建筑环境学第7章建筑声环境

第七章建筑声环境清华大学建筑学院建筑技术科学系2本章内容建筑声环境的基本知识人体对声环境的反应原理与噪声评价声音传播与衰减的原理材料与结构的声学性能噪声的控制与治理方法3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高保真音乐厅第一节建筑声环境的基本知识声波的基本物理性质声音的计量1.声音是什么？在弹性媒质中传播的机械波声源：振动的固体、液体、气体特性：波长λ、频率f、声速c波长λ注意：•声压是空气压强的变化量而不是空气压强本身•声音传播过程是一个状态传播过程，而不是空气质点的输运过程fc=λ《礼记·乐记》：……感于物而动，故形于声……6声音的传播速度声速与媒质的弹性、密度和温度有关空气中的声速：理想气体中k绝热指数，R气体常数，T绝对温度。空气中声速是温度的单值函数。在建筑环境领域中变化范围很小，近似：340m/s固液体中的声速钢5000m/s松木3320m/s水1450m/s软木500m/skRTc=7-1.1声波的基本物理性质7声音的频带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7-1.1声波的基本物理性质8声音的频带简谐音（纯音）声压变化为只有一个频率的余弦函数的声音只需要频率f和声压幅值Pm就可以描述复音周期性信号，含有基频和谐频，谐频是基频的整倍数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——线状谱(离散谱)普通声响频谱一般为连续频谱7-1.1声波的基本物理性质9乐声的线状谱音调的高低取决于基频，而音色取决于谐频分量的构成7-1.1声波的基本物理性质基频谐频880,1320,1760,2200,2640,3080,3520……10普通声响频谱一般为连续频谱7-1.1声波的基本物理性质11声音的频带频程把声频范围划分成几个频段，称作频程或频带倍频程两个频率之比为2:1的频程。一般用倍频程划分频带，中心频率分别为：31.3(31.25)、63(62.5)、125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz。7-1.1声波的基本物理性质12声音的计量声功率W：声源在单位时间内对外辐射的声能，即在全部可听范围所辐射的功率，单位W。也可特指在某个有限频率范围所辐射的功率，亦称频带声功率。声强I：单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的平均声功率，W/m2。声压p：声波的压强与媒质的静压之差，PacpIρ2=媒质的密度7-1.2声音的计量13听觉范围——量级差非常大可闻阈(听阈)——人耳刚能感受的声音p0=2×10-5PaI0=1×10-12W/m2疼痛阈——闻之人耳则痛，p=200Pa，I=100W/m27-1.2声音的计量烦恼阈——闻之烦恼不安p0=20Pa，I0=1W/m214声音的度量分贝标度和声级L，单位dB设立的必要性数据范围太大，如2×10－5Pa~20Pa，I0=1×10-12W/m2人的听觉响应与声强、声压呈对数关系声强级声压级声功率级0lg10IILI=0lg20ppLp=0lg10WWLw=可闻阈值1×10-12W7-1.2声音的计量15声源的扩散和叠加特性点声源的声功率和声强：声音球面扩散声强可以直接叠加，故有:总声压是各声压的均方根:iII∑=2ipp∑=24rWIπ=rW7-1.2声音的计量球面波平面波16声源声级叠加：非线性！两个声源叠加(I、P、W声级同理)：n个相同声源L1叠加：)101lg(1010121LLLL−−++=nLLlg101+=∆L=3dB7-1.2声音的计量两个相同声源叠加，声级增加了10lg2=3dB17两个不同声源叠加，差别超过10~15dB，可以忽略。