建筑声学原理教学课件PPT.ppt

第二篇建筑声学architecturalacoustics 声学原理噪声吸声材料与建筑隔声室内音质设计 第五章声学原理 本章提要 物体围绕平衡位置所作的往复运动称为机械振动 单位时间内往返运动的次数称为频率 其单位为赫兹 hz 频率在20 20 000hz之间的振动称为声振动 其传播过程能引起人的听觉 形成声波 也称声音或声 理解声音的物理本质及其效果 学会运用声学及其测量的基本术语 了解声音的传播和改变过程 理解声音对于人类听觉的影响 了解声音损耗的原因和机理 5 1声音的产生与描述5 1 1声音的产生任何物体发生振动时均会迫使周围的媒质发生相应振动 使该振动在媒质中由近及远地传播 产生波动 这种声振动在媒质 空气 中的传播称为声波 也称声音 产生声振动的物体称为声源 描述声波的物理量a周期与频率物体完成一次完全振动所需的时间称为周期 t 单位为秒 s 每秒钟完成的振动次数称为频率 f 单位为赫兹 hz 周期与频率的关系 t 1 f声波的周期与频率与声振动的周期与频率相同 它们是声波时间周期性的反映 即每经过t时间 空间就传播了一个完整的声波 b波长声波在一个周期内所传播的距离 即在波动上任意两个最近距离的相同波相的点之间的距离称为声音的波长 单位为米 m c声速单位时间内 声波在媒质中的传播距离称为声速 c u 单位为米 秒 m s 声速的大小与媒质的物理特性有关 媒质不同 声速也不相同 一般而言 声波在固体中的传播速度最快 液体次之 空气中最慢 对于同种媒质 如果温度不同 其声速也不相同 空气传声会随着温度的增加而增加 在标准大气压下 声速c0 331m s 在常温下 即200c c 340m s 以上三个物理量之间的关系 c t f 一些常见媒质中的声速 5 2声波的特性5 2 1声波的能量 声强声波具有能量 其大小即与声波的频率 波幅有关 又与时间与声波通过的面积有关 反映声波能量传播特性的物理量为声波强度 简称声强 定义 单位时间内通过垂直于传播方向上每单位面积上的声能 符号 i单位 瓦 米2 w m2 表达式 i 1 2 a2 2c 媒质的密度 单位kg m3 2 f称为圆频率 单位hz a 波幅 同振幅 单位m c 声速 单位m s 其实质是声功率密度 5 2 2声波的反射与衍射声波的反射声波在传播过程中遇到尺度比其波长大得多的障碍物时将有部分声波被反射回原媒质 这种现象称为声反射 声波反射定律 a 入射声波与反射声波分居法线的两侧 b 入射角等于反射角 声波的衍射a 衍射如果声波在传播过程中遇到障碍物 或洞口 的尺寸较之波长为小 声波将会绕过障碍物而向其后的 阴影区 传播 使阴影区的声强不为零 这种现象称为声衍射 一般而言 波长越长 或障碍物尺寸越小 其衍射越显著 声波的衍射b 声透射当声波遇到障碍物时 其疏密相间的运动 振动 压力会推动障碍物内部也发生相应振动 进而带动另一侧的媒质发生振动 使声波透过障碍物而传播 这种现象称为声透射 其强度与障碍物的物理特性有关 c 声吸收由于振动在障碍物中传播时会伴随有摩擦 碰撞等过程发生 导致部分声能转化成其他形式的能量 如热能 而耗散 致使经过障碍物后的声能衰减 这种现象称为声吸收 其强度也与障碍物的物理性能有关 声反射 声透射与声吸收的关系 e0 e e e 声波的这三种性质的强弱 与障碍物 即材料 的性质有关 5 2 3声波的干涉与声驻波的形成声波的干涉当两列同频率 同振动方向且相位差恒定的声波在同一媒质中传播时 会在相遇区域的某些固定点始终产生振动相长 彼此加强 的效果 而在另一些固定点始终产生振动相消 彼此减弱 的效果 这种现象称为声波的干涉 满足这种相干条件的声波称为相干声波 声驻波如果两列相干声波的振幅相等 且传播方向相反 入射声波及其反射波在空间相遇就会出现这种的情况 则它们在空间的叠加便会生成驻波 称为声驻波 5 3声音大小的度量5 