第1章_建筑声学基本知识

第1章建筑声学基本知识声音的产生声音的计量声音的频谱与声源的指向性人的主观听觉持性第一节声音的产生一．声音的产生与传播过程二．频率、波长与声速三．声波的特性四．声波的透射与吸收一、声音的产生与传播1.声源：声音来源于振动的物体，产生声音的振动物体称之为“声源”。2.声音的传播：声源发声后要经过一定的介质才能向外传播，而声波是依靠介质的质点振动而向外传播声能，介质的质点只是振动而不移动，所以声音是一种波动。介质质点的振动传播到人耳时引起人耳鼓膜的振动，通过听觉机构的“翻译”，并发出信号，刺激听觉神经而产生声音的感觉。3.如用小锤敲打音叉，音叉便会发生振动，并带动邻近的空气发生振动，当音叉向某一方向振动时，便压缩其邻近的空气发生振动，使之变密；当音叉向另一方向振动时，便反向拉伸这一部分空气，使之变疏，从而导致上述部分空气随着音叉的振动频率，产生一密一疏的周期变化，即形成振动。而后，其又带动较远部分的空气亦随之发生振动，使音叉的振动在空气中由近及远，向四面八方传播。4.设在一无限长的圆管内置一直径与圆管内径相同的活塞，并假设活塞与管壁的摩擦可以忽略，以外力作用于活塞使之产生振动当活塞受力离开静止位置向右方作一小位移时活塞右方的空气质点则被压缩而变得密集，具有一定的位能，同时运动的质点具有一定的动能。接着它就向右膨胀，挤压邻近的质点层，使之亦变得密集，由于质点的弹性碰撞，动能也随之传递过去。这样，邻近质点的运动又依次传向较远的质点，密集状态即逐层向右传播，以致离开声源的质点也相继运动。与此同时，紧挨活塞左侧的质点层由于活塞向右移动而变得稀疏。同样，这一稀疏层也逐层向左传播，下一时刻，当活塞作反方向运动时，它的左侧出现密集层，右侧出现稀疏层，这样，随着活塞不断地来回运动，它的两侧就相继形成疏密相间的质点层并逐渐向远处传播，此即为声波。5.产生声波的条件要有产生声振动的物体（声源）要有能传播声振动的载体（媒质）6.声波的类型波的传播过程中，空气质点的振动方向与波传播的方向相平行，称为纵波。若介质质点的振动方向与波传播的方向相垂直，则称为横波，如水的表面波。根据介质的不同，声音可分为空气声和固体声，通过空气传播的声音为空气声，通过固体传播的声音为固体声。二、频率、波长与声速周期：声源完成一次振动所经历的时间称为“周期”，记作T，单位是秒(s)。频率：一秒钟内振动的次数称为频率，记作f，单位是赫(Hz)，或周／秒，它是周期的倒数，即：f＝l／THz波长：声波在传播途径上，两相邻同相位质点之间的距离称为“波长”，记作λ，单位是米(m)。声速：声波在弹性介质中传播速度称为“声速”，记作C，单位是m／s。声速、波长和频率有如下关系：C=λ*f或C=λ/T当温度为0℃时，声波在不同介质中的速度为：松木3320m／s软木500m／s钢5000m／s水1450m／s声速不是质点振动的速度，而是振动状态传播的速度：它的大小与振动的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关。在空气中，声速与温度的关系如下：27314.331C)/(sm1.在一定的介质中声速是确定的，因此频率越高，波长就越短。通常室温下空气中的声速为340m／s(θ＝20℃)，(100一4000)Hz的声音波长范围大约在3.4m至8.5cm之间2.人耳能听到的声波的频率范围约在(20一20000)Hz之间。低于20Hz的声波称为次声,高于20000Hz的称为超声。次声与超声不能使人产生声音的感觉。三、声波的特性1、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，波动所达到的各点包络面称为“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”。由一点声源辐射的声波就是球面波，但在离声源足够远的局部范围内可以近似地把它看作平面波。人们常用“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。