增加的声级数声源声级差7-1.2声音的计量18声源的指向性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指向性指数DI——在离声源相同距离r处，某个方向的实际声压级Lp(r,θ,φ)与参考声压级Lp0(r)之差:Lp-Lp0(r)指向性因数Q——实际声强I(r,θ,φ)与参考声强I0(r)的比值:I/I0Q与指向性指数DI的关系：DI=10lgQrrrr参考声压Lp0(r)参考声强I0(r)无方向性的点声源形成的声压场7-1.3声源的指向性19HzmHzm7-1.3声源的指向性指向性因数Q声源尺寸比波长大得越多，指向性就越强指向性与边界对声波自由扩散的阻碍有关处于喇叭状角落，指向性最强S0为声源面积，f为频率，I～IV是声源的4种位置第二节人体对声环境的反应原理与噪声评价1.人的主观听觉特性2.噪声的评价3.噪声的标准21人的主观听觉特性什么是噪声？人们不愿意听到的任何声音空气声：经空气和围护结构传播固体声：振动噪声7-2人体对声环境的反应原理与噪声评价22听觉机构7-2人体对声环境的反应原理与噪声评价自由场最小可听阈烦恼阈疼痛阈23人耳的听觉特征特征：对高频声比对低频声敏感响度级：用1000Hz纯音的声压级代表其等响曲线的响度级，单位Phon等响曲线听阈痛阈7-2.2听觉特性24声级计：A、B、C、D计权网络声级计为模拟人耳听觉而进行滤波，分别模拟人耳对40方、70方和100方纯音的反应而得到A、B、C三种计权方式。D计权用于测量航空噪声。对不同的频率有不同的衰减。1000Hz的衰减均为是0。7-2.2听觉特性25掩蔽效应一种声音存在提高了另一种声音的可闻阈频率相近则掩蔽作用显著对高频掩蔽作用比对低频掩蔽作用大有利有弊弊：听不清要听的内容，降低工作效率利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率26掩蔽效应适合的掩蔽背景声的特点无表达含义响度不大连续无方位感掩蔽背景声低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声轻微的音乐声隐约的语言声7-2.2听觉特性27打电话声打电话声打电话声打电话声干扰大干扰大干扰不大干扰不大谈话声谈话声电话铃声电话铃声空调声空调声周围同事工周围同事工作的声音作的声音办公设备声办公设备声统计率统计率(%)(%)打电话声打电话声打电话声打电话声干扰大干扰大干扰不大干扰不大谈话声谈话声电话铃声电话铃声空调声空调声周围同事工周围同事工作的声音作的声音办公设备声办公设备声统计率统计率(%)(%)打电话声打电话声打电话声打电话声干扰大干扰大干扰不大干扰不大谈话声谈话声电话铃声电话铃声空调声空调声周围同事工周围同事工作的声音作的声音办公设备声办公设备声统计率统计率(%)(%)打电话声打电话声打电话声打电话声干扰大干扰大干扰不大干扰不大谈话声谈话声电话铃声电话铃声空调声空调声周围同事工周围同事工作的声音作的声音办公设备声办公设备声统计率统计率(%)(%)日本办公楼噪声干扰感觉的调查7-2.2听觉特性28噪声评价：A声级用A计权方式测得的噪声级称作A声级，是一个综合叠加得到的单一的数值。环境噪声响度多在40方上下，故A声级能够较好地反映人对噪声的主观反应。A声级LA(或LpA)针对稳态噪声。对于一个噪声的倍频带谱：7-2.3噪声的评价∑=+=niALAiiL120/)(10lg10修正值29噪声评价：A声级等效连续A声级针对声级随时间变化的噪声，在一段时间内能量平均的等效声级累积分布声级LX用随机噪声声级出现的累积概率来表示例如L10＝70dB，表示有10%的测量时间内声级超过70dB7-2.3噪声的评价60)(2901050,LLLLTAeq−+=−=∫21101210110tttLTAeqdtttLA/)(,lg=∑∑==NiiniLiTAeqTTLAi1110/,/10lg10离散噪声30噪声评价曲线：NR(NoiseRating)单值A声级不能反映噪声的频谱特性NR曲线：中国、欧洲常用，ISO推荐考虑了低频噪声难消除的因素LA=NR+5dB7-2.3噪声的评价31噪声评价曲线：NCNC曲线(NoiseCriterionCurves)，Beranek于1957年提出，1968年开始实施。