3 1声压与声压级声压声波是由空气分子振动形成的疏密波 如果空气中不存在声波 则空气的压强即为大气压 如果空气中有声波传播 则声场中的空气将作周期性的疏密变化 使空气中的压强在大气压附近变化 相当于在原大气压的基础上 在附加了一个随时间而变化的附加压强 这个附加压强成为声压 p 单位 pa 帕 有效声压 声振动随时间变化 声压也随时间而变化 当声压变化呈周期性时 其大小常用周期内声压作用力的方均根值来表示 这样的声压称为有效声压 表达式 p pm 2基准声压 闻阈或声压下限p0 对大多数听力正常的人而言 频率为1 000赫兹的声音对听觉的感受最灵敏 在这样的频率下 声压为2 10 5pa的声音恰好能听见 低于此的声音则听不见 这样的声压称为闻阈 痛阈 声压上限 声压超过20pa 会使耳朵感到疼痛 这一声压称为痛阈 声压上限 声压级人对声音的感觉并不与声压大小成正比 即声压增加1倍 但人感觉的声音大小却并未比原来的声音增强1倍 而是与声压的对数成正比 所以声学中常用声压与基准声压的比的对数来表示声音的大小 其值称为声压级 lp 表达式 lp 20lgp p0p0 基准声压 2 10 5pa此时 闻阈的声压级为0db 痛阈的声压级为120db 每当声压增加1倍时 声压级就增加6db 声压与声压级声压的物理实质为单位面积上的受力 因此 当几个声音叠加在一起时 p总2 p12 p22 p32 pn2几个声压相等的声音叠加 其p总2 np2lp 20lg np2 p0 20lgp p0 10lgn所以 当两个声压相等的声音叠加时 其声压级仅比单个声音的声压级高出约3db 两两合成法a 计算两个声波的声级差 b 利用对数修正值找出修正量 c 将修正量加到较高的声压级上 即为所求 一些常见声音的声压与声压级 5 3 2声功率级与声强级声功率与声功率级a 声功率单位时间内声源所辐射的声能称为声功率 w 单位瓦 w 自然界中感知的声功率范围在10 12w到108w之间 b 声功率级声功率w与基准声功率w0 10 12w 之比的对数称为声功率级 lw 单位db 分贝 lw 10lgw w0几种常见声源的声功率及其声功率级 声强与声强级a 声强单位时间内垂直通过声波传播方向上单位面积的声能称为声强 i 单位瓦 米2 w m2 其实质为面声功率密度 i w 4 r2b 声强级声强i与基准声强i0 10 12w m2 之比的对数称为声强级 li 单位db 分贝 li 10lgi i0几种常见声音的声强及其声强级 5 3 3响度与响度级响度描述声音响与不响的量称为响度 n 单位宋 sone 主观感知的声音大小由频率 或声强 两个因素共同决定 等响曲线响度级以等响曲线图中对应于1000hz的音频垂直线与等响曲线交点对应的声压级为等响曲线的级别 这样的级成为响度级 ln 单位方 phon 等响曲线图注意 1 低声压级区的等响曲线斜率 变化 较大 说明在低声压级区 每单位声压级引起的响度变化要比中 高声压级区大 而在同等声压级上 中 高频声则要比低频声响一些 2 高声压级区的等响曲线较为平直 说明声压级相同的各频率声差不多响 即在这样的区域 响度与频率的关系不大 主要由声压级数决定 第六章噪声 本章提要 噪声通常对人们的生活 学习及工作造成很大的影响 在本章中 我们了解噪声的概念 危害了解噪声的评价方法 学习环境噪声的控制 6 1噪声及其危害6 1 1噪声的概念通常将对人们的生活 学习及工作有妨碍的嘈杂声统称为噪声 也称噪音 分类依据来源的不同 可分为 机械噪声 交通噪声 电磁噪声 根据噪声的性质 可分为 背景噪声 干扰噪声 环境噪声 背景噪声是指听者周围的噪声 干扰噪声是指外界噪声或是由房间围护结构传递的来自建筑物其它部分的噪声 其大小与建筑围护结构及其施工技术均有一定的关系 环境噪声是指某种环境中所有噪声的总和 6 1 2噪声的危害损害听力听觉疲劳 在强噪声作用下 