第二讲声环境设计的基本知识

2.1声音的基本性质2.1.1声音的产生和传播声音产生于振动，振动的物体是声源。“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播•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。振动与波动2.1.2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）：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在15oC时，C空气=340m/s参数间存在如下关系：c=f*或=c/fuser:声源、介质质点、声接收点的振动频率相同；传播的振动形式而非质点。•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~8.5cm2.1.3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。2.1.4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：EEEEoEoEiEoErEoEiEaEoErr11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。2.2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。•2.2.1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）)/(422mwrWI2.2.2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。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：)(log2010dBPoPLp)(log1010dBWoWLw3、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：22221...nPPPP220220222012212110...1010lg20...lg20lg20LpnLpLpnPoPPPPoPLp)(log2010dBPoPLp2.3声音的频谱与声源的指向性•2.3.1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。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，共十一个，为：1631.5631255001K2K4K8K16K•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...2.3.2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。2.4人耳的主观听觉特性•人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导2.4.1听觉范围•最高最低频率可听极限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。•最小最大可听极限人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。•最小可辩阈（差阈）声压级变化的察觉：一般是1dB3dB以上有明显感觉频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。2.4.2听觉定位•人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。•人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。•人耳的水平方向感要强于竖直方向感。•通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。2.4.3哈斯(Hass)效应•人耳有声觉暂留现象，人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。•如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。•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”——哈斯效应。•根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。2.4.4掩蔽效应•人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。•一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。•低频声对高频声的掩蔽作用大。2.4.5人耳频率响应与等响曲线•人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于底于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。•不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。•以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。•响度单位是“方”。•随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同声压级高，相对变化感觉小；声压级低，相对变化感觉大。2087dB31.575dB6358dB12545dB25043dB50042dB1K40dB2K36dB4K32dB8K48dB40方等响声级•线性声级（L声级）将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。2030dB31.535dB6340dB12545dB25050dB50051dB1K52dB2K52dB4K52dB8K40dB16K38dB20K30dBL声级58.8dBA声级A声级是使用40方等响曲线作为计权网络对频谱进行加权，之后再进行频带叠加。A声级对500Hz以下的声音进行较大衰减，模拟人耳对低频不敏感的特性。A声级的数值单位表示是dB(A),如60dB(A)。频率声压级加权值加权后2030dB-50.5-20.531.535dB-39.4-4.46340dB-26.213.812545dB-16.128.925050dB-8.641.450051dB-3.247.81K52dB0522K52dB1.253.24K52dB1.0538K40dB-1.138.916K38dB-6.631.420K30dB-9.320.7A声级58.1dBA、B、C、D计权网络A:模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。B:以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。C:以85方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。D:主要用于航空噪声测量。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、声音的物理计量中采用级的概念，为什么？三、试证明在自由场中，Lp=Lw-20lgr-11。式中，Lw为声源的声功率级，Lp为距声源r米处的声压级。四、要求距广场上扬声器40m远处的直达声声压级不小于80dB，如把扬声器看作是点声源，它的声功率至少为多少？声功率级是多少？五、下列纯音相当于多少方？频率1000Hz2000Hz5000Hz100Hz50Hz声压级40dB30dB60dB80dB67dB六、一厂房测得机械噪声声压级为94dB,关掉机器，声压级为88dB，求机器实际的声压级。七、70dB+70dB+70dB+70dB=?八、请写出Lp1+Lp2+...Lpn的声压级计算公式。九、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左右十、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。十一、公路边一座高层建筑，以下判断正确的是：A、1层噪声最大，10层、17层要小很多，甚至听不见。B、1层噪声最大，10层、17层要小一些，但小得不多。C、1层、10层、17层噪声大小完全一样。十二、以下说法正确的有：A、1/3倍频程和倍频程的频谱可以相互转化。B、1/3倍频程的频谱可以向倍频程的频谱转化。C、倍频程的频谱可以向1/3倍频程的频谱转化。D、得到了声音的频谱，可以得到其A声级。十三、以下说明正确的有：A、声级计计权网络的作用是先将声音滤波，再测量滤波后的声压级。B、在相同的声源和测点处，A声级与L声级之间总相差3dB。C、声压级大时听起来不一定响。D、一般情况下，听起来响的声音A声级大。十四、使用声级计的A档、线形（L档）、2K滤波档分别测量1K的纯音得到Lp(A)、Lp(L)、Lp(2K)，有：A、Lp(A)=0dBB、Lp(A)=Lp(2K)C、Lp(L)