环境管理_建筑声环境基本知识概况

第五章建筑声环境 河南城建学院建筑环境与能源工程系 2 本章要点 3 声环境控制的意义 创造良好的满足要求的声环境保证居住者的健康提高劳动生产率保证工艺过程要求录音棚 演播室高保真音乐厅 4 天坛回音壁 第一节 声音的度量与声环境的描述 6 声音是什么 在弹性媒质中传播的机械波声源 振动的固体 液体 气体特性 波长 频率f 声速c 7 声音的基本概念 声音是由于物体的振动而产生的介质质点的机械振动由近及远的传播就称为声振动的传播 或称声波 声波是一种机械波 声波只不过是通过这些介质载体将声能由近及远地进行着传播 8 声波的概念 9 声音的传播速度 声速与媒质的弹性 密度和温度有关空气中的声速 理想气体中k绝热指数 R气体常数 T绝对温度 空气中声速是温度的单值函数 在建筑环境领域中变化范围很小 近似 340m s固液体中的声速钢5000m s松木3320m s水1450m s软木500m s 10 声音的频率特性 波长 指简谐声波中两相邻波峰之间的距离 单位为 m 周期T 指在简谐声波中声波通过一个波长的距离所用的时间 单位为 秒 S 频率f 物体在一秒钟内振动的次数 单位为 赫兹 Hz 声速c 声波在一秒钟内传播的距离 通常之间有如下关系 c f或c T且有 T 1 f声速与气温 的关系可简单地描述为 c 331 45 0 61 11 声音的频带 人耳可以听见范围为20 20000Hz人耳听不见的范围20Hz以下 次声20000Hz以上 超声 12 蝙蝠通过超声波回音导航 13 按频率组成分类 14 按声音的频率特性分类 低频声 声频率小于300Hz的声音 中频声 声频率在300Hz至1000Hz范围内的声音 高频声 声频率大于1000Hz的声音 频谱图 以声频率为横坐标 以反映对应频率成分强弱的量 如 声压级 声强级或声功率级 为纵坐标 组成的反映频率与强度相对应关系的图形 即为频谱图 15 16 声音的频率特性和倍频程 为研究方便起见 常把宽广的声频变化范围划分为若干较小的段落 这些较小的段落我们又常将其称之为频程 而在每个频程中 为全面反应此频程的特性 通常用上限频率f上 下限频率f下 中心频率f中以及频程宽度即带宽 f来描述 如图5 4所示 且在同一频程内有公式 5 4 17 倍频程 定义 在噪声控制中 对频率作相对比较的单位叫倍频程 但在对两频率作比较时 一般并不是简单地使f2 f1 m 将m当作倍频程 而是将m与2联系起来 使m 2n 即f2 f1 2n 则n即为两频率相差的倍频程值 由f2 f1 2n知 n log2 f2 f1 18 倍频程 引入频程和倍频程的概念 主要目的是为了将可听声20至2000Hz分成若干个频程 以便于研究 现在一般常用的划分方法为 1 1倍频程 1 2倍频程 1 3倍频程 当然根据研究的精度要求 还可以选择1 4 1 5等倍频程 倍频程值n越小 频程分得越细 倍频程 两个频率之比为2 1的频程 一般用倍频程划分频带 中心频率分别为 31 3 31 25 63 62 5 125 250 500 1000 2000 4000 8000Hz 19 声音的度量 声功率W 声源在单位时间内对外辐射的声能 即在全部可听范围所辐射的功率 单位W 也可特指在某个有限频率范围所辐射的功率 亦称频带声功率 声压p 声波的压强与媒质的静压之差 Pa听阈声压 1000Hz 声压为2 10 5Pa痛阈声压 1000Hz 声压为20Pa 20 声音的度量 声强I 单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的平均声能量 单位为 W