人的听力变得迟钝 引起听阈上移 即 噪声性耳聋 在85db以上的噪声环境中长期工作 则听觉疲劳难以恢复 致使听觉器官发生质变 造成耳聋 即 暴震性耳聋 如果人们在某些特殊的环境条件下 突然受到140db以上的强噪声声作用 则可立即引起鼓膜破裂 造成一次性耳聋 即 影响人们的正常生活及工作40db以上的噪声即可干扰人们的正常睡眠 影响健康影响幼儿发育成长损伤建筑物及仪器设备 6 2噪声的评价6 2 1评价噪声的物理量a声级是一种对所有声音频率加权求平均的频率综合声级 可由仪器直接读出 通常用lpn表示 单位贝 b 或分贝 db a声级表示的声音与人们的主观感受有很好的相关性 等效声级实际存在的噪声往往是围绕其平均值而变化的 这种现象称为噪声起伏 为了能够给随时而变的噪声提供一个按声能计算的单值评价量 引入等效声级的概念 若某一稳定状态的a声级与现场测得的某一时段内的起伏噪声的效果相同 这一稳定的声级就称为该时段内的等效声级 用leq表示 单位分贝 db 语言干扰级由于人们交谈的声能大部分位于800hz附近的频率周围 所以可用语言干扰级来评价噪声对语言掩蔽的影响 倍频带中心频率500hz 1000hz 2000hz声压级的算术平均值成为语言干扰级 符号sil 单位分贝 db 交谈效果与距离和语言声级大小的关系 噪声评价数 nr 为了评价噪声的可接受性 以保护听力和保证语言 避免噪声干扰 国际标准组织 iso 提出了一组噪声评价曲线 称为nr线 噪声评价数图中每一条曲线与1000hz倍频谱线的交点所对应的声压级数分别称为该曲线多对应的噪声评价数 也称nr数 利用噪声评价数可以评价环境现场某些频率的噪声对环境的污染程度 以便决定是否采取相应的降噪措施 方法 1 测量出个倍频带的声压级 2 将各倍频带与代表指定评价数的曲线的交点所对应的声压级进行比较 超出部分则是需要降低降低的噪声量 部分房间的允许噪声评价数n 6 2 2环境噪声的立法与标准城市区域环境噪声标准 gb3096 82 城市区域环境噪声标准 等效声级leqdb 城市港口及江河两岸区域环境噪声标准 gb11339 89 城市港口及江河两岸区域环境噪声标准 leqdb 一类区域指港区内的住宅 文教 医院 机关所在地以及船舶流量为每小时60艘以下的江河两岸地区 二类区域指船舶流量为每小时60艘以上的江河两岸地区 工业企业厂界噪声标准 gb12348 90 各类厂界噪声标准 leqdb 一类标准适用于居住 文教机关为主的区域 二类标准适用于居住 商业 工业混杂区及商业中心区 三类标准适用工业区 四类标准适用于交通干线道路两侧区域 住宅室内噪声允许值 db a 住宅室内允许噪声级 leqdb 表中一 二 三级分别对应于安静有特殊要求 一般要求及无特殊要求的情况 学校建筑室内噪声允许值学校建筑室内允许噪声级 表中 有特殊安静要求的房间指语言教室 录音室 阅览室等 一般教室指普通教室 自然教室 音乐教室等 无特殊安静要求的房间指健身房 舞蹈教室 教师休息室及办公室等 6 3环境噪声的控制6 3 1控制噪声的措施降低声源噪声控制噪声的传播途径a 合理规划城市布局 1 城市人口的控制 2 土地功能区域的合理规划即在城市规划时 将城市中的重噪声区 如重工业类厂 锯木厂 织布厂等 中等强度噪声区以及低噪声区合理分区布局 通用原则 重工业 重噪声单位置于城市外围 轻工业等噪声较少的单位可靠进居民区布置 b 植树绿化 设置屏障 合理布置建筑平面及剖面a 应将强噪声设备与一般噪声设备分开 以便能集中进行隔声处理 b 临界居住建筑应尽量将厨房 卫生间 走廊等布置在朝向道路的一侧 c 水箱供水管切忌通过卧室 d 尽量采用跌层式 复式 楼层 减少分户楼板撞击声的干扰 6 3 2控制噪声的实施步骤调查噪声现状 确定噪声声级 需用仪器测量噪声声级 并了解产生噪声的原因及周围环境的情况 确定噪声的允许标准及所需降低的声压级 