建筑物理 室内声环境1.ppt

室内声环境 第二篇 意义 地位 与其他学科的关系 学习方法 阐述基本的物理概念 设计原理 复杂的公式推导从略 绪论 一 意义 1 声音的利用 在音乐厅 歌剧院 体育馆 会议厅 报告厅 审判厅 天象馆 演播室 录音棚等等室内空间是如何利用好声音问题 2 噪声的控制 在住宅邻里之间 工厂机器噪声 街道公路的交通噪声 市场吵闹声等等均属于如何控制噪声的问题 二 地位 建筑声学作为建筑功能的重要方面 它随建筑类别在工程设计中占有不同的地位和作用 在音乐厅 歌剧院 体育馆 会议厅 报告厅 审判厅 天象馆 演播室 录音棚等等这类建筑中 音质的优劣直接关系到它是否能够使用的问题 因此建筑声学在此类工程设计中占主导地位 在其他方面也占有一定的位置 与其他学科的关系 声学的领域很广 它几乎涉及到人类生活的各个方面 如图所示 而建筑声学则是声学的一个分支 是一个边缘科学 同时与声学密切相关 还有与生理 心理 音乐 语言 电子 机械 自动控制 计算机等学科有着密切的关系 声学的领域很广 它几乎涉及到人类生活 学习方法 阐述基本的物理概念 设计原理 复杂的公式推导从略 第一章 声学基本知识 第一节 声音的产生与传播 一 振动与声波二 波阵面 波长 声速 能量 能量密度 能流密度三 声波的绕射和反射 一 振动与声波1 振动 1 周期运动 物体的运动每隔一段时间重复进行 称周期运动 2 周期 每重复一次运动所需要的时间 称为周期 T 例如 地球的公转 自转 潮汐的涨落 钟摆的摆动等 3 振动 振动是一种周期运动 4 机械振动 物体在一定位置附近做往复运动 称机械振动 5 简谐振动 是最简单的一种振动 满足谐振动方程 d2x dt2 2x 0的振动 称之为简谐振动 该方程的解 x ACOS t 其中 A 振幅 圆频率 2 T f 频率 f 1 T 初位相 x 位移 弹簧振子 角位移 单摆运动 电量 LC振荡电路 等 6 振动能量 弹簧振子 动能 Ek mv2 2 m 2A2SIN2 t 2势能 Ep kx2 2 kA2COS2 t 2总能量 E Ek Ep m 2A2 2 kA2 2 2 波动 1 波动 振动的传播过程称为波动 简称为 波 例如 机械波 声波 地震波 电磁波 无线电波 光波 X射线 射线等 物质波 德布罗意波 2 波产生的条件 波源 介质 对电磁波不需要媒质 3 横波与纵波横波 波在传播过程中 如质点的振动方向与传播方向垂直 则称为横波 纵波 波在传播过程中 如质点的振动方向与传播方向平行 则称为纵波 3 横波与纵波横波 波在传播过程中 如质点的振动方向与传播方向垂直 则称为横波 纵波 波在传播过程中 如质点的振动方向与传播方向平行 则称为纵波 4 声波 声音 来源于物体的振动 例如 人的讲话是有声带振动引起的 扬声器发声是有扬声器膜片 子盆 的振动 声源 正在发出声音的发声体 声波 是一种机械波 声波的传播介质 气体 液体 固体 通常所说的声波 指在空气中传播的并能引起人耳听觉的可闻纵机械波 能引起人耳听觉的声波频率 20 20000Hz 赫兹 5 超声波与次声波 次声波 低于20Hz的纵机械波 超声波 高于20000Hz的纵机械波 6 波动方程 d2y dx2 1 c2 d2y dt2 0y ACOS t x c 二 波阵面 波长 声速 能量 能量密度 能流密度1 波阵面 声波从声源出发 在同一介质中按照一定方向传播 在某一时刻 波动所达到的各点的包络面 称为波振面 在波的传播过程中 波阵面上每一个开始振动的点 都可以看成一产生次级子波的新波源 t时间后 新波阵面的位置就是这些次级子波的包络面 惠更斯原理 2 波长 在传播过程中 两相邻同相位质点间的距离 记作 单位 米3 声速 声波在弹性介质中的传播速度 记作 C 单位 米 秒 4 频率 声波的频率与质点的振动频率相同 记作 f 单位 赫兹 Hz 单位时间内质点完成的振动次数 5 波长 频率及声速的关系 C f 6 能量 声波是一种机械波 质点振动产生动能 质点间的变形产生势能 1 动能 势能 dEk dEp dv 2A2SIN2 t x c 2 媒质密度 dv 质量元 2 总机械能dE dEk dEp dv 2A2SIN2 t x c 媒质密度 dv 质量元 3 能量密度 介质单位体积内的波的能量 W dE dv 2A2SIN2 t x c 4 能流密度 单位时间内通过垂直于波传播方向单位面积上的平均能量 I W C 2A2C 2 三 声波的反射 衍射 绕射 干涉1 反射 2 衍射 绕射 3 干涉4 驻波 四 声波的吸收和透射根据能量守恒定律 E E E E E E E E E E 1 第二节 声音的计量与人耳听闻特性 一声功率 声强 声压1 声功率定义 声功率指声源在单位时间内辐射的声能 记作 W单位 瓦 W 微瓦 uW 讨论 a 频带声功率 一般情况下指 20Hz 20kHz b 声功率是声源辐射的声能量 