第3篇___建筑声学

第3篇建筑声学 人们所处的各种空间环境 总是伴随着一定的声环境 在各种空间环境里 人们对需要听的声音 希望听得清楚 听得好 对于不需要听的声音 则希望尽可能的降低 以减少其干扰 因此 适宜的声环境是人们对空间环境功能要求的组成部分 建筑声学是研究控制室内外声环境的一门重要学科 本课程的目的在于使建筑设计人员懂得控制声环境的要求 内容和方法 并能有效地综合到城市规划和建筑设计中去 第3篇建筑声学 声音与人空间大小与声音的关系声音对人的审美感受的作用 利用声音与行为的互动关系来设计环境 雨打芭蕉 苏州拙政园的 留听阁 秋阴不散霜飞晚 留得枯荷听雨声 听雨轩 听雨入秋竹 留僧覆旧棋 听雨寒更彻 开门落叶深绝对安静的影响 音乐疗法声音与人的行为方式音乐节奏与行为的关系噪声对人的影响听力丧失 损害身体和精神健康 噪声与社会生活 噪声对动物的影响 噪声的其他危害 声音 客观存在 主观感受 生理及心理影响 建筑声学 是研究控制室内外声环境的一门重要学科 声环境设计 是专门研究如何为建筑使用者创造一个合适的声音环境 1 音质设计主要是音乐厅 剧院 礼堂 报告厅 多功能厅 电影院等 设计得好 音质丰满 浑厚 有感染力 为演出和集会创造良好效果 设计得不好 嘈杂 声音或干瘪或浑浊 听不清 听不好 听不见 2 隔声隔振主要是有安静要求的房间 如录音室 演播室 旅馆客房 居民住宅卧室等等 4 噪声的防止与治理了解噪声的标准 规划建筑设计阶段如何避免噪声 出现噪声如何解决以及交通噪声治理等 3 材料的声学性能测试与研究吸声材料 材料的吸声机理 如何测定材料的吸声系数 不同吸声材料的应用等等 隔声材料 材料的隔声机理 如何提高材料的隔声性能 如何评定材料的隔声性能 材料隔振的机理 不同材料隔振效果等 5 其他电声 随着电子工业日新月异的发展 电声系统在建筑中的应用越来越广泛 电声系统逐渐成为建筑中满足听闻功能要求的重要设备系统 第3 1章基本知识3 1 1基本概念周期 声源完成一次振动所经历的时间 符号 T 单位s频率 一秒钟内振动的次数 符号 f 单位 Hz 人耳可听范围 20 20000Hz 大于20000Hz为超声 低于20Hz为次声 250Hz以下的通常称为低频 250Hz至500Hz为中频 1kHz以上的称为高频 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 5cm 第3 1章基本知识波长 声波在传播途径上 两个相邻同相位质点间的距离 符号 单位 m 声速 声波在弹性介质中传播的速度 符号 C 单位 m s 介质的密度愈大 声音传播的速度愈快 在真空中的声速为0 在15 C时 在空气中的速度C 340m s 在0 时 钢 5000m s 水 1450m sC f或C T f 1 T 纵波 质点振动方向与波的传递方向平行 声波 横波 质点振动方向与波的传递方向垂直 水波 波阵面 声波从声源发出 在同一介质中按一定方向传播 在某一时刻 波动所到达的各点的包迹面称为波阵面平面波 波阵面平行于传播方向垂直的平面的波 面声源球面波 波阵面为同心球面的波 点声源柱面波 波阵面为同轴柱面的波 线声源 声线 声波的传播方向可用声线来表示 声线是假想的垂直于波阵面的直线 主要用于几何声学中对声传播的跟踪 惠更斯 Huygens 原理 原理的依据 波动在介质中是逐点传播的 各质点作与波源完全相同的振动 说明 知某一时刻波前 可用几何方法决定下一时刻波前 该原理对非均匀媒质也成立 只是波前的形状和传播方向可能发生变化 1 行进中的波面上任意一点都可看作是新的子波源 2 所有子波源各自向外发出许多子波 3 各个子波所形成的包络面 就是原波面在一定时间内所传播到的新波面 惠更斯原理 球面波 平面波 t t波面 t波面 t波面 t t波面 u t u t 声源的方向性声波的传播是能量的传递 而非质点的转移 空气质点总是在其平衡点附近来回振动 而不传向远处 一般用声源的方向性来描述声源向空间各个方向辐射声波的能力 多用 极坐标图 来表示 声源的方向性强弱一方面与声源本身有很大关系 另一方面 与声波的频率有关 频率越高方向性越强 频带 人耳可听的频率范围相当 20Hz 20kHz 不可能处理某一单个的频率 只能将整个可听声音的频率范围划分成为许多频带 以便研究与声源频带有关的建筑材料和围蔽空间的声学特性 简单地说 频带是两个频率限值之间的连续频率 频带宽度是频率上限值与下限值之差 例如 假设任意选择的频带宽度为200Hz 第一个频带的下限频率为20Hz 上限频率为220Hz 后续的频带的下限频率和上限频率分别是220Hz和420Hz以及420Hz和620Hz 等等 在建筑声环境的研究中 借助音乐的概念把整个可听频率范围划分为许多倍频带 倍频带的上限频率是下限频率的2倍 例如从200Hz至400Hz是一个倍频带 其相邻的一个较高的倍频带是400Hz至800Hz 因为顺序的倍频带带宽都不相等 而是增加为2倍 例如从200Hz到400Hz的频带 带宽是200Hz 从400Hz到800Hz频带 带宽则为400Hz 因此 倍频带的中心频率须由上限频率与下限频率的几何平均值求得 就是上限频率与下限频率乘积的平方根 范围在200Hz至400Hz的频带 其中心频率是283Hz 可由算式求得 将可听频率范围的声音分段测量 以中心频率作为本段的名称 分为 倍频程 倍频带 f2 