1建筑物理Ⅲ(声)一章基本知识

1建筑物理Ⅲ(声)冷御寒2绪论3（1）厅堂音质设计给各种听音场所（厅堂）或露天场地提供产生、传播和收听需要的声音的最佳条件，获得优美的音质环境。(2)噪声控制——去除不需要的声音排除或减小噪声和振动的干扰，获得安静的环境。一、建筑声学的任务4（1）大量厅堂建筑的建造，建设量大，要求高（2）设计观念的转变，流动空间、开敞办公等（3）新型轻质材料的应用，预制构件的应用，只注重结构轻质而忽视声学（4）室内本身噪声源增加，键盘、风扇、压缩机、冷却塔、吸尘器、碎纸机等（5）室外噪声源的增加，小汽车、轻轨、地铁、卡车和社会噪声等二、当前设计中存在的若干声学问题5（１）《建筑物理》西安建筑科技大学，华南理工大学，重庆大学，清华大学四校合编西安建筑科技大学刘加平主编（２）《建筑物理》东南大学柳孝图主编（３）《建筑声学设计原理》华南理工吴硕贤编著（４）《建筑声环境》清华大学秦佑国王炳磷著（５）《建筑环境声学》Ｌ.Ｌ.多勒著三、使用教材和参考书6一、教学目的了解建筑声学的研究对象，掌握声音的基本特性和人耳的听觉特性，掌握声音的计量和声源特性。二、学时安排总学时：6学时学时分配：课堂讲授、作业，建筑声学简介——4课堂讨论——2第1章建筑声学基本知识7三、教学方法1、课程开始前的寒假布置作业：我身边的声环境和声学基本知识预习报告，2、第一堂课由学生讲授作业内容，3、课堂讨论和老师讲授。4、习题作业四、声学基本知识要点1、声波概念。2、声线3、声波的描述波长、频率、声速的范围，以及它们之间的关系。84、声音的计量——声功率、声强、声压、声功率级、声强级、声压级、响度、总声级（重点是A声级）、声压级的叠加。5、频谱、倍频程的概念6、声波的传播特点声波的反射、绕射（衍射）（重点）、透射、声波的聚焦、扩散及特点7、人耳的听觉特性声源的指向性、时差效应、双耳听闻效应、掩蔽效应、音调和音色。9一、声波及其描述1、声波：弹性介质中，机械振动由近及远的传播称为声波。2、声波存在条件：1）声源：不断振动的物体。2）弹性介质：传播振动状态的媒质。第1节声音的产生与传播103、声波的描述1）物理量的描述：波长入：振动在一个周期的时间所传播的距离。声波波长范围：1.7cm------17m频率f：质点在单位时间作完全振动的次数。人耳所能感觉到的频率大约在20——20000Hz之间声速C：声波在单位时间所传播的距离。11■声速的大小与介质的物理性质、温度有关。空气中：C=331+0.6θm/s■通常室温下空气中的声速为340M/S.■声波、波长和频率之间的关系：=c/fC=f·122）几何描述声场：有声波存在的空间。波阵面：声波从声源出发，在介质中按一定方向传播，在某时刻声波到达空间各点之包迹面。形状：点声源——球面波线声波——柱面波面声源——平面波纵波——质点振动方向与声波的传播方向相平行；横波——质点振动方向与声波的传播方向相垂直；波阵面13声线：自声源发出代表声能传播方向的曲线，代表声音传播的方向，垂直于波阵面。仅在均匀、各向同性的介质中，声线是直线。声线的意义：声线代表了声传播的方向但不考虑波动性，因此声传播问题得到了简化，它是一种研究声传播规律的简明工具。几何声学：用声线来研究声传播的声学。1415相同点不同点振动：机械运动质点平衡位置往返，能量守恒声波：机械振动若干质点，各自平衡位置往返能量传递3）、声波与振动的区别161、声的绕射（衍射）（补：惠更斯原理）1）现象：隔障碍物可听到声音2）定义：声波在经过障碍物时，其传播方向要发生改变，能绕过障碍物继续前进的现象。3）结论：障碍物尺度与声波波长相比足够大，该物体对声传播才有影响，才能改变声的传播方向。特点：声波的频率越小，波长越长绕射的现象越明显。举例：在建筑中由于声音的绕射造成的危害二、声波的传播特性17惠更斯原理：在任一时刻，波阵面上的各点都可以看作一个发射于波的新波源，在下一时刻，这些子波的包迹面就是实际波源在此刻的新的波阵面。