建筑环境学(7)

第七章建筑声环境BuildingSoundEnvironment声环境控制的意义创造良好的满足要求的声环境保证居住者的健康提高劳动生产率保证工艺过程要求录音棚、演播室高保真音乐厅建筑声环境学就是研究建筑环境中的噪声控制问题，学习的重点是声音产生与传播的基本原理和噪声的控制。第一节建筑声环境的基本知识声音的产生与传播过程包括三个基本因素：声源、传声途径和接收者。声源向其周围的介质辐射声能，声能以介质中的声波形式传播。声波通过传声途径（室外大气、房间中的空气、墙壁、楼板等）传播，最后通过空气传到接收者的耳朵，引起听觉而被感知。人耳对声音的感觉有三个表征量：音量大小、音调的高低与音色的不同，而这都与声音的物理特性密切相关。一、声波的基本物理性质1．声波和波动方程空气中的声波是一种压强波。因为声波而引起的空气压强的变化量称为声压p。声压P相对于静压强P0是一个很微小的量。大气静压强是105Pa的量级，而声压p是10-5～10Pa的量级。如果把空气看作是理想气体，即忽略空气的黏滞性和热传导，空气中的声压p满足下述波动方程：222222222zpypxpctp2．声速声波在介质中的传播速度，即声速，空气中的声速c与空气的压强和密度有关：(7-5)式中c—空气中的声速，m/s;P0—空气静压强，通常取101325Pa；γ—气体常数，对于空气γ=1.4；ρ0一空气密度，ρ0=1.29×273/Takg/m3，其中Ta为空气温度，K。00Pc空气中的声速可表示为：常温下（15℃）空气中的声速可取为340m/s。声波在不同的介质中传播速度不同，当温度为0℃时，不同介质中的声速为：松木：3320m/s软木：500m/s钢：5000m/s水：1450m/s2734.331aTc3．简谐声波、频率与波长波长)22cos(),(xftPtxpmλ为波长，m。频率f=c/λ(Hz)有一维波动方程的解：如果位置x固定，声压随时间的变化是一个余弦函数，即频率为f的简谐函数。人耳在该处听到的是一个简谐音（又称纯音），这样的声波被称为简谐声波，是声波中最简单、最基本的形式。f确定音调，声压幅值Pm确定声音的强弱，即响度的大小。简谐声波的频率越高，其波长就越短。常温下空气中的声速约为340m/s，则100Hz的简谐声波波长为3.4m，而4000Hz的声波，波长为8.5cm。人耳可以听见范围为20~20000Hz。人耳听不见的范围20Hz以下：次声；20000Hz以上：超声。高频声低频声中频声31.25Hz频率4．声音信号和频谱人耳接收到的空气中声压随时间的变化称为声音。简谐声波的声压随时间变化的规律是一个简谐函数，亦称作纯音信号。另有一种信号称为周期性信号，即每隔一确定的周期△T，信号就重复一遍。周期性声信号又称为复音，如管弦乐器发出的声音。其频谱图可以表示为在基频f0和2f0,3f0......–nf0……处的一系列高矮不等的竖直线，称为线状谱，又称为离散谱。复音音调的高低取决于基频，而音色取决于谐频分量的构成。图7-1基频为440Hz的小提琴频谱图人们所认为的噪声，一般不是周期性信号，不能用离散的简谐分量的叠加来表示，而是包含着连续的频率成分，表示为连续谱。图7-2几种噪声的频谱0dB的声音人耳能否听到？在建筑声学中，频带划分通常是以各频带的频程数n相等来划分。频程：把声频范围划分成几个频段，称作频程或频带。频程数n可表为，f2/f1=2n，频程数n为正整数或分数，n是几就是几个倍频程。国际标准化组织ISO和我国国家标准对倍频带划分的标准规定为：中心频率为31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000及16000Hz。5．波阵面与声线声波从声源出发，在同一个介质中按一定方向传播，在某一时刻，波动所达到的各点的包络面，即空间中相位相同的相邻点构成的面，称为波阵面。波阵面为平面的称为“平面波”，波阵面为球面的称为“球面波”。用“声线”表示声波传播的途径。