第1章声环境设计基础知识

第3.1章建筑声学基本知识3.1.1声音声源的方向性3.1.1.1声音的产生和传播一、声源：通常把受到外力作用而产生振动的物体体称为声源。声源在空气中振动，使邻近的空气之产振动并以波动的方式向四周传播开来，传入人耳，引起耳膜振动通过听觉神经产生声音的感觉。在空气中，声源振动迫使其周围紧邻的空气质点产生往复振动，该振动迅速在空气中传播开来，这种振动的传播称为声波。声波为纵波，介质（空气等）的质点振动方向平行声波传播方向（疏密变化）。声波传播到人耳，引起人耳鼓膜的振动，带动听骨振动，由耳蜗、听神经等形成神经脉冲信号，通过听觉传导神经传至大脑听觉中枢，形成听觉。声波从声源发出，在同一介质中按一定方向传播，在某一时刻，波动所到达的各点的包迹面称为波阵面。波阵面为平面的称为平面波，波阵面为球面的称为球面波。声波的传播方向可用声线来表示。声线是假想的垂直于波阵面的直线，主要用于几何声学中对声传播的跟踪。•点声源——波阵面为球面，声音强度随着传播距离的增加而迅速减弱；当声源的尺寸较距离小很多时，可认为点声源。•线声源——波阵面为柱面，声音强度随着传播距离的增加而逐渐减弱；如很长的火车。面声源——波阵面为平面，声音强度不随传播距离的增加而减弱。海啸属。二、波阵面三、声源的指向性声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。四、频率、波长与声速描述声波的基本物理量f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）固有频率：：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m，声波完成一次振动所走的距离。C：声速，声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。在空气中声速：在0oC时，C钢=5000m/s,C水=1450m/s，C混凝土=3100m/s。在15oC时，C空气=340m/s参数间存在如下关系：c=f*或=c/f•人耳可听频率范围（听域）为20Hz-20KHz,20Hz为次声，20KHz为超声。其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz-4000Hz,相应的波长约3.4m-8.5cm3.1.2声音强弱的计量声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。)/(422mwrWI3.1.2.1声功率、声强、声压1、声功率：单位时间内物体向外辐射的能量W。（瓦或微瓦）声功率是声源本身的一种重要属性。人正常讲话——50W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。训练有素的歌手——5000-10000W。汽车喇叭——0.1W,喷气飞机——10KW。在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。2、声强：单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。对于点声源有：3、声压：指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化。符号P。单位N/m2(牛顿/米2)，或Pa(帕斯卡）3.1.2.2声压级、声功率级及其叠加由于以下两个原因，实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）。1）声压对人耳感觉的变化非常大1000Hz的声音，听觉下限Po=2×10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。声强低限为：10-12W/m2。2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。1、声压级Lp取参考声压为Po=2×10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：听觉下限：p=2×10-5N/m2为0dB能量提高100倍的P=2×10-3N/m2为20dB听觉上限：P=20N/m2为120dB2、声功率级Lw取Wo为10-12W,任一声功率W的声功率级Lw为：3、声强级：I0——基准声强，I0=10-12W/m2。4、声压级的叠加10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分别是：13dB,3dB,10dB.几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即：声压级为：课后作业：作业要求：必须抄题，包括选择题。选择题可能有多个答案。一、如果要求影院内最后一排观众听到来自银幕的声音和看到画面的时间差不大于100ms，那么观众厅的最大长度应不超过多少？二、人耳听觉最重要的部分为：A、20~20KHzB、100~4000HzC、因人而异，主要在50Hz左右D、因人而异，主要在1000Hz左右三、以下说法正确的有：A、0oC时，钢、水、空气中的声速约5000m/s、1450m/s、331m/s。B、0oC时，钢、水、空气中的声速约2000m/s、1450m/s、340m/s。C、气压不变，温度升高时，空气中声速变小。四、70dB+70dB+70dB+70dB=?五、请写出Lp1+Lp2+...Lpn的声压级计算公式，请划为最简。3.1.3声音的频谱与声源的指向性•3.1.3.1声音的频谱频谱——表示某种声音频率成分及其声压级组成情况的图形傅立叶理论及现代信号处理技术证明：理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。分立谱：如弦振动产生的声音。连续谱：谈话、机器的噪声，大多数的自然声。如何获得声音的频谱：使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。二、音乐(乐音)音调主要决定于声音的频率，频率越高，音调就越高；但它还和声压级和组成成分有关。乐器发出的复合声系由基音和谐音组成的，所有谐音的频率都是基音频率的整数倍，这样的复合声即使基音成分很弱，某音调的高度也是由基音频率决定的。