f1 2n n 1 中心频率 125 250 500 1000 2000 4000 Hz 1 3倍频程 1 3倍频带 f2 f1 2n n 1 3中心频率是上限和下限的几何平均值f f1f2f1 f2n求上限和下限频率 如中心频率为500Hz的下限频率为f1 356Hz 上限频率为f2 710Hz 例如 把中心频率为125Hz的倍频带分为3个1 3倍频带时 它们的中心频率分别是100Hz 由125Hz被1 26除 125Hz及160Hz 由125Hz乘1 26 将可听频率范围的声音分段测量 以中心频率作为本段的名称 分为 倍频程 倍频带 f2 f1 2n n 1 中心频率 125 250 500 1000 2000 4000 Hz 1 3倍频程 1 3倍频带 f2 f1 2n n 1 33 1 2声能分析透射系数 小为隔声材料反射系数 小为吸声材料吸声系数 1 1 吸声系数是指被吸收的声能 即没有被表面反射的部分 与入射声能之比 E0 E E E E E0 E E0 E E0 E0 E E 3 1 3声音的计量 声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声音能量 记作W 单位为瓦 W 或微瓦 W 在建筑声学中 对声源辐射的声功率 一般可看作是不随环境条件而改变的 属于声源本身的一种特性 所有声源的平均声功率都是很微小的 一个人在室内说话 自己感到比较合适时 其声功率大致是10 50 W 400万人同时大声讲话产生的功率只相当于一只40W灯泡的电功率 独唱或一件乐器辐射的声功率为几百至几千微瓦 充分而合理地利用人们讲话 演唱时发出的有限声功率 是室内声学研究的主要内容之一 3 1 3 1声功率 声强 声压 声功率 声源在单位时间内向外辐射的声能 符号 W 单位 瓦 W 微瓦 W 声强 在单位时间内 垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能 符号 I 单位 W m2 在自由声场 点声源的声强随距离的平方呈反比 遵循平方反比定律 I W m2 平面波声强不变 I W m2 线声源的柱面波声强 I W m2 W 4 r2 W 2 r 1m W S S 声压 某瞬时 介质中的压强相对于无声波时压强的改变量 符号 p 单位 N m2 Pa 帕 b 微巴 1N m2 1Pa 10 b 在自由声场 声压与声强的关系 I W m2 式中 p 有效声压 N m2 0 空气密度 kg m3 一般取1 225kg m3 c 空气中的声速 340m s 0c 介质的特性阻抗 20 C时为415N S m3 声压和声强有密切的关系 在自由声场中 测得声压和已知测点到声源的距离 就可计算出该测点之声强和声源的声功率 p2 0c 3 1 3 2分贝 声功率级 声强级 声压级 声音的叠加 对于频率为1000HZ的声音 听阈范围下限10 12W m2声强上下相差一万亿倍上限1W m2下限2 10 5N m2声压上下相差一百万倍上限20N m2 因此直接用声强 声压来度量声音的强弱是很不方便 而且人耳对声音大小的感觉并不与声强 声压成正比 即人耳对声音变化的反应不是线性的 而是近似地与它们对数值成正比 如果以10倍为一级 即对比值为10 X为级数 10 xX log10 lg BL贝尔 10lg dB分贝 I I0 I I0 I0 I I0 I 声压级 一个声音的声压与基准声压之比的常用对数乘以20 p 20lg dB 在0 120分贝之间 式中p 参考声压 基准声压 p m2 使人耳感到疼痛的上限声压为 m2当P m2时 p 20lg 120 dB 从式中可知 声压每增加一倍 声压级就增加 dB 声压增加10倍声压级增加 dB 声强级 一个声音的声强与基准声强之比的常用对数乘以10 I 10lg dB 在0 120分贝之间 式中I0 参考声强 基准声强 I0 W m2 使人耳感到疼痛的上限声压为 0W m2 20 p0 p I I0 声功率级 一个声音的声功率与基准声功率之比的常用对数乘以10 W 10lg dB 在0 120分贝之间 式中 参考声功率 基准声功率 W 作业 证明两个数值不相等的声压级叠加 p1 Lp2 叠加后的声压级Lp Lp1 10lg 1 10 dB 声音的叠加 声音的叠加不能将分贝值直接相加减 应将声压或声强相加减后再求声压级 声强级 声压级的叠加 Lp 20lg 20lg Lp1 10lgn 当P1 P2 P3 二个相同声源声压叠加后 n 2 总声压级比一个声压级增加 dB W W0 LP1 Lp2 10 P12 P22 P32 P0 P0 nP12 如果声压级改变1dB 人们很难察觉这种变化 因此 对于声压级总是以整数表示 人耳能判断的声压最小变化是3dB 对于5dB的变化则有明显的感觉 在分贝标度中 声压每加1倍 声压级就增加6dB 声压每乘10 声压级就增加20dB 声压级每增加10dB 人耳主观听闻的响度大致增加1倍 人们长时间暴露在高于80dB的噪声级下 有可能导致暂时的或永久的听力损失 声压级相加的简单实用方法包括两个步骤 首先 算出拟相加的两个声压级差 其次 依下表决定拟加到较高一个声压级上的数值 例1 2在人行道测得2辆汽车声音的声压级分别是77dB和80dB 它们的总声压级是多少 解 两个声音的声压级差为80 77 3dB 由表1 