m2 声强与声压之间如下关系 21 声源的扩散和叠加特性 点声源的声功率和声强 声音球面扩散声强可以直接叠加 故有 总声压是各声压的均方根 22 级的概念 分贝标度和声级 常用一个成倍比关系的对数量 级 来表示声音的大小 称为声级 单位为 分贝 dB 23 级的概念 声强级声压级声功率级 24 声源声级叠加 非线性 两个声源叠加 I P W声级同理 n个相同声源L1叠加 两个相同声源叠加 声级增加了10lg2 3dB 25 声级的叠加计算 26 两个不同声源叠加 差别超过10 15dB 可以忽略 增加的声级数 声源声级差 27 声学量的表示及运算 28 声音的传播规律 遇到障碍物 反射 散射 衍射 绕射 A E障碍物相对波长的尺度由大至小 29 30 声音的透射和吸收 透射 31 声音的传播特征 32 声音的传播和衰减 对于点声源 相对参考值 11 33 声音的传播特征 34 声音的传播特征 35 声音的传播特征 36 声音在室内的增长和衰减 室内吸声量越大 衰减越快房间容积越大 衰减越慢 声能密度D t J m2 37 r r Lp Lp LW LW S0为声源面积 f为频率 I IV是声源的4种位置 指向性因数Q A B 室内的声压级 室内某点声压级Q 指向性因数 取决与声源与接收点的相对关系R 房间常数S 房间总表面积 a 平均吸声系数 38 39 40 声音的方向性及时间性 声源在不同方向辐射的声压 或声强 有不相同的性质 此特性称声源的指向性 指向性与频率有关 频率高则指向性强 声音的时间性是指声音随时间变化的特性 如是否连续稳定 是否是间断的 是否是起伏变化的以及是否是脉冲的等等 41 建筑声学特性 42 封闭空间的声特性 43 有趣的共振现象 当军队过桥的时候 整齐的步伐能产生振动 如果它的频率接近于桥梁的固有频率 就可能使桥梁共振 以致到了断裂的程度 因此 部队过桥要用便步 在我国西北一带 山头终年积雪 每当春暖花开 山上冰雪融化 雪层会离开原来的地方滑动 往往一次偶然的大吼声 厚厚的雪层就会因为共振而崩塌下来 因此规定攀登雪山的勘察队员 登山队员不能大声说话 44 有趣的共振现象 胡琴的下端都有一个蒙上蛇皮的竹筒 当拉起胡琴时 琴弦的振动通过蛇皮会引起 肚子 中空气的共鸣 使发出来的琴声不仅响亮 而且音乐丰满 悠扬动听 建筑工人在造房子的时候 不论是浇灌混凝土的墙壁或地板 为了提高质量 总是一面灌混凝土 一面用振荡器进行震荡 使混凝土由于振荡更紧密 结实 第二节 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 46 2 1人耳的听觉特征 特征 对高频声比对低频声敏感响度级 用1000Hz纯音的声压级代表其等响曲线的响度级 单位Phon 等响曲线 47 1 听觉范围 可闻阈 听阈 人耳刚能感受的声音 p0 2 10 5Pa I0 1 10 12W m2痛阈 闻之人耳则痛 p 20Pa I 1W m2 48 耳朵的构造 49 听不懂自己 平时听到的声音 通过两条不同途径传入耳内 其一是通过空气 将声波的振动经过外耳 中耳一直传到内耳 最后被听觉神经感知 其二是通过骨头传播声音 听自己讲话 主要是靠骨导这种方式 从声带发出的振动经过牙齿 牙床 上下颌骨等骨头 传入我们的内耳 由于空气和骨头是两种不同的传声没媒质 它们在传播同一声源发出的声音时 会产生不同的效果 因此 通过不同途径传来的声音的音色有差别 于是就觉得录音机里放出来的声音不像自己的声音 50 人体对声音的反应原理 什么是噪声 人们不愿意听到的任何声音 空气声 经空气和围护结构传播 固体声 振动噪声 51 