根据现场情况确定各频带所达到的噪声值 并与 标准 对照 以确定所需降低的声压级 选择控制噪声的具体办法 a 在总体及平剖面上对建筑物进行合理布局 约可降噪10 40db b 用吸声材料进行隔声处理 约可降噪8 10db c 对建筑构件进行隔声处理 约可降噪10 50db d 对声源进行消声处理 约可降噪10 50db 第七章吸声材料与建筑隔声 本章提要 本章通过吸声与隔声材料的介绍 进一步 理解吸声材料和隔声材料的原理 特性及用途 7 1吸声原理与吸声参量7 1 1吸声原理声波在传播过程中会与各种各样的材料相遇 这时 便会有一部分声能在材料内部被吸收 使空间传播的声能降低 这种现象称为吸声 能够吸纳声能的材料称为吸声材料 一般而言 坚硬 光滑 结构致密的材料 如大理石 水磨石等 吸声能力差 而粗糙 松软 多孔材料 如玻璃棉 泡沫塑料等 吸声能力好 7 1 2吸声参量吸声系数声波射入材料表面时 将有部分声波被反射 部分声波被吸收 被吸收的声能与总入射声能之比称为吸声系数 表达式 吸收声能 入射声能 e吸 e入 一些常见材料的吸声系数 吸声量材料吸声的量与其吸声系数 成正比 吸声系数 越大 则其吸声量越大 材料吸声的量与其面积s成正比 面积s越大 材料的吸声量越大 表达式 a s 一些常见材料的吸声系数 注意 上表给出的仅仅是 的平均值 事实上 材料的吸声系数除了与材料本身的物理特性有关外 还与声波的频率有关 即同一材料对于不同频率的声波其吸声系数不同 材料吸声系数随频率而变化的特性称为吸声频率特性 7 2吸声材料与吸声结构吸声系数大于零的材料称为吸声材料 由吸声材料制成的吸声部件称为吸声结构 7 2 1多孔吸声材料具有大量内外连通的微小间隙和连续气泡的材料称为多孔吸声材料 麻 棉及玻璃棉 无机纤维等都是较好的多孔吸声材料 具有良好的高频吸声性能 吸声原理当声波入射到多孔材料表面时 声波能顺着微孔进入材料内部 引起孔隙中的空气振动由于存在摩擦和空气粘滞阻力以及孔壁 纤维与空气间的热交换作用 使相当一部分声能转化为热能而被消耗 多孔材料吸声的先决条件 声波能够容易地进入微孔内 影响吸声性能的因素a 材料的空气流阻空气稳定流过材料时 材料两边的静压差与空气流动速度之比称为材料的空气流阻 一般而言 空气粘性越大 材料越密实 越厚 其流阻越大 透气性能就越差 吸声性能就越差 但流阻也不能过小 否则 克服摩擦力 粘滞力使声能转化为热能的效率就会太低 从吸声效率来讲 多孔材料存在着最佳的空气热阻 b 材料的孔隙率材料中的孔隙 空气 体积与材料体积之比称为材料的孔隙率 对多孔材料而言 其值一般均大于70 c 材料的厚度一般而言 材料的吸声系数随着厚度的增加而增加 但是 当材料厚度达到某一值后 再增加厚度 对材料的吸声效果影响并不显著了 所以不能无限制地增加厚度 从吸声效率来讲 多孔材料存在着最佳的空气热阻 d 材料的容重材料重量与体积之比称为材料的容重 一般而言 容重的大小与材料的孔隙率有关容重增大 材料的孔隙率变小 空气流阻增大 材料对低频声吸收效果升高 对高频声的吸收效果下降 但容重也存在最佳值 其大小随材料不同而有所差异 e 材料表面的饰面处理f 材料的吸湿 7 2 2吸声结构空腔共振吸声结构穿孔板吸声结构薄膜吸声结构具有不透气 柔软 受张拉时有弹性的极薄的膜 如皮革 人造革 塑料薄膜等统称为薄膜材料 它们与其后的空气层形成的共振系统统称为薄膜吸声结构 用以吸收共振频率附近的入射声能 周边固定于龙骨上的胶合板 石膏板 石棉水泥板 金属板等薄板与其背后的空气也常常构成薄板共振结构 薄膜吸声结构的共振频率通常在200 1000hz之间 最大吸声系数为0 3 0 4 一般常用来吸收中频范围的声能 其他吸声结构a 空间吸声体b 帘幕c 洞口d 人和家具e 吸声尖劈其构造是用直径3 2 3 5mm钢丝制成所需形状和尺寸的框子 在框架上粘缝布类罩面材料 内填棉状多孔材料 7 2 