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建筑声学基础 第一节建筑声学基本知识 一 声音的基本性质声音来源于振动的物体 辐射声音的振动物体称为 声源 声源要在弹性介质中发声并向外传播 声波是纵波 1 人耳所能听到的声波的频率范围为20 20000hz 称为可听声 低于20hz的声音称为次声 高于20000hz的声音称为超声 次声与超声不能使人产生声音的感觉 2 室温下空气中的声速为340m s 声速c 波长 和频率f有如下关系 频率为100 10000hz的声音的波长为3 4 0 034m 这个波长范围与建筑物室内构件的尺度相当 在室内声学中 对这一频段的声波尤为重视 c f 第一节建筑声学基本知识 3 频带 将声音的频率范围划分为若干个区段 称为频带 每个频带有一个上限频率f1和一个下限频率f2 带宽就为f1 f2 每一频带以其中心频率fc标度 建筑声学设计和测量中常用的有倍频带和1 3倍频带 在倍频带分析中 上限频率是下限频率的两倍 即fl 2f2 在1 3倍频带分析中 在可听声范围内 倍频带及1 3倍频带的划分及其中心频率如表3 1所示 表中第一行为1 3倍频带中心频率 第二行为倍频带中心频率 第一节建筑声学基本知识 4 波阵面与声线声波从声源出发 在同一介质中按一定方向传播 声波在同一时刻所到达的各点的包络面称为波阵面 声线表示声波的传播方向和途径 在各向同性的介质中 声线是直线且与波阵面垂直 依据波阵面形状的不同 将声波划分为 1 平面波 波阵面为平面 由面声源发出 2 柱面波 波阵面为同轴柱面 由线声源发出 3 球面波 波阵面为球面 由点声源发出 一个声源是否可以被看成是点声源 取决于声源的尺度与所讨论声波波长的相对尺度 当声源的尺度比它所辐射的声波波长小得多时 可看成是点声源 所以往往一个尺度较大的声源在低频时可按点声源考虑 而在中高频则不可以 第一节建筑声学基本知识 5 声绕射声波在传播过程中 遇到小孔或障板时 不再沿直线传播 而是在小孔处产生新的波形或绕到障板背后而改变原来的传播方向 在障板背后继续传播 这种现象称为绕射 或衍射 6 声反射声波在传播过程中 当介质的特性阻抗发生变化时 会发生反射 从几何声学角度 可更直观地解释为 声波在传播过程中遇到尺寸比声波波长大得多的障板时 声波将被反射 根据界面的粗糙程度 声波在界面上的反射可分为镜像反射和扩散反射 第一节建筑声学基本知识 6 1 镜像反射镜像反射声线的方向可由虚声源法确定 如图3 1所示 图中o为声源 o 为虚声源 是o关于反射面的映像 o和o 关于反射平面对称 如果用声线表示声波的传播方向 则反射声线可以认为是从虚声源发出的 镜像反射遵循斯奈尔声波反射定律 即入射声线 反射声线和反射面的法线在同一平面内 入射声线和反射声线分居法线的两侧 反射角等于入射角 第一节建筑声学基本知识 6 2 扩散反射当界面比较粗糙 其凸出部分不小于入射声波波长的1 7时 人射到界面上的声波会发生扩散反射 这时 声波被分解成许多较小的反射声波 传播的立体角扩大 见图3 2 第一节建筑声学基本知识 7 反射系数 透射系数 吸声系数声波入射到构件时 入射声能中的一部分声能被反射 一部分透过构件 还有一部分由于构件的振动或声音在其中传播时介质的摩擦或热传导而被损耗 称为材料的声吸收 根据被反射 透过和吸收的声能占总入射声能的比例 分别定义了材料的反射系数 透射系数和吸声系数 如下 反射系数 透射系数 吸声系数 式中e0 e e 分别为人射声能 被界面反射的声能和透射的声能 小的材料称为隔声材料 0 2的材料称为吸声材料 在进行室内音质设计与噪声控制时 必须了解各种材料的隔声与吸声特性 从而合理地选用材料 第一节建筑声学基本知识 二 声音的计量声波是能量传播的一种形式 仅从频率 波长 声速等方面描述是不够的 在声环境评价和设计中 需要一些物理量来对声音进行计算和测量 1 声功率声功率是声源在单位时间内向外辐射的声能 记为w 单位是瓦 w 或微瓦 w 1 pw 10 6w 2 声压介质中有无声波传播时压强的改变量 称为声压 用符号户表示 单位是帕 pa 3 声强单位时间内 垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能 称为声强 用符号i表示 单位是瓦 平方米 w m2 第一节建筑声学基本知识 4 声能密度声能密度指单位体积内声能的强度 用符号表示 单位是 w s m3 或j m3 5 声音计量物理量之间的关系 1 声功率与声强 平方反比定律在无反射的自由场中 由点声源发出的球面波声场中某点的声强与该点到声源的距离的平方成反比 称为平方反比定律 i 声场中某点的声强w m2 w 声源的声功率w r 声源到受声点的距离m 对于平面波 声场中的声强不变 i w 4 r2 第一节建筑声学基本知识 2 声压与声强在自由场中 声压与声强有如下关系 p 有效声压 pa p0 空气密度 kg m3 c 空气中的声速 m s p0c 空气介质的特性阻抗 20oc时等于415 n s m3 i p2 p0c 第一节建筑声学基本知识 3 声能密度与声强声能密度与声强有如下关系 声场中的声能密度 j m3 i 声场中的声强 w m2 p0 空气密度 k8 m3 c 空气中的声速 m s i c p2 p0c2 第一节建筑声学基本知识 6 声压级 声强级 声功率级及其叠加 人耳容许声强的上下限值之差别高达l万亿倍 声压相差也达100万倍 同时 