1可知需加在较高一个声压级上的量为2dB 所以总声压级为80 2 82dB 例 一个工业车间现有的噪声级为87dB 拟在车间新增加5台设备 每台设备噪声的声压级各为80dB 求安装新设备后车间噪声的总声压级 解 依前式可以算得新增5台设备的总声压级为80 10lg5 87dB 依表1 1可知安装新设备后车间噪声的总声压级为90dB 由前述可知 3dB的增加是人耳能判断的变化 以上诸例说明 由许多声音组成的总声压级 并不与所组成的声源数量多少成比例 随着声压级的相加 各个声源在总的声压级增量中所起的作用逐渐减小 如果两个声音的声压级相等 总声压级比单个的声压级增加3dB 当声压级差大于10dB 总声压级就不在增加 例 在一个吵闹车间里测量的总声压级为92dB 当某设备停止运转后 车间里背景噪声的声压级为88dB 求该停运设备在运转时的声压级 解 LP总 LP背景 92 88 4dB 由表1 2可知需在总声压级中扣除2dB 所以该设备在运转时的声压级为90dB 声强级叠加 LI 10lg 10lg 3 1 4声音在户外的传播 一 点声源随距离的衰减在自由声场中 声功率为W的点声源 在与声源距离为r处的声压级Lp和距离r的关系式 Lp LI 10lg 10lg 10lg Lp Lw 11 20lgr dB 从上式可以看出 观测点与声源的距离增加一倍 声压级降低6dB I1 I2 I3 I0 I0 I1 I2 I3 I0 I0 W I I0 4 r2 W 1 4 r2 二 线声源随距离的衰减线声源 如公路上的车辆 声波以圆柱状向外传播 当线声源单位长度的声功率为W 在与声源距离为r处的声强为WI 2 r声压级为 Lp Lw 8 10lgr dB 因此 观测点与声源的距离每增加一倍 声压级降低3dB 三 面声源随距离的衰减如果观测点与声源的距离比较近 声能没有衰减 在距声源较远的观测点有3 6dB的衰减 3 1 5声音的三要素 音调的高度 由频率决定音量的大小 由声压级或声强级决定音色的好坏 由频谱决定频谱表示某声音的频率组成及各频率音量的大小关系 频率 声压级 我们熟知的由敲击音叉所听到的单一频率的声音称为纯音 然而由一件乐器发出的声音 往往包含有一系列的频率成分 其中的一个最低频率的声音称为基音 人们据以辨别其音调 其频率称为基频 另一些则称为谐音 它们的频率都是这个最低频率的整数倍 这些频率称为谐频 把它们组合在一起时 则决定了声音的音色或音质 借助于这个特性 才可能对不同乐器发出的声音加以区别 音乐声只含有基频和谐频 而谐频是基频的整数倍 所以音乐的频谱是断续的线状谱 3 1 6声波的反射 折射 衍射 扩散 吸收和透射 干涉 一 声反射声波在传播过程中 遇到介质密度变化时会发生反射 对于平面 反射声波呈球状分布 曲率中心就是声源的 像 凹面使声波聚集 凸面使声波发散 二 声折射声波在传播过程中 遇到介质密度变化时还会发生折射 声波在空气中传播时 白天由于近地面的气温较高 声速较大 声速随地面高度的增加而减少导致传播方向向上弯曲 夜晚相反 S S i r Sin i Sin C1 C2 三 声衍射 声音在传播的过程中 如果遇到比波长大的障壁或构件时 在其背后会出现声影 声音绕过壁边缘进入声影的现象叫声衍射 同样尺寸的反射板对低频声的衍射作用较大 反射作用较少 解释 波达到狭缝处 缝上各点都可看作子波源 作出子波包络 得到新的波前 在缝的边缘处 波的传播方向发生改变 当狭缝缩小 与波长相近时 衍射效果显著 声衍射现象是声波动特征之一 四 声扩散反射声波在传播过程中 如果遇到表面有凸凹变化的反射面 就会被分解成许多小的比较弱的反射声波 这种现象称为扩散反射 扩散反射类似于光由粗糙的粉刷墙面或磨砂玻璃表面的反射 导致声波扩散反射的表面必须很不规则 其不规则的尺度应与声波波长相当 五 声吸收 吸声系数是指被吸收的声能 即没有被表面反射的部分 与入射声能之比 材料的吸声量 材料表面的面积 平方米 乘以材料的吸声系数 单位为平方米 m2 六 声透射材料的透声能力以透射系数 表示 材料的透声能力愈强 值大 材料的隔声能力愈差 工程中用隔声量表示建筑构件的隔声性能 隔声量 R 10lg 10lg 10lgE0 10lgE 隔声量 墙或构件的一侧入射声能与另一侧透射声能相差的分贝值 3 1 7声音在围蔽空间的传播特征驻波和房间共振 混响时间 室内声压级3 1 7 1驻波和房间共振 一 驻波当两列相同的波在同一直线上相向传播时 叠加后产生的波 相距为L的两平行墙产生驻波的条件是 L n m n 1 2 3 2 1 E0 E L 七 波的干涉 波的干涉现象 频率相同的两列波叠加 使某些区域的振动加强 某些区域的振动减弱 而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开 这种现象叫做波的干涉现象 当同一质元同时参与两个或两个以上的振动时 该质点的振动是所有分振动的合振动 当介质中有两列或两列以上的波动时 介质中任一质元运动情况如何 当介质中有两列或两列以上的波动时 介质中任一质元也将同时参与两个或两个以上的振动 现在讨论其规律 也就是波的合成 1 波的独立作用原理 几列波在传播时 无论是否相遇 都将保持各自原有特性 频率 波长 振幅 振动方向 不变 互不干扰地各自独立传播 2 波的叠加原理 在相遇区域内任一点的振动 为各列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和 