二、声波的传播特性18192、声的反射1）现象：在较大的障碍物前（如墙等）或封闭空间中，听见的声音较旷野里大，甚至声源关闭后，声音较长时间才消失。2）定义：声波传到两个介质分界面时，部分声波从界面返回原介质的现象。3)反射条件：障碍物—反射板的尺度充分大（大于波长）。204）反射定律a反射线、入射线、法线在同一平面。b反射线、入射线在法线的两侧c反射角=入射角5）典型反射面的应用平面——镜象反射凹面——形成声聚焦凸面——声扩散（尺度应与入比较）21OO反射入射角i等于反射角iOO特点：1、反射波就象从声波的映象---O’发出似的。O’------O对称。2、声线入射角等于反射角。22233、声的透射1）现象：隔墙可以听到声音2）定义：声传播过程中，部分声能被反射、部分被吸收、部分透过障碍物继续传播本课程重点研究它的反面——不透声——隔声244、吸声概念1）声传播的能量分配Eo=Er+E+E能量守恒2）反射系数r=Er/Eo透射系数=E/Eo3）吸声系数=1-r概念：从入射声能所在空间考虑，除反射声以外，均不会引起该空间声场的变化，故认为除去反射声的声能以外，均视为被围护结构所“吸声”。定义：=（Eo-Er）/Eo=（E+Er）/Eo问题：窗洞的吸声系数多少？吸声系数不等于吸收系数！！！255、声的干涉1）现象在同一空间中可能出现的随位置的不同声能分布不均匀，声音从而随位置变大或变小，甚至声音沉寂的区域。2）定义：两种频率相同，相位相同或相位差固定的两列波叠加，在重叠区域某些位置振动加强，另一些位置声振动减弱的现象。3）结果：使声场分布极不均匀。266、大气的影响1）声折射从地表到几十公里的高空，空气的温度与密度随高度而变化，由于它们的不均匀性，从而大气层中的声速也是随位置而变化的。由波的传播特性可知，声波将发生向声速较小的介质层折射。27白天：在太阳的热辐射下，地表很热，空气的温度随高度增加而逐渐减小，所以在白天地面附近的空气层中声线向上弯曲，这样在水平方向上声传播距离减小，听闻不佳。夜间：地表向空中辐射能量（长波）迅速冷却，从而空气的温度随高度的增加而增加。从高空到地面声速随高度减小而减小，声线向下弯曲。在水平方向上声传播距离增大，听闻效果好。问题：在设计露天剧场时可以如何利用此特性？28白天气温随高度增加而减小，直到约40Km高空，再向上由于该层大气强烈吸收紫外线，而气温又上升，因此在40公里以上高空由于气温的升高，又折向地面——故出现异常听闻区域。2）空气的吸收由于空气分子间存在摩擦和热传导，使一部分声能转化为热能被消耗，其宏观表现为空气的吸收。29第一节总结30声波声音振动在弹性介质中传播声源：振动的物体声波的描述声波的传播特性声波的绕射声波的吸收声波的反射波长频率声速声线声波波长越长绕射的现象越明显。声波的波长应大于或相当于反射板的尺寸。凹面声聚焦凸面声扩散平面反射吸声系数点声源面声源31问题：1、楼上楼下的住户之间传声，你认为是由于存在孔洞声音通过绕射现象造成的还是通过金属管由于金属传声很快造成的。2、绕射现象会造成哪些危害？与建筑设计有哪些联系？3、反射现象会造成哪些危害？又有哪些好处？与建筑环境设计有哪些联系？4、每种材料都有吸声的特性，你认为这种特性在建筑环境设计中会有哪些用途？321、声功率W：声源单位时间内声源向外辐射的声能（W瓦，W微瓦），声功率不等于电功率。1W声功率是最大值。12DDD第2节声的计量与人的听觉特性一、声功率W、声强I、声压P332.声强I：1）定义：单位时间通过垂直于声传播方向单位面积的声能量。2）符号：I单位：W/m23）运算：I=W/S声强描述了声能在空间的分布。点声源、自由声场：I=W/（4r2）343.声压1）定义：声波存在时压强与无声波时压强间的差值。声波通过时，大气压强的逾量值符号：单位：Pa,帕斯卡2）特点：标量。