人耳对声音强度感觉的变化也不是与声强和声压的变化成正比 而是近似地与它们的对数值成正比 为此 引入 级 的概念 单位是分贝 du 声压级 式中p0为基准声压 p0 2 10 5pa 声强级 式中i0为基准声强 i0 10 12w m2 lp 20lgp p0 db li 10lgi i0 db 第一节建筑声学基本知识 声功率级 式中w0为基准声功率 w0 10 12w 在常温下 通常可以认为 空气中声压级与声强级近似相等 声压级进行叠加时 不能简单地进行算术相加 而要求按对数规律进行叠加 当几个声源同时作用于某一点时 在该点所产生的声压是各声源单独作用时在该点所产生的声压平方和的方根值 即 第一节建筑声学基本知识 例如 n个声压相等 均为p 的声音叠加 总声压级为 从上式可以看出 两个数值相等的声压级叠加时 只比一个声源单独作用时的声压级增加3db 例如 两个50db的声音叠加只是53db 而不是100db 声压级叠加可查表进行计算 当两个声压级差超过15db时 较小声音的声压级可略去不计 其总声压级等于较大声音的声压级 第一节建筑声学基本知识 三 声音的频谱与声源的指向性 1 声音的频谱 声音的频谱是用来表示声音各组成频率的声压级分布 以频率 或频带 为横坐标 声压级为纵坐标的频谱图表示 具有单一频率的声音 称为纯音 其频谱图为一直线段 由频率离散的若干个分量复合而成的声音 称为复音 其频谱图为线状谱 包含连续频率成分的噪声的频谱为连续谱 对于连续谱的噪声 若其声压级用频带声压级表示 则得到频带声压级谱 了解声音的频谱很重要 在噪声控制中 只有了解了噪声的各组成频率成分及其强度 才能有效地降低噪声 在音质设计中 应避免声音频谱发生畸变 保证音色不失真 第一节建筑声学基本知识 2 声源的指向性声源的指向性表示声源辐射声音强度的空间分布 指向性声源在距声源中心等距离的不同方向的空间位置的声压级不相等 人和乐器发出的声音都具有指向性 通常频率越高 声源的指向性越强 如图3 3所示 当声源的尺度比波长小得多时 可近似看作无方向性的 点声源 此时 在距离声源中心等距离处 声压级相等 第一节建筑声学基本知识 四 人的主观听觉特性1 听觉定位人耳的一个重要特性是能够判断声源的方向与远近 听觉定位是由双耳听闻得到的 由声源发出的声波到达双耳时有一定的时间差 强度差和相位差 人据此可判断声源的方位和远近 进行声像定位 第一节建筑声学基本知识 2 时差效应如果到达人耳的两个声音的时间间隔 称为 时差 小于50ms 就不觉得声音是断续的 一般认为 在直达声到达后约50ms内到达的反射声 即声程差为17m 可以加强直达声 而在50ms后到达的反射声 不会加强直达声 如果延时较长的反射声的强度比较突出 则会形成回声的感觉 在室内音质设计中 回声是一种声学缺陷 应加以避免 人耳对回声感觉的规律 最早是由哈斯 hass 发现的 故称为哈斯效应 第一节建筑声学基本知识 3 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 称为掩蔽效应 存在的干扰声音称为掩蔽声 掩蔽效应说明了噪声的存在会干扰有用声信号的通讯 但有时可以利用掩蔽效应 用不敏感的噪声去掩盖不想听到的声音 4 纯音等响曲线人耳对声音的响应并不是在所有频率上都是一样的 以纯音做实验 取1000hz纯音的某个声压级作为参考标准 则听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级就构成一条等响曲线 依次改变参考用的1000hz纯音的声压级 就得到一组参考曲线 该1000hz的纯音声压级定义为该等响曲线的响度级 单位是方 phon 见图3 4 第一节建筑声学基本知识 从图3 4中可以看出 人耳对2000 4000hz的声音最敏感 低于1000hz时 人耳的灵敏度会随着频率的降低而降低 而在4000hz以上时 人耳的灵敏度也逐渐下降 也就是说 不同频率的声音要使其听起来一样响 则应具有不同的声压级 反之 相同声压级的不同频率的声音 人耳听起来是不一样响的 如图中20方等响曲线上 声压级为20db的1000hz的声音与声压级为37db的100hz的声音是一样响的 其响度级均为20方 第一节建筑声学基本知识 对于复合音 不能直接使用等响曲线 其响度级需通过计算求得 或可用声级计测量得到 声级计中设有a b c三个计权网络 测量的结果分别称为a声级 b声级和c声级 分别记为dba dbb和dbc 其中a计权网络是参考40方等响曲线 对500hz以下的声音有较大的衰减 以模拟人耳对低频声音不敏感的特征 a声级与主观响度密切相关 因此在音频范围内进行测量和计算时 多采用a声级 要使人主观感受的声音响度增加一倍 或减为1 2 则声压级的变化要有l0db 第一节建筑声学基本知识 5 声音三要素声音的强弱 音调的高低和音色的好坏 称为声音三要素 声音的强弱可用声压级 声强级及响度级描述 音调的高低取决于声音的频率 频率越高 音调越高 音色反映了复音的一种特性 它主要取决于复音的频率成分及其强度 第一节建筑声学基本知识 响度 又称声强或音量 它表示的是声音能量的强弱程度 主要取决于声波振幅的大小 声音的响度一般用声压 达因 平方厘米 或声强 瓦特 平方厘米 来计量 声压的单位为帕 pa 它与基准声压比值的对数值称为声压级 单位是分贝 db 对于响度的心理感受 一般用单位宋 sone 来度量 并定义lkhz 40db的纯音的响度为1宋 响度的相对量称为响度级 它表示的是某响度与基准响度比值的对数值 