一 波的叠加原理 1 干涉现象 两列波相遇区域内振动在空间上出现稳定的周期性的强弱分布的现象 1 频率相同 2 振动方向相同 3 同相或相位差恒定 满足上述三条件的波称为相干波 其波源称为相干波源 2 相干波条件 二 波的干涉现象 加强 减弱 3 1 7驻波和房间共振 混响时间 室内声压级3 1 7 1驻波和房间共振 一 驻波当两列相同的波在同一直线上相向传播时 叠加后产生的波 相距为L的两平行墙产生驻波的条件是 L n m n 1 2 3 2 1 L 驻波的现象1 一列波在向前传播的途中遇到障碍物或两种介质的分界面时 会发生反射 如果反射波和原来向前传播的波相互叠加 1 波节 弦线上有些始终静止不动的点叫做波节 2 波腹 在波节和波节之间的那段弦线上 各质点以相同的频率 相同的步调振动 但振幅不同 振幅最大的那些点叫波腹 3 驻波 波形虽然随时间而改变 但是不向任何方向移动 这种现象叫做驻波 2 驻波的产生 两列沿相反方向传播的振幅相同 频率相同的波叠加时 形成驻波 3 驻波是一种特殊的干涉现象 围蔽空间是复杂的共振系统 不只有上述的一维驻波 或称简正振动 简正波 对于一个矩形围蔽空间 其简正频率的计算式为 Lx Ly Lz 分别为房间的3个边长 m nx ny nz 分别为任意正整数 c 空气中的声速 m s 在矩形房间中的共振1 轴向共振 2 切向共振 3 斜向共振 房间对不同的频率有不同的 响应 房间本身有共振频率 也称 固有频率 或 简正频率 声源的频率与房间的共振频率越接近 越易引起房间的共振 共振频率的声能密度也就越强 驻波 由于频率相同的同类自由行波相互干涉而形成的空间分布固定的周期波 声染色 房间共振 由于共振频率的叠加 使某些与共振频率相同的声音被大大加强 导致室内原有声音失真的现象 克服由于声染色 房间共振 导致室内原有声音失真的方法 1 选择合适的房间尺寸 比例 房间的三个尺度不相等或不成整数倍 小房间 高 宽 长 1 1 25 1 6大房间 高 宽 长 1 1 5 2 5 2 用不规则表面作声扩散以及适当布置吸声材料 3 将房间作成不规则的形状 3 1 7 2混响和混响时间计算混响 是指声源停止发声后 在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音的 残留 现象 这种残留现象的长短以混响时间来表示 混响是在声源停止发声后 声音由于多次反射或散射而延续的现象 或者声源停止发声后 由于多次反射或散射而延续的声音 两个相继到达的声音时差超过50ms时 相当于直达声与反射声之间的声程差大于17m 人耳能分辩出来自不同方向的两个独立的声音 这时有可能出现回声 3 1 7 2混响时间 混响 声源停止发声后 声音由于房间界面的多次反射或散射而逐渐衰减的现象 声音的增长 稳态 衰减 声压级 时间 s 衰减 稳态 增长 60dB 混响时间 s 室内声音的增长 稳态和衰减 混响时间 当室内声场达到稳态 声源停止发声后 声音衰减60dB所经历的时间叫混响时间 符号 T60 单位 s 一 赛宾 Sabine 混响时间计算公式T60 s 0 2 式中V 房间容积 m3 A 室内总吸声量 A S m2S 室内总表面积 m2 室内平均吸声系数 1S1 2S2 nSn S1 S2 Sn式中 1 2 n 不同材料的吸声系数 S1 S2 Sn 室内不同材料的表面积 m2 赛宾 Sabine 混响时间计算公式只适用于室内平均吸声系数较小 0 2 的房间的混响时间计算 否则计算误差较大 A 0 161V 赛宾 Sabine WallaceClementWare 美国物理学家 1868年6月13日生于俄亥俄州里奇伍德 1919年1月10日卒于马萨诸塞州坎布里奇 赛宾于1886年毕业于俄亥俄国大学 后入哈佛大学攻读研究生 最后在哈佛任教并于1905年成为该校的物理学教授 第一座按照赛宾的原理进行设计的建筑物是1900年10月15日落成的波士顿音乐厅 此音乐厅被证明是一项巨大的成功 塞宾公式是建立在室内声场扩散的基础上 该式的运用有一定限制 例如一个尺寸为6 5 4m 高 的房间 如果各个表面对入射的声能完吸收 即A s s 是一个 沉寂 的房间 即消声室 把上述数据代入塞宾公式 得到混响时间为0 13s而不是0值 为了有一定程度的扩散 房间在声学上必须是 活跃 的 即其表面要有相当的反射率 如果房间表面的平均吸声系数达到0 2或稍少一点 一般认为这种房间是 活跃 的 换句话说 塞宾公式限用于平均吸声系数 0 2的房间 如果房间表面都是很好的反射面 即 0 正如所预计的 依赛宾公式计算的混响时间是无限长 一般的讲演厅 会堂等可以认为是 活跃 的或接近于 活跃 的房间 运用赛宾公式计算有效的 对于不 活跃 的房间或吸声材料分布很不均匀的房间以及相对 沉寂 的房间的混响计算 可用作了某些修正的下述伊林 Eyring 公式 式中 S1 S2 S3 Sn 室内界面不同材料的表面 m2 1 n 不同材料的吸声系数 二 伊林 努特生 Eyring Knudsen 混响时间计算公式 用于工程计算 0 161VT60 s S ln 1 4mV式中V 房间容积 m3 A 室内总吸声量 A S m2S 室内总表面积 m2 室内平均吸声系数 式中4m 空气吸收系数 空气中的水蒸汽 灰尘的分子对波长较小 