建筑物理(声学复习)

第10章建筑声学基本知识1.声音的基本性质①声波的绕射当声波在传播途径中遇到障板时，不再是直线传播，而是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的现象。②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。③声波的散射（衍射）当声波传播过程中遇到障碍物的起伏尺寸与波长大小接近或更小时，将不会形成定向反射，而是声能散播在空间中，这种现象称为散射，或衍射。④声波的折射像光通过棱镜会弯曲，介质条件发生某些改变时，虽不足以引起反射，但声速发生了变化，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。白天向下弯曲夜晚向上弯曲顺风向下弯曲逆风向上弯曲⑤声波的透射与吸收当声波入射到建筑构件（如顶棚，墙）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介质的摩擦或热传导而被损耗（吸收）。根据能量守恒定理：0EEEE0E——单位时间入射到建筑构件上总声能；E——构件反射的声能；E——构件吸收的声能；E——透过构件的声能。透射系数0/EE；反射系数0/EE；实际构件的吸收只是E，但从入射波和反射波所在空间考虑问题，常常定义吸声系数为：0011EEEEE⑥波的干涉和驻波1.波的干涉：当具有相同频率、相同相位的两个波源所发出的波相遇叠加时，在波重叠的区域内某些点处，振动始终彼此加强、而在另一些位置，振动始终互相削弱或抵消的现象。2.驻波：两列同频率的波在同一直线上相向传播时，可形成驻波。2.声音的计量①声功率指声源在单位时间内向外辐射的声能。符号W。单位：瓦（W）或微瓦（W）。②声强定义1：是指在单位时间内，改点处垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能。定义2：在声波传播过程中单位面积波阵面上通过的声功率。符号：I，单位：W/m2dWIdS意义：声强描述了声能在空间的分布；衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。可听声强范围10-12W/m2——1W/m21．在无反射声波的自由场中，点声源发出的球面波，均匀向四周辐射声能，因此，距离声源中心为r的球面上的声强为：24WIr2．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1．定义：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，是一个标量，用P表示。2．单位：Pa(帕斯卡)，就是压强的单位，即N／m2。3．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。4．对于简谐波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以2，即：max2PP。5．声压与声强关系：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：20PIcP——有效声压，N／m2；0——空气密度Kg／m3；c——空气中的声速，m／s；0c——空气的介质特性阻抗。④声能密度1．定义：声强为I的平面波，在单位面积上每秒传播的距离为c，则在这一空间声能密度D为：IDc（W.s/m3或J/m3）2．声能密度只能描述单位体积内声能的强度，与声波的传播方向无关，应用于反射声来自各个方向的室内声场时，最为方便。3.声压级、声强级、声功率及其叠加①声压级以10倍为一级划分，从闻阈到痛阈可化为100~106七个等级。(20倍之)0lg20pPLP（dB）P——某点声压，N/m2；0P——参考声压，取2×10-5N/m2为参考值。②声强级以10-12W/m2为参考值。（10倍之）0lg10IILI（dB）③声功率级将声功率以“级”表示，便是声功率级，单位也是分贝。0W——参考声功率，10-12W。0lg10WWLW注意：要特别指出的是声强级、声压级、声功率级和声强、声压、声功率是不同的概念，以分贝为单位的各种“级”只有相对比值的意义，其数值大小与所规定的基准值有关。④声级的叠加当几个不同的声源同时作用与某一点时，若不考虑干涉效应，该点的总声能密度是各个声能密度的代数和。12nEEEE（W/m2）它们的总声压（有效声压）为各声压的均方根值，即：22212nPPPP（N/m2）声压叠加时，不能进行简单的算术相加，而要求按照对数运算规律进行。2221100...20lg20lgnpPPPPLPP31222222020202020lg(10)(10)(10)...(10)nLpLpLpLp3120.10.10.10.110lg(101010...10)nLpLpLpLp⑤响度，响度级如果某一声音与已选定的1000Hz的纯音听起来同样响，这个1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的“响度级”。响度级的单位为方（Phon）。⑥声音的频谱声音往往包含多个频率，所有频率的集合成为频谱。种类：线状谱：若干纯音组成（乐音）。连续谱：由所有频率的声音组成。如机器设备发出的噪声，一般不能用离散的简谐分量表示频程：通常频带划分方式通常不是在线性标度的频率轴上等距离划分频带，而是以各频带的频程数n来划分。2210log()1fnf即221nff2f——上界频率；1f——下界频率。⑦声源的指向性1当声源的尺度比波长小的多时，可以看做物方向性的“点声源”，在距离声源中心等距离处的声压级相等。2当声源的尺度与波长相差不多或更大时，它就不是点声源，可看成由许多点声源组成，叠加后各方向的辐射就不一样，因而具有指向性，在距离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。3声源尺寸比波长大的越多，指向性就越强。4.人耳听觉特性①最高和最低的可听频率极限：20~20000Hz②最小与最大的可听声压级极限：0-120dB。