单位为口方 phon 即当人耳感到某声音与1khz单一频率的纯音同样响时 该声音声压级的分贝数即为其响度级 可见 无论在客观和主观上 这两个单位的概念是完全不同的 除1khz纯音外 声压级的值一般不等于响度级的值 使用中要注意 5 1 响度 第一节建筑声学基本知识 响度是听觉的基础 正常人听觉的强度范围为0db 140db 在人耳的可听频域内 当声音减弱到人耳刚刚可以听见时 此时的声音强度称为 听阈 一般以1khz纯音为准进行测量 人耳刚能听到的声压为0db 通常大于0 3db即有感受 声强为10 16w cm2时的响度级定为0口方 而当声音增强到使人耳感到疼痛时 这个阈值称为 痛阈 仍以1khz纯音为准来进行测量 使人耳感到疼痛时的声压级约达到140db左右 第一节建筑声学基本知识 实验表明 闻阈和痛阈是随声压 频率变化的 闻阈和痛阈随频率变化的等响度曲线 弗莱彻 芒森曲线 之间的区域就是人耳的听觉范围 对于1khz以内的可听声 在同级等响度曲线上有无数个等效的声压频率值 例如 200hz的30db的声音和1khz的10db的声音在人耳听起来具有相同的响度 这就是所谓的 等响 人耳对不同频率的声音闻阈和痛阈不一样 灵敏度也不一样 人耳的痛阈受频率的影响不大 而闻阈随频率变化相当剧烈 人耳对3khz 5khz声音最敏感 幅度很小的声音信号都能被人耳听到 而在低频区 如小于800hz 和高频区 如大于5khz 人耳对声音的灵敏度要低得多 响度级较小时 高 低频声音灵敏度降低较明显 而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈 一般应特别重视加强低频音量 通常200hz 3khz语音声压级以60db 70db为宜 频率范围较宽的音乐声压以80db 90db最佳 第一节建筑声学基本知识 音高也称音调 表示人耳对声音调子高低的主观感受 客观上音高大小主要取决于声波基频的高低 频率高则音调高 反之则低 单位用赫兹 hz 表示 主观感觉的音高单位是 美 通常定义响度为40方的1khz纯音的音高为1000美 赫兹与 美 同样是表示音高的两个不同概念而又有联系的单位 5 2 音高 人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围 人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20hz到最高可听频率别20khz的范围 响度的测量是以1khz纯音为基准 同样 音高的测量是以40db声强的纯音为基准 实验证明 音高与频率之间的变化并非线性关系 除了频率之外 音高还与声音的响度及波形有关 音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比 不管原来频率多少 只要两个40db的纯音频率都增加1个倍频程 即1倍 人耳感受到的音高变化则相同 第一节建筑声学基本知识 音色又称音品 由声音波形的谐波频谱和包络决定 声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音 各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音 单一频率的音称为纯音 具有谐波的音称为复音 每个基音都有固有的频率和不同响度的泛音 借此可以区别其它具有相同响度和音调的声音 声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征 其包络是每个周期波峰间的连线 包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性 5 3 音色 室内声学原理 雷波涛 第二节室内声学原理 一 自由声场与室内声场 一 自由声场中声音的传播所谓自由声场 即在声波传播的空间中无反射面 声源在该声场中发声 在声场中的任一点只有直达声 无反射声 由平方反比定律 可知点声源在无反射的自由场中辐射声波时 声场中任一点的声压级可下式计算 lp 空间某点的声压级db lw 声源的声功率级db r 声源与受声点的距离m 第二节室内声学原理 由 3 13 式可知 自由场中 受声点与点声源的距离增加一倍 声压级衰减6db 例如 在无反射的自由场中 若距离点声源lm处的声压级为80db 则距声源2m处的声压级应为74db 距声源4m处的声压级则为68db 线声源辐射柱面波 波阵面为圆柱面 其在自由场中的衰减规律可由右边公式来计算 式中各符号的意义与上式相同 由本式可知 自由场中 受声点与线声源的距离增加一倍 声压级衰减3db 对于面声源 由于其传播过程中波阵面保持不变 所以声强无衰减 第二节室内声学原理 二 室内声场的特点声音在封闭空间中传播所形成的声场比自由声场要复杂得多 声波在传播过程中要经历界面的反射 吸收与透射 声场中除了声源的直达声外 还有一系列来自各个方向的反射声 反射声到达的时间 强度和方向是决定室内音质好坏的重要因素 声能密度的空间分布不再符合平方反比定律 此外 由于房间的共振 引起室内某些频率的声音被加强或减弱 房间的形状和界面材料的声学特性对室内声场有很大的影响 第二节室内声学原理 三 其他吸声构造 1 空间吸声体 空间吸声体的吸声能力多用单个吸声量表示 其吸声性能与空间吸声体的悬吊高度及相互间隔有关 2 吸声尖劈 消声室是模拟自由声场的实验室 它要求房间界面无反射 吸声尖劈多用于消声室等特殊场合 要求房间界面在较低频率范围以上都具有较高的吸声系数 