误认识二：内部存在大量孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。1、随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大（