一般指1000Hz以上的高频声音的吸收作用 室内平均吸声系数 的求法 S2 S1 坐席占地面积 S S S1 N1 1 N2 2 S1 坐席占地面积 N1 满坐席位数 N2 空坐席位数 S 室内总表面积 1 一个满坐席位的吸声量 2 一个空坐席位的吸声量 除坐席占地外的室内其他表面的平均吸声系数 对于在声场中的人 如观众 和物 如座椅 或空间吸声体 其面积很难确定 表征它们的吸声特性 有时不用吸声系数 而直接用单个人或物的吸声量 当房间中有若干个人或物时 他 它 们的吸声量是用数量乘个体吸声量 然后再把结构纳入房间总的吸声量中 混响时间T60 或记为RT ReverberationTime 是第一个也是最重要的音质评价物理指标 混响时间与音质的丰满度和清晰度有关 一般而言 混响时间长则丰满度增加 而清晰度下降 这是因为混响时间长 对于聆听演奏而言 则音的起奏和自然衰变都可能淹没在混响声中而显得模糊不清 对于语言声也有类似的情况 过长的混响时间 使语言听闻模糊不清 但是若混响时间过短 则表明厅堂各界面的反射声过弱 声吸收过大 就会影响音质的丰满度 一般而言 对于以语言听闻为主的厅堂 如教室 演讲厅 话剧院等 不希望混响时间过长 以1s左右为宜 而对于以听音乐为主的厅堂 如音乐厅等 则希望混响时间较长些 对于语言听闻与音乐并重的厅堂 如歌剧院 多功能厅的混响时间 可取折衷值 为1 3 1 5s 总之 必须针对具体厅堂的主要用途选择最佳混响时间 以达到丰满度和清晰度适当平衡 对不同厅堂推荐的中频 500Hz与1000Hz倍频程的平均值 混响时间见表 混响时间计算的不确定性室内条件与原公式假设条件 一 声场是均匀的 二 声场是完全扩散的 并不完全一致 1 室内吸声分布不均匀 2 室内形状 高宽比例过大 造成声场分布不均匀 扩散不完全 计算用材料的吸声系数与实际情况有误差 一般误差在10 15 计算RT的意义 1 控制性 地指导材料的选择与布置 2 预测建筑厅堂室内的声学效果 3 分析现有的音质问题 3 1 7 2室内稳态声压级当一已知声功率级为LW的声源在室内连续发声 声场达到稳定状态时 距离声源为r处的稳态声压级由直达声与混响声两部分组成 其中直达声声强与r之平方成反比 混响声的强度则主要决定于室内的吸声状况 在室内距离声源r处的声压级可按下式计算 Q 声源指向因数 室内声压级Q4Lp 10lgW 10lg 120 dB 4 r2R或写为Q4Lp Lw 10lg dB Lw 10lgW 120 4 r2R式中W 声源的声功率 W r 测点和声源间的距离 m S R 房间常数 R m2 1 值趋近1时 Lp Lw 11 20lgr 与自由声场相同 室内平均吸声系数 S 室内总表面积 m2 Q 声源的指向性因数 例 位于房间中部的一个无方向性声源在频率500Hz的声功率级为105dB 基准声功率为10 12W 房间的总表面积为400m2 对频率为500Hz声音的平均吸声系数为0 1 求在与声源距离3m处的声压级 解 该声源的指向性因数 1 将各已知数据代入公式 则有 3 1 8人对声音的感受 实验证明 不同频率 相同声压级的声音 人听起来的响度感觉不一样 在800Hz 1500Hz的频率范围内 听阈没有显著变化 低于800Hz 听觉的灵敏度随频率的降低而降低 例如400Hz时 灵敏度为标准阈强度的1 10 频率为40Hz时只有1 106 最灵敏的听觉范围大致在3000Hz 4000Hz 几乎是标准阈强度的10倍 在高于6000Hz的频率 灵敏度又减小 3 1 8人对声音的感受 一 时差效应 人耳的听觉暂留为50ms 如果直达声和反射声的时间差大于50ms 即声程差大于17m 0 05s 340m s 可能听到回声 时差效应的简单实验一个简单的实验可以说明时差效应 如果站在离高大照壁25mm远处大喊一声 就能清楚地听到回声 因为反射声经过50m的行程 比直达声迟到147ms 如果站在离照壁20m处发出同样的声音 则回声更响 因反射声的行程缩短为40m 相对于直达声的时间延迟为118ms 如果站到离照壁仅为3m远处 此时反射声的行程只有6m 相当于时延18ms 此时听不出回声 哈斯 Hass 效应人耳有声觉暂留现象 就像人眼视觉暂留 20ms以内连续 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 两个声音的响度相加并且集成为一个声音 认为所有的声音都是来自把声音首先传播到听者的声源 换句话说 由首先到达听者的声音确定声源位置 对于声音只是来自第一个 较早到达的 声源的错觉称为优先效应 二 响度级 如果某一声音与已定的1000Hz的纯音听起来一样响 这个1000Hz纯音的声压级就定义为待测声音的响度级 单位是方 Phon 人耳对不同频率的声音的感受性是不同的 响度级结合了声压级和频率 反映了人耳对各种频率声音响度的感受性 其单位是方 phon 在无回声室内 以1000赫兹的纯音为基准音 两两比较其他频率声音 比较音 的主观响度 当认为比较音同基准音一样响时 则比较音的响度级 方值 在数值上就等于那个等响的基准音的声压级 分贝 如100赫兹67分贝的纯音和1000赫兹60分贝的纯音等响 则100赫兹67分贝的比较音的响度级即为60方 用上述方法可得到整个可听域中不同频率不同声强纯音的响度级 在1000Hz的40dB的声音正好与100Hz的50dB或5000Hz的35dB一样响 