0 99以上 吸声系数达到0 99的最低频率称为吸声尖劈的截止频率 吸声尖劈常用直径3 2 3 5mm的钢丝制成楔形框架 框架上固定玻璃丝布 塑料窗纱等面层材料 框内填超细玻璃棉等多孔吸声材料 尖劈的形状尺寸及所填多孔材料的吸声性能决定了尖劈的截止频率及其吸声系数 第二节室内声学原理 3 帘幕增加窗帘幕布的面密度 通过打褶或离墙或窗一定距离悬挂 通常为所考虑声波波长的1 4 可提高吸声系数 4 洞口洞口吸声系数的大小取决于洞口面积的大小以及第二空间的情况 朝向自由空间的洞口 其吸声系数等于1 5 人和家具人和家具的总吸声量 单个吸声量人和家具的数量 对于密集排列的观众席的吸声量 吸声系数观众席面积 此时观众席面积的计算应加上坐席区周围0 5m宽走道的面积 人的吸收主要是衣服的吸收 具有多孔材料的吸声特性 即中高频的吸声显著而低频的吸声较小 第二节室内声学原理 6 空气的声吸收空气对高频声的吸收较显著 在混响时间计算时应加以考虑 空气的吸收衰减系数用4m表示 与环境的温度和湿度有关 第二节室内声学原理 二 用几何声学与统计声学分析室内声学问题 几何声学的方法是忽略声音的波动性质 不考虑干涉和衍射现象 把声源向外辐射的声能量以声线代替 声线表示声音的传播方向和路径 声线在遇到界面或障碍物时 部分能量被吸收 同时产生反射声 第二节室内声学原理 一 扩散声场满足下述两个条件的声场称为扩散声场 1 声能密度在室内均匀分布 即在室内各点上 其声能密度处处相等 2 在室内任一点上 来自各个方向的声强相同 完全满足上述条件的理想扩散声场是不存在的 在用统计理论分析室内声学问题时 常把室内声场近似作为扩散声场来考虑 建筑声学领域中 有一专业实验室 称为混响室 它是模拟扩散声场的实验室 多用于材料或构造吸声系数的测定 产品及设备声功率级的测定 声源声学特性的分析与测量等 第二节室内声学原理 二 混响与混响时间混响是指声源停止发声后 在声场中还存在着的来自各个界面的反射声所形成的声音 残留 现象 该 残留 的声音衰变的快慢 用混响时间来量度 室内声场达到稳态后 声源突然停止发声 声压级衰变60db 即声能衰变到初始值的 10 6 所经历的时间 称为混响时间 符号为rt 单位为秒 s 混响时间是评价室内音质的重要客观声学参量 第二节室内声学原理 三 赛宾混响时间计算公式 v 房间体积m3 a 室内的总吸声量m2 s 室内总表面积m2 室内平均吸声系数 1 2 n 室内不同材料的吸声系数 s1 s2 sn 室内各种材料的表面积m2 第二节室内声学原理 四 艾伦混响时间计算公式 式中各符号的意义与赛宾混响时间公式相同 赛宾公式和艾伦公式都只考虑了室内表面的吸声作用 对于频率较高的声音 2000hz以上 室内空间较大时 空气也将有很大的吸声作用 考虑空气的吸声作用的艾伦 努特生混响时间计算公式为 4m 空气的吸声系数 由湿度和温度决定 注意 在室内表面平均吸声系数较小 0 2 时 用赛宾公式与用艾伦公式可以得到相近的结果 在室内表面平均吸声系数较大 0 2 时 艾伦公式比赛宾公式计算混响时间更准确 第二节室内声学原理 五 室内稳态声压级 声源在室内发声后 声场中的能量逐渐增加 当声源向室内辐射的能量与房间界面所吸收的能量相等时 室内声场达到稳定状态 这一般需要1 2s的时间 室内稳态声压级可由下式计算 lw 声源的声功率级 db q 指向性因数 与声源的位置有关 r 声源与受声点间的距离 m r 房间常数 是表示房间吸声强弱的物理量 第二节室内声学原理 六 混响半径 直达声能密度与混响声能密度相等处距离声源的距离称为混响半径 也称临界半径 由 得 ro 混响半径 在混响半径之内 受声点的声能主要是直达声的贡献 直达声的作用大于混响声 在混响半径之外 受声点的声能主要是混响声的贡献 在室内吸声降噪时 仅当受声点在混响半径之外 才会有明显的降噪效果 第二节室内声学原理 第三节材料的声学特性 声波人射到物体上 会发生反射 吸收和透射 材料的声学特性与入射声波的频率和角度有关 所以说到材料和结构的声学特性时 总是和一定的频率与一定的人射情况相对应 一 吸声材料和吸声构造材料的吸声能力常用吸声系数表示 某一种材料及其构造对不同频率的声波有不同的吸声系数 工程上通常采用125 250 500 1k 2k 4khz六个倍频程的吸声系数来表示某一种材料或构造的吸声频率特性 250 500 1k 2khz四个倍频程的吸声系数的算术平均值又称为降噪系数 取0 05的整数倍 工程上使用的材料吸声系数多用混响室法来测量 它通过测试混响室内铺设吸声材料前后的混响时间的变化 从而计算出材料的吸声系数 第二节室内声学原理 某构件的实际吸声效果用吸声量a来表征 它和构件的尺寸大小有关 a s a 构件的吸声量m2 s 构件的面积m2 构件的吸声系数 一 多孔吸声材料玻璃棉 超细玻璃棉 岩棉等无机材料 以及棉 毛 麻 木质纤维等有机材料属多孔吸声材料 第二节室内声学原理 1 吸声机理及吸声频率特性多孔材料具有大量内外连通的微小空隙和孔洞 当声波入射其中时 引起空隙中空气的振动 由于空气的黏滞阻力 空气与孔壁的摩擦和热传导作用 使声能转化为热能而损耗掉 错误认识一 表面粗糙的材料 如拉毛水泥等 具有良好的吸声性能 错误认识二 内部存在大量孔洞 单个闭合 互不连通 的材料 如泡沫塑料 具有良好的吸声性能 吸声频率 多孔吸声材料一般对中 高频声波具有良好的吸声能力 第二节室内声学原理 2 影响多孔材料吸声性能的因素 1 空气流阻空气流阻反映了空气质点通过材料空隙时的阻力 