音乐声与普通声响的区别 音乐为非连续频谱 只含有基频和谐频 而谐频是基频的整倍数 普通声响频谱一般为连续频谱 无上述特征 52 不同噪声源的频谱图 53 2 响度和响度级 1 响度 人耳判别声音由轻到响的强度等级概念 它不仅取决于声音的强度 如声压级 还与它的频率及波形有关 响度的单位为 宋 1宋的定义为声压级为40dB 频率为1000Hz 且来自听者正前方的平面波形的强度 如果另一个声音听起来比1宋的声音大n倍 即该声音的响度为n宋 2 响度级 度级是建立在两个声音主观比较的基础上 选择1000Hz的纯音作基准音 若某一噪声听起来与该纯音一样响 则该噪声的响度级在数值上就等于这个纯音的声压级 dB 响度级用LN表示 单位是 方 如果某噪声听起来与声压级为80dB 频率为1000Hz的纯音一样响 则该噪声的响度级就是80方 54 响度与响度级的关系 根据大量的实验得到 响度级每改变10方 响度加倍或减半 它们的关系可用下列数学式表示 N 2 LN 40 10 或LN 40 33lgN注意 响度级的合成不能直接相加 而响度可以相加 应先将各响度级换算成响度进行合成 然后再换算成响度级 55 响度级与频率及声压级的关系 从大量测量的统计结果中 得到一般人对不同额率的纯音感觉为同样响的响度级与频率的关系曲线 这就是等响曲线 从等响曲线可以看出 人耳对1000Hz的声音最敏感 而且对高频声比对低频声的灵敏性要好 根据这个道理 汽车喇叭声和救火车的警笛声的频率一般都设计在l000一5000Hz范围内 56 掩蔽效应 一种声音存在提高了另一种声音的可闻阈频率相近则掩蔽作用显著对高频掩蔽作用比对低频掩蔽作用大有利有弊弊 听不清要听的内容 降低工作效率利 避免一些噪声的干扰 提高工作效率 57 3 掩蔽效应 适合的掩蔽背景声的特点无表达含义响度不大连续无方位感掩蔽背景声低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声轻微的音乐声隐约的语言声 58 什么是掩蔽效应 一个较弱的声音的听觉感受被另一个较强的声音影响的现象称为人耳的 掩蔽效应 在掩蔽情况下 提高被掩蔽弱音的强度 使人耳能够听见时的闻阈称为掩蔽闻阈 或称掩蔽门限 被掩蔽弱音必须提高的分贝值称为掩蔽量 或称阈移 59 日本办公楼噪声干扰感觉的调查 60 4 双耳听闻效应 方位感 人耳在头部的两侧 约距20cm 由于到达双耳地声音有微小的时间差 强度差和相应差 人们就能辨别声音的方向 确定声源的位置 即使有若干个声源同时发声 人们也能分辨出它们各自所在的方向 甚至在声音很多的情况下 某一声音 直达声 反射声 在不同的时刻到达两耳 人们仍能判断它们是来自不同一个声源的声音 双耳定位能力使人们有可能在嘈杂的噪声环境中分辨出来自某个方向的所需注意的声音 单耳听闻就不容辨别声音的方位 61 双耳听闻效应在音质设计中的作用 双耳听闻效应在厅堂音质设计中占有重要的地位 目前 剧场观众厅扩声系统中的场声器倾向于配置在台口上方 也是考虑到人耳左右水平方向的分辨能力远大于上下垂直方向而确定的 从而克服了过去把扬声器组配置在台口两侧所造成部分听众感到声音来自侧向的缺陷 避免使听众明显地感到场声器发出的声音与讲演者的直达声来自不同的方向 62 5 2 2室内环境噪声的特征 噪声定义噪声就是人们不需要的声音 它不仅包括杂乱无章不协调的声音 而且也包括影响旁人工作 休息 睡眠的各种音乐声 谈话声 脚步声以及一切飞行 行驶中发出的马达声和机械的撞击声等 因此 对噪声判断往往与个人所处的环境和主观愿望有关 63 室内噪声的来源 交通噪声工业噪声与建筑施工噪声社会生活噪声空调噪声 64 