与电功率不同 c 声功率是声源本身的特性 与环境无关 例如 对话 20uW稍高声讲话 50uW30万人同时讲话 15W女高音 1000 7200uW钢琴 2mW汽车 0 1W气锤 1W喷气飞机 10kW 2 声强定义 在单位时间内 通过垂直于声波传播方向单位面积上的声能 记作 I单位 瓦 平方米 W m2 I W S W m2 讨论 a 对于球面波 I W 4 R2与R平方成反比 b 对于平面波 声波即没有聚焦 也没有发散 所以I不变 c 声强的测量是非常困难的 特别是指定方向的声强是难以直接测量的 因此常常采用测量声压后通过计算求得声强 声功率 3 声压定义 某瞬时 介质中的压强相对于无声波时压强的改变量 记作 P单位 牛顿 平方米或微巴 ub 讨论 a 瞬时性 b 有效声压 指某一段时间内瞬时声压的平均值 通常我们所说的声压就是指有效声压 c 声压与声强的关系 I P2 c 说明 1 可闻阈 20Hz 20kHz2 对于1000Hz的纯音 人耳刚刚能听到的下限声强 I 10 12W m2下限声压 P 2 10 5N m2使人产生疼痛感的上限声强 I 1W m2上限声压 P 20N m23 人耳对声音的感觉与声强 声压的关系为非线性 而与它们的对数近似成正比 二 声强级 声压级 声功率级1 声强级定义 声音的强度I与其基准声强I0之比的常用对数值 LI Lg I I0 其中 I0 10 12 w m2 单位 贝尔 BL 或分贝 dB 1BL 10dB 2 声压级定义 声场中某一点的声压P与其基准声压P0的比值的常用对数的20倍 LP 20Lg P P0 dB其中 P0 2 10 5 N m2 3 声功率级 LW 10Lg W W0 其中 W0 10 12 w 讨论 a 级 只具有相对比值的意义 无量纲 其大小与选取的基准有关 b 当N个不同声源同时作用时 声场中的总声强 I I1 I2 I3 In当I1 I2 I3 In时 I nI1LI 10Lg I1 I0 10Lg n 总声压 P P12 P22 Pn2 当P1 P2 P3 Pn时 P P1 nLP 10Lg P1 P0 10Lg n 3 可以证明 两个声压级LP1和LP2之和LP LP1 10Lg 1 10 LP1 LP2 10 dB LP1 LP2 三 响度级声功率 声强 声压 表示声音物理特性 声功率级 声强级 声压级 对物理特性的度量 它们均为客观的物理量与主观感觉无任何关系 实验表明 1 强度相等 而频率不同的两个纯音 一个高 一个低 听起来并不一样响 2 两个频率和声压级都不同的纯音 有时听起来却可能会一样响 因此 人耳感觉与客观物理量之间的关系并不是简单的线性关系 1 响度级 定义 如果某一声音与已选定的1000Hz的纯音听起来一样响 这个1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的 响度级 单位 方 phon 对于一系列纯音都用标准音进行比较 可获得纯音等响曲线 该曲线是根据大量健康人的试验而获得的 并于1959年由国际标准化组织 ISO 确定 注 1 同一条曲线上各点具有相同的响度级 2 人耳的敏感区2000 5000Hz 对低频不敏感 3 对复合音不能直接应用等响曲线 其响度需计算求得 2 A B C D计权 A计权 是参照40方等响曲线 对500Hz以下的声音有较大衰减 以模拟人耳对低频不敏感的特性 C计权 具有接近线性的较平坦的特性 在整个可听范围内几乎不衰减 以模拟人耳对85方以上纯音的响应 因此它可以代表总声压级 B计权 介于两者之间 对低频有一定的衰减 模拟人耳对70方纯音的响应 四 声源的指向性 1 当声源的尺寸 波长时 此时声源可视为点声源 2 当声源的尺寸 波长时 此时声源不能视为点声源 五 频谱 鼓风机噪声谱 小提琴谱 单簧管及几种常用噪声谱 1 3和倍频谱 在工程上不可能一个一个频率的进行测量 而是一个频带一个频带的进行 因此常常采用倍频程或1 3倍频程 即 n Log2 f2 f1 在工程上不可能一个一个频率的进行测量 而是一个频带一个频带的进行 因此常常采用倍频程或1 3倍频程 即 n Log2 f2 f1 当n 1时 倍频程当n 1 3时 1 3倍频程 六 音调和音色1 声音的三要素 声音的强弱 音调的高低 音色的好坏 构成声音的三要素 2 三要素与各物理量之间的关系 1 声音的强弱 可以用声强级 声压级或总声级等物理量来表示 2 音调 主要取决于声音的频率 同时还与声压级及组成成分有关 例如 a 两个纯音 频率相同但声压级不同 听起来感觉音调不同 b 复合音音调 两个频率相差不大时 人耳感觉是平均频率音调 两个频率相差较大时 人耳能分辨是各自频率的音调 乐器发出的复合音 由基频 音 和泛音 而泛音是基频的整数倍 因此基频再弱 音调的高低都是由基频所决定的 3 音色 是由频率和振幅所决定的 即频谱所决定的 例如 每个人所发出的