对于特定的多孔材料 存在最佳流阻 2 孔隙率孔隙率是指材料中连通的空隙体积和材料总体积之比 多孔材料的孔隙率一般在70 以上 多数达90 左右 对于一定厚度的多孔材料 存在最佳孔隙率 3 厚度增加多孔材料的厚度 可以增加对低频声的吸收 但对高频声的吸声性能影响则较小 厚度增加到一定程度时 对吸声系数的影响就不明显了 第二节室内声学原理 4 表观密度 容重 材料厚度不变 增加表观密度可提高中低频的吸声系数 但比增加厚度引起的变化相对较小 材料表观密度也存在最佳值 5 安装条件多孔材料背后留有空腔 其中 低频的吸声系数会有所提高 6 面层的影响多孔材料饰面应具有良好的透气性 否则会降低材料的吸声系数 7 温度和湿度的影响常温条件下 温度对多孔材料的吸声系数几乎没有影响 多孔材料吸湿后 中高频的吸声系数将降低 并使材料变质 多孔材料不适合在高湿条件下使用 第二节室内声学原理 二 共振吸声构造 利用共振原理设计的吸声构造一般有两种 一种是空腔共振吸声构造 一种是薄膜薄板共振吸声构造 1 空腔共振吸声构造空腔共振吸声构造 是在构造中封闭有一定体积的空气 并通过开口或小孔与声场空间连通 如亥姆霍兹共振器 各种穿孔板 如穿孔石膏板 金属板 纤维水泥板 木板等 狭缝板等背后设置空气层形成的吸声构造 第二节室内声学原理 亥姆霍兹共振器 如图3 5 a 所示 可用石膏浇筑 或采用专门设计的带孔径的空心砖或空心砌块 由封闭空腔通过开口与外部空间相联系 其吸声原理可用图3 5 b 说明 当孔深t和孔径d比声波波长小得多时 孔径中空气柱的作用类似于质量块 而空腔v比孔径大得多 其作用相当于空气弹簧 于是形成一共振系统 弹簧质量块系统 当外界入射声波的频率和系统的固有频率相等时 孔径中的空气柱由于共振而剧烈振动并与孔壁摩擦从而消耗声能 穿孔板吸声构造可看成是许多并联的亥姆霍兹共振器 如图3 5 c 所示 第二节室内声学原理 特点 该类吸声构造在共振频率附近吸声系数最大 离共振峰越远 吸声系数越小 其吸声频率特性与穿孔率 板厚 板后空气层的厚度以及空气层内是否填充多孔材料有关 而穿孔率的大小取决于孔径与孔距之比 为了展宽穿孔板后空腔构造的吸声频率范围并提高其吸声系数 一种方法是在穿孔板后铺设多孔吸声材料 另一种方法是采用孔径小于1mm的微穿孔板 微穿孔板常用金属薄板制作 其后一般不再铺设多孔材料 适用于高温 高湿 洁净和高速气流等环境中 当穿孔率超过20 时 穿孔板已成为多孔材料的面层而不再属于空腔共振吸声构造 第二节室内声学原理 2 薄膜 薄板共振吸声构造 在皮革 人造革 塑料薄膜 不透气帆布等具有不透气 柔软 受张拉时具有弹性等特征的材料后设置封闭的空气层 则形成共振系统 薄膜吸声构造的共振频率通常在200 1000hz范围内 最大的吸声系数约为0 3 0 4 一般作为中频范围的吸声材料 胶合板 石膏板 纤维水泥板 金属板等周边固定在龙骨上 连同板后留有的空气层 构成薄板共振吸声构造 薄板构造的共振频率多在80 300hz之间 最大吸声系数约为0 2 0 5 可作为低频吸声结构 板内填充多孔材料可提高吸声能力 建筑中大面积的抹灰吊顶 架空木地板 玻璃窗等的作用均相当于薄板共振吸声构造 第二节室内声学原理 三 用波动声学处理室内声学问题 用波动声学处理室内声学问题 即是从声波波动的物理本质出发 求解满足一定边界条件的声波动方程 这里仅限于讨论驻波及房间共振现象 一 驻波 驻波是驻定的声压起伏 由两列在相反方向上传播的同频率的声波相互叠加而形成 波腹和波节的位置固定 二 两个平行墙面间产生驻波的条件 两个平行墙面之间维持驻波状态的条件为 f 共振频率 hz l 两平行墙面间的距离 mc 声速 m s2n 不为零的正整数 每一个数对应一个振动方式 第二节室内声学原理 三 矩形房间的声共振 1 矩形房间的共振频率 在矩形房间的三对平行表面间也可产生共振 称为轴向共振 除了三个方向的轴向共振外 声波还可在两维空间内出现驻波 称为切向共振 此外 还会出现斜向共振 矩形房间的共振频率为 lx ly lz 分别为房间的长 宽 高 m nx ny nz 零或任意正整数 不同时为零 选择任一组nx ny nz不同时为零的非负整数 即对应一种振动方式 从上式可以看出 房间尺寸的选择 对共振频率有很大影响 第二节室内声学原理 2 共振频率的简并 某些振动方式的共振频率相同时 就会出现共振频率的重叠现象 称为共振频率的简并 在出现简并的共振频率上 那些与共振频率相当的声音会被加强 造成频率畸变 使人们感到声音失真 产生声染色 同时 这种简并现象还将导致某些频率的声音能量 特别是低频声 在空间分布上的不均匀 为了克服简并现象 使声音分布均匀 可采取以下措施 1 选择合适的房间尺寸 比例和形状 房间长 宽 高的比值选择为无理数时 可有效地避免共振频率的简并 在这方面 正方体的房间是最不利的 2 将房间的墙面或顶棚做成不规则形状 在墙面或顶棚上布置声扩散构件 或不规则地布置吸声材料 可在一定程度上克服共振频率的简并现象 扩声设备技术指标 雷波涛 功放 功率放大器简称功放 其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后 产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放 由于考虑功率 阻抗 失真 动态以及不同的使用范围和控制调节功能 不同的功放在内部的信号处理 线路设计和生产工艺上也各不相同 按功放中功放管的导电方式不同 