低频泛音丰富，音色浑厚、坚实、有力中频泛音丰富，音色圆润、和谐、自然高频泛音丰富，音色明亮、清透、纯净如何获得声音的频谱：使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。•倍频程：通常将可闻频率范围内20~20Hz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十个，为：31.5631252505001K2K4K8K16K•1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：12.516202531.540506380100125160...三、噪声噪声是频率结构更复杂的声音。人耳听不出其中包含有任何谐音或音调的特征，但这种声音的主要频率是可以辨认的。噪音大多数是连续谱。对声音作测量时既可以对整个频率范围作测量，也可以在测量系统中利用电滤波器，把可听频率范围内的声音分段测量。可以用倍频带或1/3倍频带进行分析。3.1.4声音在户外的传播一、点声源随距离的衰减在自由声场中，声功率为W的点声源向外辐射的能量呈球状扩散，在与点声源距离为r处的声强度I的算式为I=W/4πr2。此处的声压级LP=LW-11-20lgr。由上式可知与声源的距离增加一倍，声压级降低6dB。二、线声源随距离的衰减1.无限线声源当许多点声源排成行时就可以看成为无限长的线声源。当线声源的单位长度的声功率为W，在与声源距离为r处的声强度I为I=W/2πr，该处的声压级为LP=LW-8-10lgr。因此距离增加一倍，声压级降低3dB。2.有限长线声源观测点所接受的声音能量与该点至有关声源两端点视线间的夹角成正比，而与距离成反比。距离较近时，距离每增加1倍，声压级降低3dB；距离较远时，距离每增加1倍，声压级降低6dB。三、面声源随距离的衰减如果观测点与声源的距离比较远，声能没有衰减。但在远离声源的观测点也会有声压级的降低，数值为3-6dB3.1.5声波的绕射、反射和散射•声波作为机械波，具有机械波的所有特征。有绕射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。•波阵面：声波从声源发出，在某一介质内按同一方向传播，在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。•球面波：点声源发出的波，声线与波阵面垂直。如人、乐器。•平面波：波阵面为平面的波，声源互相平行，如线声源，多个点声源叠排。声波的绕射声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。声波的反射当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。反射的规则：1）入射线、反射线法线在同一侧。2）入射线和反射线分别在法线两侧。3）入射角等于反射角。Li=L散射当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成散射。声波的透射与吸收声波具有能量，简称声能。当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。透射系数：反射系数：吸声系数：不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。3.1.6室内声学原理3.1.6.1声音在室外与室内的传播一、声波在室外空旷地带的传播规律随与声源距离的增加，声能发生衰减。对于点声源，有：距离增加一倍，声压级减少6dB。对于存在地面反射的情况，有：二、声波在室内封闭空间的传播与室外情况很不同。形成“复杂声场”。1、距声源同样的距离，室内比室外响些。2、室内声源停止发声后，声音不会马上消失，会有一个交混回响的过程，一般时间较短。夸张：“绕梁三日，不绝于耳”3、当房间较大，而且表面形状变化复杂，会形成回声和声场分布不均，有时出现声聚焦、驻波等。以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。三、建筑声学在室内声学中，可以用几何声学、统计声学和波动声学的理论加以分析。但对于建筑师来讲，可以少些关心复杂的理论分析和数学推导，重要的是在于弄清楚一些声学基本原理，掌握一些必要的解决实际问题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义。3.1.6.2声波在室内的反射与几何声学一、反射界面的平均吸声系数混响室界面全反射，声能在声音停止后，无限时间存在。普通厅堂房间等界面部分反射，声能在声音停止后，经过多次反射吸收，能量逐渐下降。消声室界面全吸收，声能在声音停止后，完全没有任何反射吸收，在接触界面后，声能立即消失。二、声音在房间内的反射三、室内声音反射的几种情况室内声学中，常利用几何作图的方法，主要研究一次或二次反射声分布情况。在使用几何声学方法时应注意两个条件：1）只考虑能量关系。2）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸应比声音的波长大得多。四、室内声音的增长、稳态和衰减从能量的角度，我们考虑在室内声源开始发声、持续发生、停止等情况下声音形成和消失的过程。3.1.6.3混响时间ReverberationTime(RT)一、什么是混响时间？室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。实际的混响衰减曲线。由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线，因此有时取T30或T20代替T60。二、赛宾(Sabine)公式赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。公式适用于：三、伊林（Eyring)公式4m:空气吸收系数，空气吸收=4mV当频率取=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关，通常取相对湿度60%,温度20oC时，4m为2KHz——0.0094KHz——0.022计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率四、混响时间计算的不确定性室内条件与原公式假设条件并不完全一致。1）室内吸声分布不均匀2）室内形状，高宽比例过大造成声场分布不均匀，扩散不完全