人耳对低频声的灵敏度较差 这一特点有助于减弱低频声的干扰 人耳对频率为2000 5000Hz声音的灵敏度很高 这对于听闻语言和欣赏音乐 都是很重要的频率范围 由等响曲线可知 1 当声音的声压级较小时 人对高频声敏感 2 当声音的声压级较大时人对高 低频声响度感觉比较一致 对在两个声音声级之间差异的主观感受的变化 可以用右图说明 由图可知 对于声压级1dB的改变只能在实验室环境里检测出来 3dB的改变 相当于声音能量增加1倍 可以在一般的室内环境中感觉出来 另一方面 如果要使主观感受的声音响度增加1倍 或减为1 2 则声压级的改变须有10dB 为了在房屋建筑中有效处理噪声控制问题 必须记住人耳听觉响应的这种特性 也就是说 只有1 2dB的改进不可能有明显的降噪效果 三 声级计A声级声级计是利用声 电转换系统并反映人耳听觉特征的测量设备 即按照一定的频率计权和时间计权测量声压级和声级的仪器 是声环境测量中最常用的仪器之一 声级计中的计权网络想象地模拟正常人耳对不同频率声音的响应 使各个频率对总声级读数提供的数量近似地与人们对该频率的主观响应成比例并对测量的量以单一数值表示 对于复合声 不能使用纯音等响曲线 其响度级需通过计算求得 目前在测量声音响度级与声压级时所使用的仪器称为 声级计 在声级计中设有A B C三个计权网络 这三个计权网络大致是参考某几条等响曲线而设计的 他们与相应的曲线是倒置关系 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 以模仿人耳对低频不敏感的特性 C计权网络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 以模仿人耳对85 N 方以上的听觉响应 可代表总声压级 声级计的计权特性已经由国际电工委员会规定了A B C及D4种频率计权特性 在声级计中 A计权特性参考40方等响线 对500Hz以下的声音有较大的衰减 模拟人耳对低频声不敏感的特性 用A计权网络测得的声压级称为A声级 记作dB A 由于A声级应用最广泛 因此 声级计中都具有A计权网络 图11 30给出了A计权网络对不同频率响应的降低值 如果将该图与图11 28比较 则可以看出该曲线与40方曲线的倒置大致相同 倘若已经知道一个噪声的频谱 就可以将这些数值转换为在声级计上读出的等效的 计权 Weighted 也称加权 有两种含义 一是考虑到设备在正常使用和测量时的条件不同 对测量值所加的人为修正 称为加权 或者在测量中附加的一种校正系数 以正确地反映被测对象 如在测量噪声时 由于人耳对1 5kHz的灵敏度最高 对低频分量不敏感 从听觉上评价噪声大小时 必须对音频频谱的各部分进行计权 即在测量噪声时需要使它通过一个与听觉频率特性等效的滤波器 以反映人耳在3000Hz附近敏锐的灵敏度和60Hz时较差的灵敏度 这就是计权 由于人耳的频率响应随声音的响度而变 故对不同的响度或声压级的声音使用不同的计权曲线 目前 普遍采用计权曲线A 并用dB A 表示这种A计权的测量值 为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性 在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性 把电信号修正为与听感近似值的网络 这种网络叫作计权网络 通过计权网络测得的声压级 已不再是客观物理量的声压级 叫线性声压级 而是经过听感修正的声压级 叫作计权声级或噪声级 计权网络一般有A B C三种 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55dB到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 三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度 A衰减最多 B次之 C最少 A计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感特性 因此是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种 B C已逐渐不用 从声级计上得出的噪声级读数 必须注明测量条件 如单位为dB 且使用的是A计权网络 则应记为dB A 四 掩蔽效应 人对声音感受的另一个重要方面是声掩蔽 在日常生活中几乎每天都会有这种感受 人的听觉系统能够分辨同时存在的几个声音 但若其中某个声音的声压级明显增大 别的声音就难以听清甚至听不到了 一个声音的听阈因另一个掩蔽声音的存在而提高的现象称为听觉掩蔽 提高的数值称为掩蔽量 例如某声音的听阈为50dB 但在较吵闹的环境中要提高到65dB才能被听到 掩蔽量就是65 50 15dB 一个既定频率的声音容易受到相同频率声音的掩蔽 声压级愈高 掩蔽量愈大 低频声能够有效地掩蔽高频声 但高频声对低频声的掩蔽作用不大 人们在鼓风机房里因强烈的低频噪声很难交谈 而在电锯车间虽然噪声刺耳 但可近距离交谈的感受正说明这一点 第3 2章吸声材料和隔声材料 构造 3 2 1吸声材料 构造 重点掌握各种吸声材料 构造 的吸声机理 吸声特性及吸声特性曲线3 2 1 1多孔吸声材料材料 玻璃棉 超细玻璃棉 岩棉 矿棉 散状 毡片 泡沫塑料 