声压级在120dB左右，人就会感到不舒服；130dB耳朵内将由痒痒的感觉；140dB耳朵疼痛；继续升高将造成而出血，损坏听觉机构。③最小可辨域（差域）：在频率为50-10000Hz之间的任何纯音，在声压级超过可听域50dB时，人耳大约可以分辨出1dB声压级变化。在理想的隔音室中，用耳机提供声音时，中频范围内，人耳能觉察到0.3dB的声压级变化。④哈斯效应哈斯效应反应了人耳听觉特性的两个方面:1.听觉暂留，2.声像定位。声觉暂留:人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。声像定位：判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。哈斯效应：直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”。⑤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。①频率相近的纯音掩蔽效果显著；②掩蔽音的声压级越高，掩蔽量越大，掩蔽的频率范围越宽；③低频音对高频音掩蔽作用大，高频音对低频音掩蔽作用小；⑥双耳听闻效应（听觉定位）人耳的一个重要特性就是能够判断声源的方向和远近。双耳定位能力有助于人们在存在背景噪声的情况下倾听所注意的声音。由于人耳位于头部两侧，约距20cm，声音到达双耳有微小的时间差，强度差和相位差，使人能辨别声音的方向，确定声源的位置。①频率1400Hz强度差起主要作用。②频率1400Hz时，时间差起主要作用。③人耳对水平方向方位的辨别能力强于垂直方向。第11章室内声学原理1.室内声场①室内声场的特征①距声源有一定距离的接收点上，声能密度比在自由声场中要大，常不随距离的平方衰减。②声源在停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在来自各个界面的迟到的反射声，产生所谓“混响现象”。③此外，由于房间的共振，引起室内声音某些频率的加强或减弱，由于室的形状和内装修材料的布置，形成回声，颤动回声及其他各种特异现象，产生一系列复杂问题。②几何声学：忽略声音的波动性质，以几何学方法分析声音能量的传播、反射、扩散的叫“几何声学”。“波动声学”（物理声学）：着眼于声音波动性的分析方法。优点：波动声学的方法只能解决体型简单、频率较低的较为单纯的室内声场情况的分析。而几何声学则可以分析界面形状和性质复杂多变的室内声场空间。③扩散声场的假定假定声源在连续发生时声场时完全扩散的。所谓扩散，包含两层含义：①声能密度在室内分布均匀，即在室内任一点上，其声能密度都相等。②在室内任一点上，来在各个方向的声能强度都相同。基于上述假定，室内内表面上不论吸声材料位于何处，效果都不会改变；同样，声源与接收点无论在室内什么位置，室内各点的声能密度也不会改变。因此，在扩散声场中，在室内任一表面的单位面积上，每秒钟入射的声能为：4cID（W/m2）④室内声音的增长、稳态和衰减室内声场声能变化方程：4dDcDAVWdt1.增长公式：44(1)cAtVWDecA2.稳态公式：04WDcA.3.衰减公式：40cAtVDDe2.混响和混响时间计算公式声源在停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在来自各个界面的迟到的反射声，产生所谓“混响现象”。混响时间：声能密度衰减60dB所需的时间。其为评价室内声音特性的参数.①赛宾的混响时间计算公式600.161VVTKAAiiAS适用范围：室内总吸声量较小、混响时间较长情况。②依林的混响时间计算公式依林理论认为：反射声能不像赛宾公式所假定的那样连续衰减。而是声波与界面每碰撞一次就衰减一次，衰减曲线呈台阶形。即考虑界面吸收不是连续的，反射声能密度呈阶梯形衰变。0.161ln(1)ln(1)KVVTSS分析：①室内表面平均吸声系数较小（0.2）时，赛宾公式和依琳公式可以得到相近结果。②室内表面平均吸声系数较大（0.2）时，只能用依琳公式较为准确计算室内混响时间。③依林-努特生公式对频率较高的声音，在传播过程中，空气的吸收作用不能忽略，而空气的吸收与空气的温度和湿度有很大的关系。0.161ln(1)4TVVmS其中，4m——空气吸收系数。3.室内声压级计算与混响半径①室内声压级计算当室内一点声源发声，且假定声场充分扩散时，则利用以下稳态声压级公式计算离开声源不同距离处的声压级，即：2410lg()4pwQLLrR（dB）或者：2410lg10lg()1204pQLWrR（dB）wL——声源的声功率级，dB；W——声源的声功率，W；r——离开声源的距离，m；Q——声源指向性因数；1SR——房间常数；Q（声源指向性因数）与声源的方向性和位置有关（如右图）：②混响半径室内声能密度由两部分构成：第一部分为直达声，相当于24Qr表述部分；第二部分为扩散声，或称混响声（包括第一次及以后的反射声），即4R表述部分。当直达声项与混响声项相等时，接收点距离声源的距离0r称之为“混响半径”，或称“临界半径”。2044QrR或：00.14rQR①房间常数越大，则室内吸声量越大，混响半径就越长；R越小，则正好相反，混响半径就越短。②对于听着而言，要提高清晰度，就要求直达声较强，因此常采用指向性因数Q较大（10左右，有时更大）的电声扬声器。4.房间共振和共振频率①矩形房间的共振222,,()()()2xyzyxznnnxyznnncfLLL②简并：在某些振动方式的共振频率相同时，就会出现共振频率重叠现象，或称之为共振频率的“简并”。在出现“简并”的共振频率范围内，将使那些与共振频率相当的声音被大大加强，导致室内原有的声音产生失真（亦称为频率畸变），表现为低频产生嗡声，或产生“声染色”避免“简并”现象的发生措施：①尽量使房间的长、宽、高不出现简单的比例关系；（如上图）②两个相对的表面尽量不要完全平行；③在厅内部可以采取不规则的扩散表面；④可采用不对称的空间体型。第12章材料和结构的声学特性1.吸声①吸声系数:材料的吸声系数是指被吸收的声能（或没有被表面反射的部分）与入射声能之比。它是用来表征材料和结构吸声能力的基本参量。以表示为：00rEEE0E——入射到材料和结构表面的总声能，J；rE——被材料反射回去的声能，J。②吸声量用来表征某