功放可以分为甲类功放 又称a类 乙类功放 又称b类 甲乙类功放 又称ab类 和丁类功放 又称d类 等四类 功放分类 甲类功放 甲类功放是指在信号的整个周期内 正弦波的正负两个半周 放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止 即停止输出 的一类放大器 甲类放大器工作时会产生高热 效率很低 但固有的优点是不存在交越失真 单端放大器都是甲类工作方式 推挽放大器可以是甲类 也可以是乙类或甲乙类 乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两 臂 轮流放大输出的一类放大器 每一 臂 的导电时间为信号的半个周期 乙类放大器的优点是效率高 缺点是会产生交越失真 乙类功放 甲乙类功放 甲乙类功放界于甲类和乙类之间 推挽放大的每一个 臂 导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期 甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题 效率又比甲类放大器高 因此获得了极为广泛的应用 丁类功放也称数字式放大器 利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号 具有效率高 体积小的优点 许多功率高达1000w的丁类放大器 体积只不过像vhs录像带那么大 这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器 但在有源超低音音箱中有较多的应用 丁类功放 后级功放 不带信号源选择 音量控制等附属功能的功率放大器称为后级 前置放大器是功放之前的预放大和控制部分 用于增强信号的电压幅度 提供输入信号选择 音调调整和音量控制等功能 前置放大器也称为前级 前级功放 将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器 家中常见的功放机一般都是合并式的 合并式功放 其他概念说明 av功放 av功放是专门为家庭影院用途而设计的放大器 一般都具备4个以上的声道数以及环绕声解码功能 且带有一个显示屏 该类功放以真实营造影片环境声效让观众体验影院效果为主要目的 hi fi功放是为高保真地重现音乐的本来面目而设计的放大器 一般为两声道设计 且没有显示屏 hi fi功放 其他概念说明 hi fi功放 的输出功率一般大都在2x150瓦以下 设计上以 音色优美 高度保真 为宗旨 各种高新技术集中体现在这种功放上 价格也从千余元到几十万元不等 hi fi功放 又分 分体式 把前级放大器独立出来 和 合并式 把前级和后机做成一体 一般的讲 在同档次的机型中 分体式 在信噪比 声道分割度等指标上高于 合并机 不是绝对的 且易于通过信号线较音 合并式机则有使用方便 相对造价低的优点 平价合并机输出功率一般大都设计在2x100w以下 也有不少厂家生产2x100w以上的高档合并机 hi fi功放 其他概念说明 kalaok功放是近年发展起来的一种功放 它与一般功放的区别在于 kalaok功放 有混响器 从过去的bbd模拟混响发展到现在的digetal数字混响 并带有变调器 话筒放大器等 近年来一些厂家为了市场的需求 把包括av功放 kalaok功放在内的各种功能组合成一体即所谓 综合功放 这是一种大杂烩功放 什么都有 什么也做不好 是一种面向农村的抵挡功放 kalaok功放 其他概念说明 功放参数 额定输出功率 rms rms功率是所有功率标注方法中唯一真正有意义的参数 它指的是功放电路或喇叭单元在额定失真范围内 能够持续有效的输出和工作的最大功率 也称为 有效功率 我们在参阅一台功放或一只音箱的技术参数时 所指的功率一般都是指额定输出功率 额定输出功率是当谐波失真度为10 时的平均输出功率 也称做最大有用功率 通常来说 峰值功率大于音乐功率 音乐功率大于额定功率 一般的讲峰值功率是额定功率的5 8倍 功放参数 音乐功率 是指输出失真度不超过规定值的条件下 功放对音乐信号的瞬间最大输出功率 峰值功率 是指在不失真条件下 将功放音量调至最大时 功放所能输出的最大音乐功率 频率响应 表示功放的频率范围 和频率范围内的不均匀度 频响曲线的平直与否一般用分贝db表示 这个范围越宽越好 功放参数 失真度 理想的功放应该是把输入的讯号放大后 毫无改变的忠实还原出来 但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较 往往产生了不同程度的畸变 这个畸变就是失真 用百分比表示 其数值越小越好 功放的失真有谐波失真 互调失真 交叉失真 削波失真 瞬态失真 瞬态互调失真等 信噪比 是指信号电平与功放输出的各种噪声电平之比 用db表示 这个数值越大越好 输出阻抗 对扬声器所呈现的等效内阻 称做输出阻抗 功放配接 功放与音箱的配接 如果我们在配接时认识到上述四点 便可使所用器材的性能得到充分的 最大的发挥 2 技术方面 一 功率匹配 二 功率储备量匹配 三 阻抗匹配 四 阻尼系数的匹配 1 音色方面 注意搭配上是否冷暖相宜 软硬适中 使整套器材能够还原中性音色 功放与音箱的配接 1 功率匹配 为了达到高保真聆听的要求 额定功率应根据最佳聆听声压来确定 我们都有这样的感觉 音量小时 声音无力 单薄 动态出不来 无光泽 低频显著缺少 丰满度差 声音好像缩在里面出不来 音量合适时 声音自然 清晰 圆润 