噪声 人们不愿意听到的任何声音 空气声 经空气和围护结构传播 固体声 振动噪声 65 工业噪声主要来源 工业噪声一般是指在工业生产过程中 由于机械设备运转而发出的声响 主要包括以下三种 空气动力性噪声是由于气体振动产生的 当气体受到扰动 气体与物体之间有相互作用时 就会产生这种噪声 鼓风机 空压机 燃汽轮机 高炉和锅炉排气放空等都可以产生空气动力性噪声 机械噪声是由于固体振动而产生的 在撞击 摩擦 交变机械应力或磁性应力等的作用下 机械设备的金属板 轴承 齿轮等发生碰撞 振动而产生机械噪声 电磁噪声是由于电动机和发电机中交变磁场对定子和转子作用 产生周期性的交变力 引起振动时产生的 电动机 发电机和变压器都可以产生这种噪声 66 5 2 3噪声的危害 在强烈的噪声环境中 人耳会感到持别难受 过一段时间 听觉才会逐渐恢复正常 这种现象叫做听觉疲劳 人的内耳听觉器官未受到损伤 医学上称之为 暂时性听阈偏移 如果长期工作在90dB A 以上的噪声环境中 听觉疲劳现象就无法消除 而且逐渐变得越来越严重 导致人的内耳听觉器官发生器质性病变 发展成为不可治愈的噪声性耳聋 医学上称之为 永久性听阈偏移 噪声性耳聋与噪声的强度及接触时间有关 噪声强度越大 耳聋的发病率就越高 对于同样强度的噪声 接触时间越长 耳聋的发病率也就越高 另外 噪声性耳聋还与噪声的频率有关 频率越高 内耳听觉器官越容易发生病变 在不同强度的噪声作用下 除听力减退以外 还会有耳鸣或耳疼的症状 甚至造成永久性的痛苦 115dB A 以下的噪声致聋 都属于慢性噪声性耳聋 如果噪声高达140dB A 以上 一次刺激就会使人的耳鼓膜破裂出血以致双耳完全失听 67 68 69 噪声的危害 噪声作用于人的中枢神经系统时 会使人的大脑皮层的兴奋和抑制平衡失调 导致条件反射异常 脑血管张力受损等 这些生理变化 如果得不到及时的恢复 就会产生头疼头晕 失眠多梦 心悸恶心 全身乏力和记忆力衰退等症状 医学上称为神经衰弱症 噪声作用于人的中枢神经系统时 还会影响人的消化系统 引起肠胃机能阻滞 消化分泌异常 胃酸度降低 胃收缩减退 造成消化不良 食欲不振 胃功能紊乱等症状 从而导致胃病及胃溃疡的发病率增高 噪声作用于人的植物神经系统时 可以产生末梢血管收缩现象 血管收缩时 心脏排血量减少 舒张压增高 因而会给心脏带来坏处 噪声还可使人的交感神经紧张 从而使人产生心动过速 心律不齐 血管痉挛 心电图T波升高 传导阻滞 血压波动等症状 70 1 计权声级 为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量 研究人员在噪声测量仪器 声级计中设计了一种特殊滤波器 叫计权网络 通过计权网络测得的声压级 不是客观物理量的声压级 而叫计权声压级或计权声级 简称声级 71 A B C和D计权声级 常用的有A B C和D计权声级 A计权声级是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性 B计权声级是模拟55 85dB的中等强度噪声的频率特性 C计权声级是模拟高强度噪声的频率特性 D计权声级是对噪声参量的模拟 专用于飞机噪声的测量 计权网络是一种特殊滤波器 当含有各种频率通过时 它对不同频率成分的衰减是不一样的 A B C计权网络的主要差别是在于对低频成分衰减程度 A衰减最多 B其次 C最少 72 声音的测量 A声级 声级计为模拟人耳听觉而进行滤波 分别模拟人耳对40方 70方和100方纯音的反应而得到A B C三种计权方式 用A计权方式测得的噪声级称作A声级 是一个综合叠加得到的单一的数值 