3吸声材料的选择吸声材料除吸声外的其它主要特性 7 3建筑物中的吸声减噪在建筑物室内壁面布置吸声材料 那么 当噪声碰到这些吸声材料时 便有一部分的噪声能被吸收 使反射噪声减弱 达到减噪的目的 这样的方法称为吸声减噪 7 4建筑隔声7 4 1声波在围护结构中的传播由空气直接传播由围护结构的振动传播由固体撞击或振动直接传播7 4 2声音的透射与隔绝透射直接透射 声音从声源 如汽车 飞机等 和听闻地点间的墙壁或屋顶直接透射入听闻地 室内 的现象 间接透射 室内发出的声音 沿着围护结构的相连接部件间接传向听闻地点的现象 隔声及其性能表示将声音隔绝于围护结构之外 或将强烈的声源封闭在一个特定的空间的过程称为隔声或称为声音的隔绝 a 隔声量入射声分贝数与透射声分贝之差称为围护结构的隔声量 r 表达式 r l入 l透考虑到隔声性能与透射性能 透射系数 e e0 的关系 围护结构 墙壁 的隔声量r也常采用其透射系数 的倒数的对数来定义 即r 10lg1 db 越小 r越大 构件的隔声性能越好 b 隔声频率特性曲线隔声量是随着声音频率的变化而变化的 为了反映这一特性 常以隔声的分贝数为纵坐标 以频率的赫兹为横坐标 按1 3倍频程谱的17个中心频率标于坐标轴上 将计算或测量所得的各频率对应的分贝数标于图中 并将相关的点连接起来 得一系列曲线 称为隔声频率特征曲线 优点 能更为直观 全面地反映隔声构件在各频率范围内的隔声状况 缺点 应用繁杂 不便比较 c 平均隔声量墙板隔声量的平均值称为隔声量 它是各种频率对隔声作用总和的近似 一般情况下 可用500hz对应的隔声量来代替 优点 使用简便 易于掌握 缺点 精度差 可比性差 d 隔声指数隔声指数是表征建筑构件 墙壁 楼板 隔声性能的重要指标 它是在综合隔声频率特征曲线及平均隔声量优点的基础上提出来的一个概念 是按一定操作程序所读取的一隔声量值 7 4 3隔声标准判断围护结构是否达到隔声要求的标准多用隔声系数 考虑到空气声与固体声的差异 隔声标准分为空气声隔声标准与固体声隔声标准两类 空气声隔声标准 固体声隔声标准 注意 固体 撞击 声隔绝性能的表示方法与空气声隔声性能的表示方法不同 它是采用一个由国际标准组织规定的打击器 在被测的楼板面上撞击发声 在楼下房间测量传递到楼板下面的撞击声声压级 简称标准撞击声级 声级越高 说明楼板隔绝撞击声的性能越差 反之 则隔声性能越好 7 4 4影响隔声效果的因素质量定律实验发现 墙板对声波的隔声量的大小随着入射声波频率及墙板质量面密度 单位面积上的质量 的增加而增加 这一规律称为质量定律 吻合效应进一步研究发现 质量定律并不太准确 在很多情况下会出现例外 这主要是因为很多材料还有共振及吻合现象 吻合效应只发生在一定的频率范围内 最低频率称为临界频率 fc 其值与构件的厚度 密度以及弹性模量有关 由于噪声对人的影响频率主要集中在100 2500hz之间 所以要特别注意吻合效应不应发生在这一范围 7 4 4影响隔声效果的因素质量定律实验发现 墙板对声波的隔声量的大小随着入射声波频率及墙板质量面密度 单位面积上的质量 的增加而增加 这一规律称为质量定律 吻合效应进一步研究发现 质量定律并不太准确 在很多情况下会出现例外 这主要是因为很多材料还有共振及吻合现象 吻合效应只发生在一定的频率范围内 最低频率称为临界频率 fc 其值与构件的厚度 密度以及弹性模量有关 由于噪声对人的影响频率主要集中在100 2500hz之间 所以要特别注意吻合效应不应发生在这一范围 7 5墙板的空气声隔绝单层匀质密实墙的空气声隔绝双层匀质墙的空气声隔绝轻型墙的空气声隔绝面质量密度仅为每平方十几到几十千克的墙板称为轻型墙 板 石膏板 纤维板 胶合板 塑料板 加气混凝土 碳化板 金属薄板等均可视为轻型墙板 这类墙板隔声性能差 改善措施 a 增加墙板的密实度b 采用双层薄板结构若增加双层板间空气厚度 使之达到7 5cm以上 