柔和丰满 有力 动态出得来 但音量过大时 声音生硬不柔和 毛糙 有扎耳根的感觉 因此重放声压级与声音质量有较大关系 规定听音区的声压级最好为80 85db a计权 我们可以从听音区到音箱的距离与音箱的特性灵敏度来计算音箱的额定功率与功放的额定功率 功放与音箱的配接 2 功率储备量匹配 1 音箱 为了使其能承受节目信号中的猝发强脉冲的冲击而不至于损坏或失真 这里有一个经验值可参考 所选取的音箱标称额定功率应是经理论计算所得功率的三倍 2 功放 电子管功放的过荷曲线较平缓 对过荷的音乐信号巅峰并不明显产生削波现象 只是使颠峰的尖端变圆 这就是我们常说的柔性剪峰 晶体管功放在过荷点后 非线性畸变迅速增加 对信号产生严重削波 它不是使颠峰变圆而是把它整齐割削平 功放与音箱的配接 3 阻抗匹配 功放的额定输出阻抗 应与音箱的额定阻抗相一致 此时 功放处于最佳设计负载线状态 因此可以给出最大不失真功率 如果音箱的额定阻抗大于功放的额定输出阻抗 功放的实际输出功率将会小于额定输出功率 如果音箱的额定阻抗小于功放的额定输出阻抗 音响系统能工作 但功放有过载的危险 要求功放有完善的过流保护措施来解决 对电子管功放来讲阻抗匹配要求更严格 功放与音箱的配接 4 阻尼系数kd匹配 由于功放输出内阻实际上已成为音箱的电阻尼器件 kd值便决定了音箱所受的电阻尼量 kd值越大 电阻尼越重 当然功放的kd值并不是越大越好 kd值过大会使音箱电阻尼过重 以至使脉冲前沿建立时间增长 降低瞬态响应指标 因此在选取功放时不应片面追求大的kd值 为了保证放音的稳态特性与瞬态特性良好的基本条件 应注意音箱的等效力学品质因素 qm 与放大器阻尼系数 kd 的配合 这种配合需将音箱的馈线作音响系统整体的一部分来考虑 应使音箱的馈线等效电阻足够小 小到与音箱的额定阻抗相比可以忽略不计 其实音箱馈线的功率损失应小于0 5db 约12 即可达到这种配合 功放配置 1 在一些要求低而投资有限工程功放的功率起码相当于音箱的额定功率 但要非常注意保持声音不失真 过小的功率配置看起来不会损坏扬声器单元 其实不然 过小的功率极易发生过载削波 产生大量谐波 烧毁高音单元 2 一般工程建议功放的功率是音箱的1 5倍 而低音部分最好超过1 5倍 这样才能获得足够的力量感 3 要求极高的场所 例如录音室监听 音乐厅等 最理想是音箱功率的两倍匹 这与国际电工委员会iec制定的配接标准推荐值中的一种方案一致 音箱技术参数 音箱常见的额定阻抗有4欧 6欧 8欧 16欧等 由于目前音箱使用晶体管或集成电路功率放大器驱动的占主导地位 而这类放大器一般都不用输出变压器 所以连接喇叭的阻抗大都也就在4 16欧的范围内 使用中应按功放要求选择喇叭的阻抗 额定阻抗 有效频率范围 音箱声压频率范围越宽 则频率特性越好 音箱有效频率范围在国际电工委员会标准中有严格规定 现在有些厂商虽然标出了音箱频率响应范围 但没有标出有效范围 如一对音箱标明频率响应范围20hz 20khz 而另一对音箱标明为30hz 17khz 3db 两者相比后者似乎没有前者的频率响应宽 但事实上 后一对音箱的频率响应曲线标明了只在 3db范围内变化 因此后者比前者好 音箱技术参数 三分频音箱的性能一般来说应比二分频音箱好 因为三分频增加了一个中频扬声器单元 可使中音更加醇厚 而且使三个扬声器各自分担的功率减少 因此整个音箱可以承担更大的功率和输出更大的音量 当然 三分频音箱增加了一个中音单元与一个分频器 其价格比同档次的二分频音箱贵 分频 扬声器口径 低音扬声器的口径一般为20 38cm 也有60cm或72cm的超大口径 高音扬声器口径一般为2 6cm 也有大于9cm 对于低音扬声器来说 并非口径越大越好 因为口径越大 其纸盆在振动时越容易变形 产生分割振动 从而引起失真 灵敏度 音箱的灵敏度每差3db 输出的声压就相差一倍 一般以87db为中灵敏度 84db以下为低灵敏度 90db以上为高灵敏度 灵敏度的提高是以增加失真度为代价的 所以作为高保真音箱来讲 要保证音色的还原程度与再现能力就必须降低一些对灵敏度的要求 但不能反过来说 灵敏度高的音箱音质一定不好而低灵敏度的音箱一定就好 灵敏度低的音箱功放难以推动 要求功放的贮备功率较大 所以灵敏度虽然是音箱的一个指标 但是它与音箱的音质音色无关 阻抗 音箱阻抗 音箱的阻抗是指扬声器输入信号的电压与电流的比值 音箱的输入阻抗大体可以分为高阻抗和低阻抗两种 高于12 左右是高阻抗 低于4 左右是低阻抗 一般音箱的标准阻抗在8 时比较合适 恒定一台功放的功率时一般以8 为准 比如在功放输出功率相同的情况下 4 的低阻抗音箱可以获得比8 阻抗音箱更大的输出功率 但是如果阻抗太低了又会造成阻尼系数不高 这样会影响音质 功放阻抗 阻尼系数 是指放大器的额定负载 扬声器 阻抗与功率放大器实际阻抗的比值 阻尼系数大表示功率放大器的输出电阻小 阻尼系数是放大器在信号消失后控制扬声器锥体运动的能力 具有高阻尼系数的放大器 对于扬声器更象一个短路 在信号终止时能减小其振动 功率放大器的输出阻抗会直接影响扬声器系统的低频q值 从而影响系统的低频特性 扬声器系统的q值不宜过高 一般在0 5 1范围内较好 功率放大器的输出阻抗是使低频q值上升的因素 所以一般希望功率放大器的输出阻抗小 阻尼系数大为好 阻尼系数一般在几十到几百之间 优质专业功率放大器的阻尼系数可高达200以上 频率响应 所谓频率响应是指音响设备重放时的频率范围以及声波的幅度随频率的变化关系 一般检测此项指标以1000hz的频率幅度为参考 