在各向同性的介质中，声线是直线且与波阵面相垂直。二、声音的计量1．声功率、声强和声压（1）声功率w声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，单位为W或μW。声源声功率有时指的是在某个频带的声功率，此时需注明所指的频率范围。声源种类声功率声源种类声功率喷气飞机气锤汽车10000W1W0.1W钢琴女高音对话2000μW1000～7200μW20μW（2）声强I声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量，单位是W/m2。声场中某一点的声强，是指在单位时间内，该点处垂直于声波传播方向上的单位面积所通过的声能。在无反射声波的自由场中，点声源距声源中心为r的球面上的声强为：(7-12)式中w是声源声功率，W。24rWI图7-3声能通过的面积与距离的关系（a）球面波；（b）平面波（3）声压p所谓声压，是指介质中有声波传播时，介质中的压强相对于无声波时介质静压强的改变量，单位为Pa。任一点的声压都是随时间而不断变化的，每一瞬间的声压称瞬时声压，某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压。声压与声强有着密切的关系。在自由声场中，某处的声强与该处声压的平方成正比，而与介质密度与声速的乘积成反比，即：(7-13)cpI022．声功率级、声强级、声压级及其叠加可闻阈(听阈)——人耳刚能感受的声音，p0=2×10-5Pa，I0=1×10-12W/m2痛阈——闻之人耳则痛，p=20Pa，I=1W/m2声音武器145分贝噪音可致人瘫软(1)级的概念与声压级所谓级是做相对比较的量。如声压以10倍为一级划分，声压比值写成10n形式，从可听阈到痛阈可划分为l00～106共七级。n就是级值，但又嫌过少，所以以20倍之，把这个区段的声压级划分为0～120分贝（dB)。即：（7-14）式中Lp——声压级，dB；p0——参考声压，以可听阈2×10-5Pa为参考值。从上式可以看出：声压变化10倍，相当于声压级变化20dB。0lg20ppLp(2)声强级声强级也是以可听阈作为参考值，表示为：声强级LI的定义为(7-15)式中LI—声强级，单位dB；I0—参考声强，以可听阈10-12W／m2为参考值。在自由声场中，当空气的介质特性阻抗ρ0c等于400Ns/m3时，声强级与声压级在数值上相等。在常温下，空气的ρ0c近似为400Ns/m3，因此通常可认为二者的数值相等。0lg10IILI(3)声功率级声功率级的定义为：(7-16)式中LW—声功率级，dB；W0—参考声功率，10-12W。0lg10WWLw（4）声级的叠加当几个不同的声源同时作用于某一点时，若不考虑干涉效应，该点的总声强是各个声强的代数和，即：I=I1+I2+……+In(7-17）而它们的总声压（有效声压）是各声压的均方根值，即：(7-18)声压级叠加时，不能进行简单的算术相加，而要求按对数运算规律进行。n个声压级为Lp1的声音叠加，总声压级为：(7-19)22221nppppnLpnpLpplg10lg201021两个数值相等的声压级叠加时，声压级会比原来增加10lg2=3dB。这一结论同样适用于声强级与声功率级的叠加。此外，两个声压级分别为Lp1和Lp2（设Lp1≥Lp2），其叠加的总声压级为：L=3dB]101lg[1010/)(121ppLLppLL两个不同声源叠加，差别超过10～15dB，可以忽略。增加的声级数声源声级差【例7-1】测得某机器的噪声频带声压级,试求8个倍频程的总声压级。倍频程的中心频率（Hz)631252505001000200040008000声压级（dB）90951009382757070【解】声压级的大小依次为100,95,93,90,82,……(dB)，利用图7-4依次逐个叠加。3．声源的指向性当声源的尺度与波长相差不多或更大时，应看成有许多点声源的组成，叠加后各方向的辐射就不一样，因而具有指向性，在距声源中心等距离的不同方向的空间位置处的声压级不相等。