由于通常环境噪声响度多在40方上下 故A声级能够较好地反映人对噪声的主观反应 73 声音的测量 A声级 74 2 语言干扰级SIL 语言干扰级是评价噪声对语言干扰的单值量 以中频率为500 1000 2000和4000Hz4个倍频带噪声声压级的算术平均值作为语言干扰级 语言干扰级只反映人们所处环境的噪声背景 75 3 等效连续声级 计权声级能够较好地反映人耳对噪声的强度与频率的主观感觉 因此对一个连续的稳态噪声 它是一种较好的评价方法 但对一个起伏的或不连续的噪声 A计权声级就显得不合适了 例如 交通噪声随车流量和种类而变化 又如 一台机器工作时其声级是稳定的 但由于它是间歇地工作 与另一台声级相同但连续工作的机器对人的影响就不一样 因此提出了一个用噪声能量按时间平均方法来评价噪声对人影响的问题 即等效连续声级 符号 Leq 或 LAeq T 76 等效连续声级 它是用一个相同时间内声能与之相等的连续稳定的A声级来表示该段时间内的噪声的大小 例如 有两台声级为85dB的机器 第一台连续工作8小时 第二台间歇工作 其有效工作时间之和为4小时 显然作用于操作工人的平均能量是前者比后者大一倍 即大3dB 因此 等效连续声级反映在声级不稳定的情况下 人实际所接受的噪声能量的大小 它是一个用来表达随时间变化的噪声的等效量 77 4 统计声级 为了反映起伏的城市噪声 特别是起伏的道路交通噪声 也为了评价与人们烦恼有关的噪声暴露 记录噪声随时间变化的A声级并作统计分析 就得到统计百分数声级 记作Lx 78 79 噪声评价曲线 NR NoiseRating 单值A声级不能反映噪声的频谱特性 NR曲线 中国 欧洲常用 ISO推荐考虑了低频噪声难消除的因素LA NR 5dB 80 NR评价曲线的应用 设计应用 利用NR曲线获得各个倍频带的声压值 即为允许值 校核应用 通过现场实测数据判断室内NR噪声值是否达标 81 噪声评价曲线 NC NC曲线 NoiseCriterionCurves Beranek于1957年提出 1968年开始实施 ISO推荐 英 美 日常用 对低频的要求比NR曲线苛刻LA NC 10dBNC NR 5 82 噪声评价曲线 PNC PNC PreferredNoiseCurves 是对NC曲线进行的修正对低频部分更进一步进行了降低PNC 3 5 NC 83 7 昼夜等效声级Ldn 人们对夜间的噪声比较敏感 因此对所有在夜间8小时出现的噪声级均以比实际值高出10dB来处理 这样就得到一个对夜间有10dB补偿的昼夜等效声级 84 我国的室内噪声标准 房间类型NR dB A声级dB A 卧室 书房 病房35 45 40 50起居室40 45 40 50语言教室35 40一般教室45 50门诊室50 55 55 60手术室40 45 40 50宾馆客房30 45 35 50会议室3035学术报告厅 阅览室2530室内乐 演唱厅2025办公室3540宴会厅3540 第三节 环境噪声控制途径 86 87 噪声控制措施 降低噪声源噪声噪声源的控制 减振传播途径降低噪声吸声 隔声 消声 隔振掩蔽主动加入掩蔽噪声 88 吸声材料和吸声结构 多孔吸声材料微孔很多且相互连通 吸收多 反射少 效果好 如纤维板 毛毡 矿棉微孔靠得很近却不相通 效果不好 如泡沫树脂 多孔橡胶共振吸声结构薄膜 薄板共振吸声结构空腔 穿孔板共振吸声结构空间吸声体 89 多孔吸声材料 吸声材料的吸声特性与材料的厚度 容重 孔隙率 结构 甚至温度 湿度等因素有关 容重 即每立方米体积吸声材料的重量 通常对于超细玻璃纤维棉的容量取15至25千克每立方米多孔性吸声材料置于刚性墙面时 一般两者间应留5至10cm的空气层 