毛毡 木丝板 微孔吸声砖等 一 吸声机理 参见教材P367 二 吸声特性三 吸声特性曲线 多孔吸声材料的吸声系数随声波的频率的提高而增加 即对中高频的声音有较大的吸声系数 当背后有空气层时还能吸收低频声 频率f Hz 吸声声系数 0 4 0 6 0 8 1 0 0 2 0 四 影响因素1 材料中的空气流阻 材料两边静压差和空气流动速度之比称为单位面积流阻 多孔材料存在最佳流阻 2 材料的孔隙率 70 80 孔隙率是指材料中连通的孔隙的体积与总体积之比 3 厚度 厚度增加 中低频吸收增加 上两项测量不便 通常以材料的厚度和表观密度来控制材料吸声特性 随着材料厚度的增加 中 低频范围的吸声系数会有所增加 4 背后条件 后边留空气层与填充同样材料效果近似 5 吸收频率 多孔吸声材料 对于中 高频有较大的吸声系数 材料吸声系数可以用驻波管法测声波垂直入射时的吸声系数 用混响室法测无规则入射时的吸声系数 6 吸湿 吸水的影响 材料含水率越高 对材料的吸声系数影响越大 7 饰面材料的影响 罩面材料用金属网 窗纱 纺织品 0 05mm塑料薄膜 穿孔率 20 的穿孔板 3 2 1 2共振吸声结构 一 空腔共振吸声结构 穿孔板共振吸声结构 亥姆霍兹 Helmholz 共振器穿孔石棉水泥板 石膏板 硬质纤维板 金属板 金属微穿孔板吸声结构 1 吸声机理 参见教材P370 共振频率 f0 式中c 声速 34000cm s S 颈口面积 cm2 V 空腔容积 cm3 t 孔颈深度 板厚 cm 开口末端修正量 cm 直径为d的圆孔 0 8d 2 吸声特性 共振频率处吸声系数最大 板后放多孔吸声材料时 能加大声音吸收的频率范围 板后有大空腔 如吊顶 能增加低频吸收 V d K t M V d t V t S 2 c 当孔的深度t和孔径d比声波波长小得多时 孔径中的空气柱弹性变形小 可作为质量块 类似活塞 空腔V中的空气起着空气弹簧的作用 当外界入射波的频率等系统的固有频率时 孔径中的空气柱就由于共振而产生剧烈震动在振动过程中 克服摩擦阻力而消耗声能 3 吸声特性曲线 频率f Hz 吸声声系数 0 1 0 f f0 0 6 二 薄膜 薄板吸声结构薄膜材料 皮革 人造革 塑料薄膜 帆布 薄板材料 胶合板 石棉水泥板 石膏板 硬质纤维板 金属板 1 吸声机理薄膜 薄板与在它们背后的空气层构成共振系统 当投射到薄膜 薄板上的声波频率和这一系统的共振频率一致时 薄膜 薄板就发生共振 由于内部摩擦而吸收声音 2 吸声特性 1 薄膜吸声特性共振频率 f0 Hz 式中m 膜的平均单位面积质量 kg m2 L 背后空气层的厚度 cm 薄膜这种系统的共振频率通常是200 1000Hz 最大的吸收系数0 3 0 4 可用作为主要是对中频范围的吸声材料 2 薄板吸声特性共振频率参见教材P373 薄板这种系统的共振频率通常是80 300Hz 其吸收系数约为0 2 0 5 可用作为低频声音的吸声材料 薄板后的空气层里填放多孔吸声材料时 会使吸收系数的峰值有所增加 600 mL f f0 吸声声系数 频率f Hz 1 0 0 6 0 3 吸声特性曲线 3 2 1 3其它吸声结构 一 空间吸声体空间吸声体上下前后左右都能吸收声音 所以它的吸声面积大于投影面积 吸声系数可能大于1 二 吸声尖劈用于无回声室 消声室 为了接近自由声场 0 99 吸声尖劈用 3 2 3 5mm钢筋做成楔形框架 底部20cm 60cm 15cm 尖长125cm 外包玻璃布 内装玻璃棉毡 三 可变吸声结构 四 洞口朝向自由声场的洞 1 不朝向自由声场 如朝向舞台 过道 房间的洞口 0 3 0 5 五 人和家具如坐椅等吸声量 个数 单个吸声量 或吸声量 有效面积 吸声系数 3 2 1 4吸声材料的选用除了考虑建筑声学设计要求外 还应考虑材料的装饰性 材料的强度 防火 防潮 反光 清洁 维护造价等 吸声在建筑声学中的应用举例室内音质的控制玻璃棉产品可以制成吊顶板 贴墙板 空间吸声体等 在建筑室内起到吸声作用 降低混响时间 一般地 房间体积越大 混响时间越长 语言清晰度越差 为了保证语言清晰度 需要在室内做吸声 控制混响时间 如礼堂 教室 体育场 电影院 对音乐用建筑 为了保证一定丰满度 混响时间要比较长一些 但也不能过长 可以使用吸声控制 在厅堂建筑中 为了防止回声 声聚焦等声学缺陷 常在后墙面 二层眺台栏杆面 侧墙面及局部使用吸声 吸声降噪 在车间 厂房 大的开敞式空间 机场大厅 办公室 展厅等 由于混响声的原因 会使噪声比之同样声源在室外高10 15dB 通过在室内布置吸声材料 可以使混响声被吸掉 降低室内噪声 补充内容 材料吸声系数的测定 声波垂直入射到材料和结构表面的吸声系数 成为 垂直入射 正入射 吸声系数 这种入射条件可在驻波管中实现 其吸声系数的大小可通过驻波管法来测定 当声波斜向入射时 入射角度为 这是的吸声系数称为 斜入射吸声系数 建筑声环境中 出现垂直入射和斜入射的情况较少 而普遍情况是声波从各个方向同时入射到材料和结构表面 如果入射声波在空间中均匀分布 则称这种入射情况为 无规则入射 或 扩散入射 这时材料和结构的吸声系数称为 无规则吸声系数 或 扩散吸声系数 这种入射条件是一种理想的假设条件 在混响室内可以较好的接近这种条件 通常也是在混响室内测定 扩散吸声系数 1 混响室法测吸声系数 S1 试材 试材未放入混响室时 赛宾 Sabine 混响时间 T0 1 0 