其隔声量可增加8 10db 若在双层板间充填吸声材料 如超细玻璃棉毡等 其隔声量可提高3 8db 不同厚度的墙板组合 c 采用多层墙板结构其方法是将多层密实材料 如胶合板 木板 钢板等 用多孔弹性材料 如玻璃棉 泡沫塑料等 分隔 做成夹层结构 其隔声量比同质同重的单层墙板提高很多 7 6门 窗与楼板的隔声门的隔声在双层薄板中充填软吸声材料 一般可使门的隔声量提高10 30db 用乳胶条 橡皮条 工业毡等物对门缝做密封处理 一般可提高隔声量6 14db 对一些有特殊隔声要求的建筑 如录音室 演播室 耳科测听室等 可采用双层门或门斗的处理方法 形成声闸 其隔声量约相当于两单门隔声量之和 d 真空处理即将门的一部分做成双玻真空 构造做法 门扇空腔填棉的隔声效果 门缝对隔声量的影响 窗的隔声a 采用厚玻璃 厚玻璃的面质量密度比薄玻璃大 按照质量定律 其隔声性能会相对提高 b 采用双层玻璃 并留有较大的间距 一般不少于50 70mm 但应注意 为了减少吻合效应的影响 最好选用厚度不同的两种玻璃 且使厚玻璃朝向声源一侧 并且为了改善共振的影响 两层玻璃不要平行排列 应使朝向声源一侧的玻璃倾斜850左右 c 在玻璃与窗框 窗框与墙壁之间进行密封处理 在窗框上布置强吸声材料等均可明显地提高窗的隔声能力 构造做法组合墙的隔声楼板的隔声a 面层法 即在楼板表面铺设弹性良好的面层材料 如地毯 塑料地板等物 以减少楼板本身的振动 b 垫层法 即在楼板结构层与面层之间铺设弹性面层 以减弱结构层的振动 弹性材料可以做成片状 也可以做成条状或块状 将其放在面层或龙骨的下方 其中 应注意实施时面层与墙的交接处采用隔离措施 以免引起与墙体共振而导致隔声性能的降低 c 吊顶法 第八章室内音质设计 本章提要 室内音质设计是建筑声学中的重要内容之一 是建筑设计从音质上保证建筑物符合要求的重要手段和措施 其目的主要是对音质有要求的建筑构成一个良好的声学环境 使人们在其中不管是听报告 还是听音乐 都既能听得见 又能听得清 而且还能感到悦耳动听 丰满亲近 8 1室内音质设计概论8 1 1设计原则由于使用功能的差异 室内建筑对音质的要求各有不同 有的侧重语言听闻 有的侧重音乐欣赏 但不管对于那一类建筑 其音质设计都应体现如下原则 背景噪声要低响度要合适混响时间要最佳声场分布要均匀其主要解决方法是依靠厅堂平剖面的合理设计以及吸声材料和吸声结构的合理选择与布置 音节清晰度要高所谓音节清晰度 即正确听到的音节数与发出的全部音节数之比的百分数 音节清晰度与听觉感觉的关系 8 1 2设计步骤室内音质设计大致分为四步 选址厅堂地址的选择要充分考虑日益增长的交通噪声 有的地方还应考虑航空噪声的影响 避免附近有较大的噪声源 为此 厅堂的位置应远离铁路线 地铁及主要的交通干线 高噪声的工厂等场所 确定音质设计标准根据用户的使用要求来确定音质的设计标准 主要包括确定声音响度 混响时间以及室内允许的噪声级等 进行音质设计包括体型设计 响度与混响设计 吸声材料与吸声结构的选择与布置 防噪措施与扩声设计等 测定 调整与评价鉴定 8 2体型设计厅堂体型设计的目的主要是根据厅堂体积的大小 确定其平剖面形状 组织好反射面 防止出现声学缺陷 提高室内的音质水平 其设计的分析基础是几何声学 认为声音像光线一样遵守反射定律 声线与光线相类似 知道了某一时刻的声线 通过作图法便可求出下一时刻声线的走向 这一特性可用来改善室内的声场分布 体型设计主要包括平剖面形式的选择 尺寸大小的确定及墙 侧墙 后墙 面及顶棚的处理等项目 同时 设计时还应当注意施工的方便 与照明 通风 视线 艺术造型 经济等方面的配合 8 2 1体型设计的一般原则充分利用直达声直达声是观众获得有效声能的主要成分 能增加声音的响度和清晰度 故应尽量让观众获得较多的直达声 所以 a 尽量减少直达声的传播距离 即在做平面设计时应使观众席尽量靠近声源 讲演者 在室内平面面积一定的情况下 