并用对数以分贝 db 为单位表示频率的幅度 音响系统的总体频率响应理论上要求为20 20000hz 在实际使用中由于电路结构 元件的质量等原因 往往不能够达到该要求 但一般至少要达到32 18000hz 信噪比 所谓信噪比是指音响系统对音源软件的重放声与整个系统产生的新的噪声的比值 其噪声主要有热噪声 交流噪声 机械噪声等等 一般检测此项指标以重放信号的额定输出功率与无信号输入时系统噪声输出功率的对数比值分贝 db 来表示 一般音响系统的信噪比需在85db以上 动态范围 动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态时系统噪声输出功率之比的对数值 单位为分贝 db 一般性能较好的音响系统的动态范围在100 db 以上 音色 对声音音质的感觉 也是一种声音区别于另一种声音的特征品质 不同的乐器在发同一音调时 它们的音色可以全然不同 这是由于它们的基频频率虽相同 但谐波成分相差甚大 故音色不但取决于基频 而且与基频成整倍数的谐波密切有关 这就使每种乐器和每个人有不同的音色 等响度控制 其作用是低音量时提升高频和低频声 由于人耳对高频声 特别是低频声的听觉灵敏度差 要求在低音量时对高频和低频进行听觉补偿 即要求对低频有较大提升 对高频也有一定量的提升 换句话说 当音量减小时 信号中低频部分的减小较高频部分为少 等响度控制即满足此要求 等响度控制一般为8db或10db 失真 失真是指音响系统对音源信号进行重放后 使原音源信号的某些部分 波形 频率等等 发生了变化 音响系统的失真主要有以下几种 1 谐波失真 所谓谐波失真是指音响系统重放后的声音比原有信号源多出许多额外的谐波成分 此额外的谐波成分信号是信号源频率的倍频或分频 它是由负反馈网络或放大器的非线性特性引起的 高保真音响系统的谐波失真应小于1 2 互调失真 互调失真也是一种非线性失真 它是两个以上的频率分量按一定比例混合 各个频率信号之间互相调制 通过放音设备后产生新增加的非线性信号 该信号包括各个信号之间的和及差的信号 3 瞬态失真 瞬态失真又称瞬态响应 它的产生主要是当较大的瞬态信号突然加到放大器时由于放大器的反映较慢 从而使信号产生失真 一般以输入方波信号通过放音设备后 观察放大器输出信号的包络波形是否输入的方波波形相似来表达放大器对瞬态信号的跟随能力 立体声分离度 立体声分离度表示立体声音响系统中左 右两个声道之间的隔离度 它实际上反映了左 右两个声道相互串扰的程度 如果两个声道之间串扰较大 那么重放声音的立体感将减弱 立体声平衡度 立体声平衡度表示立体放音系统中左 右声道增益的差别 如果不平衡度过大 重放的立体声的声像定位将产生偏移 一般高品质音响系统的立体声平衡度应小于1db 幻象电源 调音台上经常有一个幻象电源的开关 控制一组 例如8个 输入插座 你需要知道如果有其他类型的麦克风 例如动圈麦克风 同时应用时会发生什么情况 一般情况下 动圈麦克风的信号从2 3脚送出 即使幻象电源打开 两个脚的电位相等 完全可以正常使用 带有内部自己供电的电容麦克风不要接到幻象电源上 电子管电容麦克风也不要接到幻象电源上 它们要求更高的电压和更大的电流 通常配有专用的电源供应 幻象电源主要为电容话筒提供工作电源 非电容话筒就无需幻想电源 幻象供电要求在麦克风和电源供应端之间的平衡连接 通常使用xlr插头的3根导线 2和3脚供给相同的直流电压 这一电压是相对1脚的地电位而言 一般来说 幻象电源的来源是交流市电 只有在没有交流电的地方如野外才考虑用电池供电 现有的幻象电源类型共3类 使用的电压为12 24和48伏 混响时间 指在一个稳定的声音信号突然中断后 厅堂内的声压级跌落60db所需要的时间 单位是秒 它的数学表达式如下 可以发现 混响时间是和建筑装饰的结构和材料密切相关的参数 在实际的工程中 混响时间更是厅堂建筑声学效果的重要考证指标 指实际声压和基准声压之比的20倍对数值 单位是分贝 这是它的数学表达式 它的重要性就在于 所有的音响系统的发声情况 所有的扩声场所的声学质量 都需要有这项指标 在后面的设计计算中它还是一个计算基准 声压级 国标gb 3947 是专业的声学名词术语的解释 国标gb 4959 是厅堂扩声特性的测量方法 gyj 25 是厅堂扩声系统的声学特性指标 它们是两个重要的国家标准 几乎所有的工程在设计 施工 验收时都需要把它们作为依据 国标gb t14218 93 是电子调光设备性能参数与测量方法 sj2112 82 是厅堂扩声系统设备互联的优选电气配接值 这两个标准在设备的选型和工程测试验收中能起到重要的作用 相关依据 话筒指向性 话筒灵敏度随声波人射方向而变化的特性 由话筒的内部结构决定 通常用极坐标曲线图的形式进行描绘 以表示不同频率的声音在不同角度下 话筒的拾音灵敏度的变化情况 常见的指向特性有心形 全向型 双向型 超心形和强指向形等 不同指向性的话筒适合不同场合 扩声设备连接与调试 雷波涛 调音台 调音台又称调音控制台 它将多路输入信号进行放大 混合 分配 音质修饰和音响效果加工 是现代电台广播 舞台扩音 音响节目制作等系统中进行播送和录制节目的重要设备 调音台按信号出来方式可分为 模拟式调音台和数字式调音台 第一部分 信号放大 参数均衡和插入效果 我们知道 话筒产生的音频信号是非常微弱的 而另外一些设备的输出信号比话筒的信号强很多倍 而且他们的信号大小也是各不相同 参差不齐 我们需要一种设备将这些大大小小的声音信号调整成相同的大小 再进行混音 这种设备就是前置放大器 调音台