90 吸声结构 薄板 薄膜共振吸声结构 结构非常简单 将薄板或薄膜周边固定在框架上 板后留下一定厚度的空气层即构成 当入射声波的频率与结构的固有频率一致时 消耗的声能最大 此频率称为该吸声结构的共振频率 其数值由板 膜 的面密度和空气层厚度确定 其共振频率在80 300Hz的范围内 吸声系数在0 2 0 5之间 薄膜共振结构的共振频率常在200 1000Hz之间 最大吸声系数可达0 3 0 4 91 吸声结构 穿孔板 空腔 共振吸声结构 在石棉水泥板 石膏板 胶合板 钢板 铝板上穿小孔 并在其背后设置空腔 小孔处的空气柱可看作是一不可压缩且有一定质量的物体 而空腔内的空气体积大空气可压缩 因此具有弹性 于是构成一弹性系统 此弹性系统即亥姆霍兹 Helmhoitz 共振器 孔板共振吸声结构即由若干个上述亥姆霍兹共振器并联而成 92 吸声材料吸声原理 声波导致空气在吸声材料中行进 反射 折射过程中产生摩擦而损耗声能 转变为热能吸声材料也容易透声 93 吸声系数a 吸收声占入射声的比例 94 立体扩散吸声板 95 微孔吸声板 96 共振消声原理 共振结构在声波激发下振动 振动的结构由于本身的内摩擦和与空气间的摩擦把部分振动能量转变为热能而损耗 因此振动的结构消耗声能 产生吸声效果 适应频带 中 低频共振会放大声音吗 共振 共鸣 共鸣 机械能激发物体振动向空气辐射声能共振 空气中传播的声能激发物体机械振动 97 薄膜薄板共振吸声结构 不透气薄膜薄板与板壁间有一空气夹层 薄膜 薄板振动消耗声能 98 空腔共振器 空腔孔颈空气柱由于共振而激烈运动 消耗能量 腔内空气起弹簧缓冲作用 99 穿孔板共振器 穿孔板与墙间空腔形成共振腔 100 空间吸声体 消声材料 当房间表面不足作吸声表面时使用 101 空间吸声体 空间吸声体特点在于它不是与顶棚 墙面等风性壁组合厅局级结构 而是自成系统的 优点 施工方便和缩短工期 可预制 再进行现场吊装 从本质上讲 吸声不是什么新的吸声结构 但由于使用条件不同 吸声特性也有所不同 空间吸声体有两个或两个以上的面与声波接触 有效有吸声面积比投影面积大得多 按投影面积计算 其吸声系数可大 对于形状复杂的吸声体 在实际计算中常用单个吸声体的吸声面积表示其吸声特性 102 吸声减噪注意事项 室内原有平均吸声系数较大时 减噪效果不明显 主要减少反射声能的传递 只能减少4 12dB对于噪声以直达声为主的环境 吸声减噪的效果不大 103 104 105 106 隔声 107 108 隔声墙 109 隔声墙 110 空气层对隔声效果的影响 空气层厚度有一个最佳值 111 设备隔声 隔声罩的作用 没有隔音措施 用板材围合密封 用25mm厚玻璃纤维隔音 板材罩内衬25mm厚的玻璃纤维 风机 马达 112 发电机房隔声处理 不仅可减低噪声 还具备良好的减振效果本实例中的隔声构建 降噪效果可达到35 50dB 113 小孔对隔声作用的影响 孔径相对波长越大 衍射作用越强 11 7cm 3 4m 114 风机隔声房 115 气流噪声控制 消声器 消声器种类阻性消声器 利用吸声材料 中 高频有效抗性消声器 中 低频有效扩张型共振型复合型消声器 多种形式组合 宽频带消声 116 消声评价指标 消声性能 以消声量 消声系数和消声指数大小评价空气动力系数 以压力损失 阻力系数大小评价结构性能 几何尺寸 寿命 价格 117 消声原理 阻性消声器 利用布置在管内壁上的吸声材料或吸声结构 使沿管道传播的噪声迅速衰减抗性消声器 利用声阻抗的不连续性来产生传输损失消声器种类扩张室 利用管道截面的突然扩张和收缩达到消声的目的共振腔 利用声阻抗失配 使沿管道传播的噪声在