161V S 试材放入混响室时 混响时间 Tm 2 0 161V S1 1 S S1 试材吸声系数 1 1 0 161V S1 1 1 Tm T0 S1 试材面积 1 试材吸声系数 S 混响室内表面积 混响室内表面的平均吸声系数 驻波管法测定吸声材料的吸声系数 测试的是当声波垂直于射到材料时的吸声系数值 它广泛地应用于生产和科学研究中 驻波管为一优质金属直管 长150 内径为10 它的一端可以用夹具安装试件 另一端接好扬声器 声频讯号由声频发生器产生 经放大器进行放大 由扬声器发出单频声波 声波在驻波管内传播 由于管径较小 对于音频声波的波长相比 可近似将声波面看作为平面入射波 沿管内直线传播 当入射到试件后 进行反射 由于反射波与入射波传递的方向和相位相反 声压产生叠加 干涉而形成驻波 并在管内某个位置上形成声压极大值Pmax N m2 和声压极较小值Pmin 其间距为1 4波长 吸声系数 4n n2 2n 1 其中n为驻波比 Pmax Pmin nPmax为声压极大值 Pmin为声压极小值波腹与波节声压级差 Lp Lpmax Lpmin 20lgPmax P 20lgPmin P0 20lgnn lg 1 Lp 20 10 Lp 20Lpmax为波腹处的声压级Lpmin为波节处的声压级 12 2隔声和构件的隔声特性声波在房屋建筑中的传播途径可以归纳为3种 1 经由空气直接传播 空气传声2 经由围护结构的振动传播 3 固体的撞击或振动的直接作用而传播 固体传声 空气传声 空气传声 固体传声 10 2 1透射系数和隔声量 空气声隔声量测量 标准隔声实验室按照 建筑隔声测量规范 进行测量 为了反映可比性 引入单一数值评价量 计权隔声量 Rw 12 2 2单层匀质密实墙 影响板墙隔声的主要因素有以下几个方面 1 质量定律 墙体受到声波激发所引起的振动与其惯性即质量有关 墙体的单位面积重量愈大 透射的声能愈少 隔声量愈大 对于同一墙体而言 随着声音的频率增加 墙体的隔声量也随之加大 在理想情况下 无刚度 无阻尼 柔顺质量 忽略边界条件 单层墙体隔声量理论推导得到 R 20lgm 20lgf 48 dB 声音无规则入射时 参见教材P382 隔墙隔声存在质量定律 即单层墙越重隔声性能越好 单位面积的质量提高一倍 隔声量提高6dB 120砖墙的面密度为260kg m2 隔声量为46 48dB 240砖墙的面密度为520kg m2 隔声量为52 54dB 砖墙墙体过重 结构荷载负担较大 使用黏土砖也不利于耕地保护 因此 轻墙得以广泛使用 为了使轻墙达到良好的隔声性能 需要使用多层墙板内填吸声材料的方法 75龙骨内填玻璃棉的双面双层纸面石膏板墙的面密度只有60kg m2左右 隔声量可以达到50dB 同样面密度的90厚加气混凝土板墙的隔声量只有36dB 对于住宅隔声 Rw应至少大于45dB 最好大于50dB 2 共振频率 任何隔墙都存在固有的共振频率 当声波的频率和墙的共振频率一致时 墙体整体产生共振 该频率的隔声量将大大下降 一般地 墙体越厚重 共振频率越低 当共振频率低于隔声评价最低参考频率100Hz时 由于人耳听觉特性对低频不敏感 对隔声量Rw的影响大大降低 3 吻合效应 声波接触墙板后 墙板除了垂直方向的受迫振动以外 还有沿着板面方向的受迫弯曲振动 在某个特定频率以上 受迫弯曲振动将和板固有的自由弯曲振动发吻合 这时板就非常顺从地跟随入射声弯曲 如果板在斜入射声波激发下产生的受迫弯曲波的传播速度Cf等于板固有的自由弯曲波传播速度Cb时 即出现Cf Cb时 将产生 吻合效应 这时 墙板非常 顺从 地跟随入射声波弯曲 使大量声能透射到另一侧去 形成隔声量的低谷 这种现象被称作吻合效应 这个与材料有关的特定截止频率被称为吻合频率fc 吻合效应 当声波斜入射到墙体上时 墙壁的受迫弯曲波速度与声波沿墙面进行的速度相等 墙板的弯曲波振动达到最大 从而降低墙板的隔声量 出现吻合效应的最低频率称为吻合临界频率 几种常用建筑材料的密度和吻合临界频率 参见教材P384 4 声桥 板材直接固定在龙骨上时 受声一侧板的振动会通过龙骨传到另一侧板 这种象桥一样传递声能的现象被称为声桥 声桥越多 接触面积越大 刚性连接越强 声桥现象越严重 隔声效果越差 5 板缝和孔洞 隔墙上如果出现缝隙和孔洞 会大大降低隔墙的隔声量 假如隔墙墙体本身的隔声量达到50dB 而墙上有万分之一的缝隙和孔洞 则综合隔声量将下降到40dB 12 2 3双层均质密实墙采用有空气间层 或在间层中填放吸声材料 的双层墙 与单层墙相比 同样重量的双层墙有较大的隔声量 或是达到同样的隔声量而可以减轻结构的重量 双层墙能提高隔声量的主要原因是空气间层的作用 可以把空气间层看作是与两层墙板相联的 弹簧 由于空气间层的弹性变形具有减振作用 传递给第二层墙体的振动大为减弱 从而提高了墙体总的隔声量 造成 声桥 弹性垫层 刚性物体 最佳厚度8 12cm 空气层 通常采用的空气层厚度至少为5cm 其最佳厚度可选为8 12cm 为了避免发生波的吻合效应和相应的固有共振 以便防止隔声能力在某一频带内下降 就需要考虑两个墙体厚度不同或重量不同的双层墙 为了消除这种共振 可在空气层中悬挂或铺放玻璃棉毡之类的多孔材料 多孔材料 最佳厚度8 12cm 12 2 4轻质墙 为了提高轻质墙的隔声较果 一般采用以下措施 1 将多层密实材料用多孔弹性材料 玻璃棉 岩棉 泡沫塑料 分隔 做成夹层结构