2．声波的绕射波在传播过程中遇到一块有小孔的障板时，如孔的尺度与波长相比为很小，小孔处的质点可近似地看作一个集中的新声源，产生新的球面波。它与原来的波形无关。当孔的尺度比波长大得多时，则新的波形较复杂。从图两个例子可以看出，当声波在传播途径中遇到障板时，不再是直线传播，而是能绕到障板的背后改变原来的传播方向，在它的背后继续传播，这种现象称为绕射。3．声波的反射当声波在传播过程中遇到一块尺寸比波长大得多的障板时，声波将被反射。如声源发出的是球面波，经反射后仍是球面波，图中用虚线表示反射波，就像是从声源的映像——虚声源发出似的，同一时刻反射波与入射波的波阵面半径相等。如用声线表示前进的方向，反射声线可以看作是从虚声源发出的。所以利用声源与虚声源的对称关系，以几何声学作图法就能很容易地确定反射波的方向。平面反射满足反射定律a)入射线、反射线和反射面的法线在同一平面内。b)入射线和反射线分别在法线的两侧。c)反射角等于入射角曲面反射a)凸面反射散声b)凹面反射聚声回声a)回声是一种特殊的反射声，当传到人耳的入射声与从较远的障碍物反射回来的声音时差大于50ms(1ms=1/1000s)，便可清楚地听到两种非常相似的声音。b)回声产生的条件：①足够的时间差②足够的声压级差混响a)混响：回声以外的其它反射声之和（叠加）为混响声，在围敝空间的声源停止发声后，由于界面的多次反射或散射而逐渐衰减的现象。b)混响时间：围敝空间的声源停止发声后，其声强减至原声强的百万分之一，即衰减60dB所经历的时间。四、声波的透射与吸收当声波入射到建筑构件(如墙、天花)时，声能的一部分被反射，一部分透过构件，还有一部分由于构件的振动或声音在其内部传播时与介质的摩擦或热传导而被损耗，通常称之为材料的吸收。根据能量守恒定律，若单位时间内入射到构件上的总声能为E0，反射的声能为Er，构件吸收的声能为Eα，透过构件的声能为Eτ，则互相间有如下的关系；E0＝Er十Eα十Eτ透射声能与入射声能之比称为“透射系数”，记作τ反射声能与入射声能之比称为“反射系数”，记作r，入们常把τ值小的材料称为“隔声材料”，把r值小的称为“吸声材料”。实际上构件的吸收只是Eα，但从入射波与反射波所在的空间考虑问题，常用下式来定义材料的吸声系数。：0EE0EE0011EEEEE课后作业教材P11：复习思考题4、5、6上次课主要内容回顾声音的产生与描述1、产生声波的条件2、声波的类型3、声速、波长和频率关系4、声速不是质点振动的速度，而是振动状态传播的速度，大小与振动的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关。5、人耳能听到的声波的频率范围约在(20一20000)Hz之间。6、声音的反射、透射与吸收；反射系数、透射系数、吸收系数；隔声材料与吸声材料第二节声音的计量主要内容提要声功率、声强和声压声压级、声强级、声功率级及其叠加一、声功率、声强和声压1．声功率声源辐射声波时对外作功，声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位为瓦(w)。声源声功率有时是指在某个有限频率范围所辐射的声功率(通常称为频带声功率)，此时需注明所指的频率范围。声功率不应与声源的其他功率相混淆。例如扩声系统中所用的放大器的电功率通常是几百瓦以至上千瓦，但扬声器的效率很低，它辐射的声功率可能只有零点几瓦。电功率是声源的输入功率，而声功率是声源的输出功率。一般人讲话的声功率是很小的，稍微提高嗓音时约50µw；即100万人同时讲话，也只是相当于一个50w电灯泡的功率。歌唱演员的声功率一般约为300µw，但水平高的艺术家则达(5000一10000)µW。2．声强声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。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的单位面积上所通过的声能，记为I，单位是w／㎡。