选取宽而短的平面形式优于窄而长的平面形式 但任何声源都有方向性 所以平面形式不能过于扁宽 过于扁宽会使得偏离正对声源一定角度的听众缺少高频声 一般而言 观众席应以不超出声源正前方1400的夹角为宜 b 尽量避免直达声被遮挡和被观众掠射吸收 由于观众本身就是一种吸声性能很强的吸声体 故当讲演者的声音掠过观众头顶到达后排时 声能将被大量吸收 使后排听众的听闻质量无法保证 所以 大厅排座位时 应尽量避免水平排列 而应采取逐级抬高的阶梯 每级升高不少于80cm 式排列 且应使前后排座位错开 这样既有利于观看 又利于听音 尽量争取与控制前次反射声直达声到达后的50ms以内到达的反射声统称为前次反射声 其传播距离与直达声相比不大于17m 反射次数 传播距离 相对较少 能量损失也较小 因此 它们在听众所获得的声能中占有相对重要的位置 争取与控制前次反射声的关键是要注意一次反射面及附近反射表面的设计 使之具有有利于争取与控制前次反射声的合理形状 倾斜度及尺寸 8 2 2体型设计中应当注意的几个问题侧墙的处理侧墙对声反射有影响 优点 能改变室内声场分布 使之趋于均匀 能使某些需要加强的地方的声强得到加强 使其响度得到提高 缺点 如果处理不好 则会导致声学缺陷 因此 侧墙的体型设计要注意 a 通过侧墙反射 将声能投向需要加强的地方 但不能使反射声延时过长 否则会形成回声 所以 厅堂宽度一般不超过30m 这样有利于前区 离声源20m以内 观众获得前此反射声 若是处于功能考虑其宽度不得不超过30m 则可通过调节近舞台口侧墙反射面的倾角来解决 其角度通常控制在80 100的范围内 b 侧墙不宜有大的凹面 以免产生声聚焦 影响声场分布的均匀性 但为了有利于声场的扩散 均匀 侧墙的反射面不能做成非常光滑的平面 而应设计成有凸出起伏的扩散体 c 对于较大容积的矩形房间 两侧墙之间的一连串反射容易造成颤动回声 所以 可将墙面作成非平行的 与声源方向呈v形 或使侧墙面与声源中轴线的夹角不小于30 或缩短平行壁面间距 或对侧面进行扩散与吸声处理 后墙的处理各种类型的厅堂 应尽量避免采用大的凹形后墙 因为这样的后墙容易在厅堂的中前区产生回声或声聚焦 干扰中前区听闻 若结构需要有弧度的后墙 则应将其曲率中心设计在后墙与第一排座位距离的1 5倍以外 若后墙不高 宜将后墙上部 1 1 2m以上 处理成前倾式 其倾斜角可根据声反射定律 用作图法来确定 若后墙较高 则前倾式后墙面有可能导致回声的产生 这时可通过在部分后墙面装置吸声材料或做扩散结构来解决 顶棚与眺台的声学处理顶棚的高度和形状对室内音质影响较大 顶棚越高 一次反射的延时就越长 容易形成回声 所以 其高度最好不超过10m 如果出于造型或功能需要较高顶棚 为了保证音质 则需在顶棚下方加挂反射板或吸声板 顶棚形状最好不要呈圆弧形状 容易产生声聚焦及增加混响时间 对于楼座眺台 注意不要使眺台深度过深 因为这样会挡住顶棚的一次反射声 使后排座位区域响度不够 形成 声影 其克服方法是控制眺台的深高开口比 d h 音乐厅 d h 1 歌剧院 d h 1 2 此外 也可利用后墙并调整好眺台下顶棚的角度来增强后排座位区域的反射声 体型设计中常用的做法图例 8 3 1最佳混响时间的选择最佳混响时间推荐值 500hz 8 3混响设计 各种用途房间的最佳混响时间 8 3 2混响时间的频率特性8 3 3混响时间与房间容积的关系一般而言 混响时间随着房间容积的增加而增加 随着房间吸声量的增加而减少 因此过大的厅堂设计 从音质的角度来看是不太合理的 观众也是吸声体 具有一定的吸声量 据分析 满座时观众的吸声量要占厅堂总吸声量的1 2 1 3 所以在厅堂设计时要注意这个因素 为了将容积与观众 吸声量 对混响时间的影响合并成一个指标来衡量 我们引入 每座容积 厅堂容积与座位数之比 的概念 其大小等于每一座位 观众 所占有的厅堂容积 含有容积与吸声量 