声源尺寸比波长大得越多，指向性就越强。一种声源指向性的表示方法是以具有相同声功率的无方向性的点声源形成的声压场Lp0(r)作参考值，在离实际声源相同距离r处，某个方向（θ,φ）的实际声压级Lp(r,θ,φ)与参考声压级Lp0(r)之差，称为该点的指向性指数DI，单位为dB。指向性指数DI的分布往往需要通过现场实测来获得。另一种声源指向性指标叫做指向性因数Q，定义为实际声强I(r,θ,φ)与上述参考声场的声强I0（r）的比值。它与指向性指数DI存在这样的关系：DI=10lgQ。当无指向性点声源在完整的自由空间时，指向性因数Q等于1；如果无指向性声源是贴近一个界面如墙面或地面，声能辐射到半个自由空间时，Q等于2；在室内两界面交角处（1/4自由空间）时，Q等于4；在三个界面交角处（1/8自由空间）时，Q等于8。如果声源不是点声源，则其指向性因数与声源面积S0及频率f都有关。Ⅰ．房间中央、突出部分（自由空间）Ⅱ．墙（顶棚）中央；Ⅲ．墙角Ⅳ．三面交角上图7-5声源在空间里的指向性因数Q第二节人体对声音环境的反应原理与噪声评价一、人的主观听觉特性1.听觉机构通常声压级在120dB左右，人就会感到不舒服；l30dB左右耳内将有痒的感觉；达到140dB时耳内会感到疼痛；当声压级继续升高，会造成耳内出血，甚至听觉机构损坏。图7-7人耳的听觉范围2．听觉特性(1)人耳的频率响应与等响曲线人耳对2000～4000Hz的声音最敏感；在低于1000Hz时，人耳的灵敏度随频率的降低而降低；而在4000Hz以上，人耳的灵敏度也逐渐下降。相同声压级的不同频率的声音，人耳听起来是不一样响的。以连续纯音作试验，取1000Hz的某个声压级，如40dB作为参考标准，则听起来和它同样响的其他频率纯音的各自声压级就构成一条等响曲线，并称之为响度级为40方（Phon）的等响曲线。依次改变参考用的1000Hz纯音的声压级，就可以得到一组等响曲线。图7-8等响曲线测量声音响度级与声压级时所使用的仪器称为“声级计”。在声级计中设有A，B，C，D四套计权网络。A计权网络是参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低频不敏感的特性。C计权网络具有接近线性的较平坦的特性，在整个可听范围内几乎不衰减，以模拟人耳对85方以上的听觉响应，因此它可以代表总声压级。B计权网络介于两者之间，但很少使用。D计权是用于测量航空噪声的。图7-9A、B、C、D计权网络用声级计的不同网络测得的声级，分别称为A声级、B声级、C声级和D声级，单位是dB(A),dB(B),dB(C)和dB(D)。在音频范围内进行测量时，多使用A计权网络。（2）掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象叫“掩蔽效应”，听阈所提高的分贝数叫“掩蔽量”，提高后的听阈叫“掩蔽阈”。因此，一声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈，而且要超过其所在背景噪声环境中的掩蔽阈。一个声音被另一个声音所掩蔽的程度，即掩蔽量，取决于这两个声音的频谱、两者的声压级差和两者达到听者耳朵的时间和相位关系。图7-10中心频率为1200Hz的窄带噪声的掩蔽谱通常，频率相近的声音掩蔽效果显著；掩蔽音的声压级越高，掩蔽量越大，掩蔽的频率范围越宽；掩蔽音对比其频率低的声音掩蔽作用小，而对比其频率高的声音掩蔽作用大。（3）双耳听闻效应（方位感）同一声源发出的声音传至人耳时，由于到达双耳的声波之间存在一定的时间差、位相差和强度差，使人耳能够知道声音来自哪个方向。双耳的这种辨别声源方向的能力称为方位感。（4）听觉疲劳和听力损失人们在强烈噪声环境里经过一段时间后，会出现听阈提高的现象。听阈暂时提高，事后可以恢复的现象称为听觉疲劳。如果听阈的提高即听力下降是永久性不可恢复的，则称为听力损失。