3）分类（测量）瞬时、峰值、有效值4）声强与声压的关系：popPPaPIDC2pIc22pDc12DDD22212ppp22212ppp2212()2pppρC——空气特性阻抗，ρC=415N.s/m3355）运算：由能量相加推导出声压运算规律加法I=I1+I2减法平均361.级的引入：1）声压变化数值范围大2)人耳对声的感觉特性人对声的感觉量近似与声压值的对数成正比。二、声功率级、声压级、声强级37声强的变化范围大约:1万亿倍声压的变化范围大约:1百万倍用声强、声压计量很不方便人耳的感觉变化与声强和声压不成正比例，而是近似地与他们的对数值成正比。由此引入了“级”的概念。级：主观与客观的结合。381.声功率级(dB)基准声强I0=10–12W2.声强级(dB)基准声强I0=10–12W/m23.声压级(dB)基准声压I0=2×10–5N/m20lg10WWLW0lg10WWLW0lg20ppPp250/102mNP0lg10IILI39E、级的运算实际问题中提出多个声源发声时相关的计量问题，如70dB与70dB的声叠加问题。4041用声压运算按级的定义推导级的运算法则。1、分贝相加：相同相加：2、分贝平均：3、分贝相减：424、运算特点：1）不同声压级叠加，总声压级较其中大者的增加值≤3dB。2）两个声压级间差值≥10dB（15dB）以上，总声压级较大者的增值≤0.5dB。实际问题中的意义是：较小声级可忽略不计。即对“干扰与不干扰问题。”的判断。问题：0分贝与0分贝相叠加，声压级为多少？声压增加1倍，声压级增加多少分贝？43声强与声功率的关系I=W/SW:声功率S：波阵面面积球面波声强与距离的平方成反比→每倍距离衰减6dB。441、声音既是一个客观物理量又是一个主观量。频率相同，强度（声压级）不同——响度不同强度（声压级）相同，频率不同——响度不同例：Lp=40dBf：1000Hz响〉100Hz判断：频率不同，声压级（强度）不同的两个声音其响度一定不同吗？三、响度级、总声级和A声级452、定义响度级A、选定标准声音：1000Hz（纯音）——Lp=50dBB、f1(2000Hz)（待测）——Ｌｐ＝48ｄＢf2(100Hz)(待测）——Ｌｐ＝59ｄＢ他们的响度级都是：50方定义：某频率声音的响度级等于根据听力正常的听音的听音判断为等响的1KHz纯音的声压级。单位：方1KHz的声压级为响度级463、等响曲线1）现象：人耳对不同频率的声音，同频率声压级强度不同的声音均有不同的感觉。这说明“耳”的主观性极大。测定：a对象18~25岁大量听力正常的青年b环境声学消声室c方法①听音者对声源，用两耳同时听，比较试听声音与1KHz的对照声，调节试听声与1KHZ的对照声，调节试听声使二者“等响”。然后测量听者不在时，其耳朵所在位置2种声音的声压级，取得一个等响点。4748②每个听者对若干频率和各声压级重复多次确定。③大量听者重复多次，然后统计平均。d将等响点连接就得到等响曲线。2）定义：听者认为响度相同纯音的声压级与频率间关系曲线。3）意义：利用等响曲线可以判断不同频率的声音，在“响”这个特征上的差别。49从等响曲线上能总结出何种规律？50特点：a、人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏感。b、低响度级曲线上，相应的各频率声压级变化较大。高响度级曲线上，相应各频率的Lp差别小，曲线较平直。c、响度级差10方，能量不一定差10倍，低频声更明显。。51d、可听阈不在1KHz0dB处，经准确测量——平均听阈1KHz是4.2dB处。即4.2方曲线为可听阈曲线。e、人耳对低频声的变化敏感。524、总声级1）、复合声评价a对各种复合声应有反映“人”主观感觉响度的大小，量度方法。b由等响曲线知不同频率的纯音对人耳刺激量的贡献不同，而且在高声级与低声级时有差异。高声压级时——不同f对响度的贡献相近低声压级时——不同f对响度的贡献差异大因此既要考虑声压级大小，也要考虑f。532）总声级——复合声所有频率的声音的