ISO推荐，英、美、日常用。对低频的要求比NR曲线苛刻LA=NC+10dBNC＝NR－57-2.3噪声的评价32噪声评价曲线：PNCPNC(PreferredNoiseCurves)是对NC曲线进行的修正对低频部分更进一步进行了降低PNC=3.5+NC7-2.3噪声的评价33我国的室内噪声标准房间类型NR(dB)A声级dB(A)卧室、书房、病房35~45≤40~50起居室40~45≤40~50语言教室35≤40一般教室45≤50门诊室50~55≤55~60手术室40~45≤40~50宾馆客房30~45≤35~50会议室3035学术报告厅、阅览室2530室内乐、演唱厅2025办公室3540宴会厅35407-2.4噪声的标准第三节声音传播与衰减的原理35声音的传播规律遇到障碍物：反射、散射、衍射(绕射)A⇒E障碍物相对波长的尺度由大至小7-3.1声音传播与衰减的原理36声音的透射和吸收吸收透射吸收透射7-3.1声音传播与衰减的原理反射入射透射系数反射系数吸声系数τ1lg=R围护结构隔声量：一般情况下，透射部分的能量要小于反射部分的能量τ值小的材料称为“隔声材料”；γ值小的称为“吸声材料”线声源点声源在自由声场中，声压级随与声源距离的衰减与声源的距离（m）37在自由场的声音的传播和衰减对于点声源相对参考值ππ4lg10lg2041lg102−−=+=rLrLLwwP≈117-3.2声音在室外空间的传播6dB3dB38声音在室内空间中的传播室内声场由直达声与多次反射声组成声音比自由声场大，且不随距离平方衰减有“混响现象”平均吸声系数室内声级随时间t衰减的量7-3.3声音在室内空间的传播)1lg(410lg10)(0atVcSDDtLt−−==∆房间容积房间界面总面积39声能密度Dt，J/m3声音在室内的增长和衰减室内吸声量越大，衰减越快房间容积越大，衰减越慢7-3.3声音在室内空间的传播)1ln(161.060aSVT−−=停止发声后衰减60dB的时间称为混响时间：40rrLpLpLWLWS0为声源面积，f为频率，I～IV是声源的4种位置指向性因数QAB室内的声压级室内某点声压级Q－指向性因数，取决与声源与接收点的相对关系R－房间常数S－房间总表面积a－平均吸声系数)44lg(102RrQLLWp++=πaaSR−=1室内的声压级吸声降噪：当房间界面吸声系数R很小时；进行吸声处理，增加界面吸声系数R，就可以使Lp减小，达到降低噪声的效果但是，吸声增加，不能改变直达声，即不会改变24rQπ42思考题1两个声压级为0dB的噪声合成的噪声是否仍然是0dB?等响曲线与NR、NC曲线有什么异同？房间在何种条件下房间声压级与声源声功率级之间的关系是？)41lg(102rLLWpπ+=第四节材料与结构的声学性能44吸声材料和吸声结构吸声材料的吸声系数和吸声量吸声系数a：吸收声占入射声的比例吸声特性和声波入射角度有关——均匀方向的称作“无规入射”或“扩散入射”室内声学设计中通常用扩散入射吸声系数而在消声器设计中通常用垂直入射吸声系数同一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。吸声构件的实际吸声量与吸声构件的围蔽面积有关：A＝aS7-4材料与结构的声学性能45吸声材料和吸声结构多孔吸声材料微孔很多且相互连通，吸收多，反射少，效果好，如纤维板、毛毡、矿棉微孔靠得很近却不相通，效果不好，如泡沫树脂、多孔橡胶共振吸声结构薄膜、薄板共振吸声结构空腔、穿孔板共振吸声结构空间吸声体7-4材料与结构的声学性能46吸声材料吸声原理声波导致空气在吸声材料中行进、反射、折射过程中产生摩擦而损耗声能，转变为热能吸声材料也容易透声7-4.2吸声材