座位数 两个因素 一般而言 每座容积大 则混响时间就大 反之 就会小 当然 为了保证厅堂具有良好的音质 每座容积也存在最佳值 一些厅堂的最佳每座容积推荐值 8 3 4混响设计的步骤选择最佳混响时间确定所需增加的吸声量确定吸声方案调整与修改 8 4 1扩声系统的基本要求传声器 话筒 扩大器 扩音机 及扬声器 喇叭 等是扩声系统的基本组成部分 为了使扩声获得比较理想的效果 扩声系统必须满足如下基本要求 要求足够的功率输出扩声系统的功率输出应保证室内的平均语言声压级达到80db左右 这样才能保证较弱的发音也能听见 要有宽而平直的频率响应范围对于语言用电扩声系统 要求频率在300 8000hz之间的声音都能均匀地放大 对于音乐用电扩声系统 要求均匀放大的范围更宽一些 在40 10000hz之间 保证室内声场均匀要使室内声场的不均匀度控制在 3db范围内 声场均匀与否与扬声器的布置有关 8 4扩声设计 8 4 2扬声器与扩音机功率的确定扬声器功率的确定方法 根据扬声器的灵敏度和离听众的距离来确定 计算公式 10lgw lpo lp1w1m 20lgr0式中 w 扬声器 组 的电功率 单位wlpo 轴向点最大声压级 对音乐扩声系统 其值可取95db 对语言扩声系统 其值可取90dblp1w1m 轴向灵敏度 单位db w m 其值见产品说明书r0 扬声器到听众间的距离 单位m 其值一般选为厅堂长度的2 3 3 4 灵敏度 指在消音室中 当输入电功率为1w时 在距声源轴向1m处测得的最大声压级 扩音机功率的确定公式 w w0k1k2式中 w 扩音机的输出功率 单位ww0 扬声器 组 的最大电功率 单位wk1 线路衰减补偿系数 一般取值为2k2 备用系数 一般取值1 5 8 4 3扬声器 扩音机的选择与布置扬声器的选择与布置a 扬声器的选择类型 电动式 压电式 静电式目前常用 电动式 纸盒扬声器 号筒扬声器 1 纸盒扬声器优点 体积小 价格便宜 频响较宽 缺点 发声效率低 一般仅有0 5 2 用途 主要用于厅堂扩声或高保真组合扬声器中 作低音元件 2 号筒扬声器 高音喇叭 优点 发声效率高 可达5 20 额定功率大 缺点 频响较差 失真大 用途 一般多用于室外扩音 目前在厅堂中经常采用的处理手法是 声柱是将纸盒扬声器与号筒扬声器的优点集于一身的电声器件 即将多个纸盒扬声器排列成一直线而组成的扬声器群 群中各扬声器的振膜发生时完全同步 因此 各扬声器发出的声波在垂直轴向将会产生干涉 使其辐射范围变窄 成为一束 因而较单只扬声器能更有效地辐射声能 提高音质 控制功率 声柱多用于多功能厅堂 音箱是一种双频或三频道扬声系统 由组装于助声箱中的分频网络或可调音量衰减器来实施高 低音或高 中 低音的扬声工作 具有功率大 灵敏度高 频谱响应宽和音质好等优点 适用于对音质要求较高的录音室 中小型会议室 影剧院等处 做高保真的扬声器用 b 扬声器的布置集中式布置将多个扬声器集中于室内一端 发声供给全场的方式称为集中式布置 主要有两种方式 1 一般扬声器的集中布置将多只一般扬声器集中布置于观众席前端 称为一般扬声器的集中式布置 优点 简便 实用 缺点 指向性不强 声能随距离衰减快 声场前后不均匀 有很大一部分声能射到各界面 被不断反射形成混响 仅有一小部分声能直接射向观众 从而导致声音的清晰度不高 适用范围 容积小 混响时间不大的厅堂 2 声柱布置适用范围 需要定向加强声信号的厅堂 分散式布置将多个扬声器集中布置在室内各个部分 使每个扬声器分别向各自的小区辐射声能 这样的布置方式称为分散式布置 分散式布置多用于由于体型及音质要求而不宜采用集中式布置的厅堂 对于顶棚不太高的厅堂 扬声器可以均匀地布置在平顶上 对于不是太宽的厅堂 扬声器也可以均匀的布置在侧墙上 对于很高 很宽的厅堂 也可以采用 座椅式 即将扬声器布置于每座椅背上 这种布置方式效果好 但安装复杂 造价很高 因此仅适用于容积大