在无反射声波的自由声场中，点声源发出的球面波，均匀地向四周辐射声能。因此，距声源中心为ｒ的球面上的声强为：I=w／4πr2对于球面波，声强与点声源的声功率成正比，而与到声源的距离平方成反比对于平面波，声线互相平行，同一束声能通过与声源距离不同的表面时，声能没有聚集或离散，即与距离无关，所以声强不变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，所以声压的单位就是压强的单位，即N／㎡，或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。如未说明，通常所指的声压即为有效声压。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。cpI02)/(2mW二、声压级、声强级、声功率级及其叠加在有足够的声强与声压的条件下，能引起正常人耳听觉的声音频率范围约为20Hz一20000Hz。对频率1000Hz的声音，人耳刚能听见的下限声强为10-12w／m2，相应的声压为2×10-5N／m2；使人感到疼痛的上限声强为1w／m2，相应的声压为20N／m2。可以看出，人耳的容许声强范围为1万亿倍，声压相差也达100万倍。同时，声强与声压的变化范围与人耳感觉的变化也不是成正比的，而是近似地与它们的对数值成正比，这时人们引入了“级”的概念。测量证明，人耳对于1000赫兹的声波只要其声强达到I0＝10－12瓦／米2，就能引起听觉。所谓级是做相对比较的无量纲量。声强级就是以人耳能听到的这个最小声强I0为基准规定的，并把I0＝10－12瓦／米2的声强规定为零级声强，也就是说这时的声强级为零贝尔（也是零分贝）。（贝尔本身是没有单位的，只是两个功率比的对数，但后来发觉常常会出现小数点，就又定出分贝，1分贝为1/10贝尔。）当声强由I0加倍为2I0时，人耳感到的声音强弱并没有加倍。只有当声强达到10I0时，人耳感到的声音强弱才增大一倍，这个声强对应的声强级为1贝尔＝10分贝；当声强变为100I0时，人耳感到的声音强弱增大2倍，对应的声强级为2贝尔＝20分贝；依此类推。人耳能承受的最大声强为1瓦／米2＝1012I0，它对应的声强级为12贝尔＝120分贝。级与分贝的概念1．声强级声强级则是以10-12w／m2为参考值，任一声强与其比值的对数乘以10记为声强级。0lg10IILI)(dB2、声功率级声功率以“级”表示便是声功率级，单位也是分贝(dB)。)(dB0lg10WWLW声压以“级”表示便是声压级，单位也是分贝(dB)。0lg20ppLp)(dB3．声压级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，该点的总声能密度是各声能密度的代数和，而它们的总声压(有效声压)是各声压的方根值。按对数运算规律，n个声压相等的声音，每个声压级20lgP/P0，它的总声压级为：从上式可以看出，两个数值相等的声压级叠加时，只比原来增加3dB，而不是增加l倍，这一结论同样适用于声能密度与声功率级的叠加。可以证明，两个声压级分别为LP1和LP2(设LP1≥LP2)其总声压级为)/(2mW)/(2mN)(dBnEEEE2122221nPPPPnppppnLplg10lg20lg2000)101lg(1010211ppLLppLL)(dB声压级的叠加计算亦可用表进行,表中查出声压级差(LP1一LP2)所对应的附加值，将它加在较高的那个声压级上，即得所求的总声压级。如果两个声压级差超过15dB，则附加值很小，可以略去不计。声强级、声功率级的叠加亦可用上述方法进行。表亦同样适用。当有几个数值进行叠加时，应按照从大到小的顺序，反复运用上述方法逐个叠加。第三节声音的频谱与声源的指向性声音的频谱频谱纯音与复音线状谱与连续谱声源的指向性一、声音的频谱频谱通常用以频率为横坐标、声压级为纵坐标的频谱图表示。一个单一频率的简谐声信号，又称纯音，其频谱图是一根在其频率标度处的竖线，竖线的高度表示其强度的声压级值。