室内声学基础

1、第五章 室内声学基础声音的吸收和反射扩声过程很多情况下是发生在室内环境的，而房间会对声扩声过程很多情况下是发生在室内环境的，而房间会对声音产生影响音产生影响在处理封闭空间的声性能是，必须对声波每次撞击到房间在处理封闭空间的声性能是，必须对声波每次撞击到房间界面或房内物体时损失的能量进行估计界面或房内物体时损失的能量进行估计当声音撞击到房间边当声音撞击到房间边界这样的大表面时，界这样的大表面时，其能量一部分被反射，其能量一部分被反射，一部分被吸收，一部一部分被吸收，一部分穿过边界继续传播分穿过边界继续传播反射： 对于平面波符合反射定律，对于曲面则有声音扩散和聚焦现象。声音的吸收和反射1. 厅堂中

2、各方面的尺度应比入射波的波长大几倍或几十倍。2. 声波所遇到的反射面、障碍物的尺寸要大于波长。用吸声系数来计算声波每次撞击所引起的能量损耗用吸声系数来计算声波每次撞击所引起的能量损耗 含义：声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量含义：声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量（入射）的比例。（入射）的比例。标称的吸声系数是针对多个不同的频段给出的，一般每个标称的吸声系数是针对多个不同的频段给出的，一般每个频段为频段为1个倍频程宽度，中心频率为个倍频程宽度，中心频率为125Hz，250Hz，500Hz，1kHz注意：注意：一般所给的吸声系数是声波所有可能入射角的平均系数一般所给的吸声系数

3、是声波所有可能入射角的平均系数同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同=(E总-E反）/ E总通常用平均吸声系数来表示封闭空间的吸声情况通常用平均吸声系数来表示封闭空间的吸声情况niiniiiSS11/例：某房间总表面积例：某房间总表面积1000m2,200m2的吸声系数为的吸声系数为0.8,800m2的吸声系数为的吸声系数为0.1,则平均吸声系数？则平均吸声系数？在某些特定频率和入射角下，在某些特定频率和入射角下，0.2的吸声系数意味着有的吸声系数意味着有20%的声波被吸收掉，而有的声波被吸收掉，而有80%的剩余声能被反射。的剩余声能被反射。10l

4、g0.8=-0.97dB表示由于吸声，声能衰减了表示由于吸声，声能衰减了0.97dB常见的吸声材料常见的吸声材料吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。 吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。 在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。多孔吸声多孔吸声材料材料纤维状纤维状颗粒状颗粒状泡沫状泡沫状共振吸声结共振吸声结构构单个共振器单个共振器穿孔板共振吸声穿孔板共振吸声结构结构薄膜

5、共振吸声结薄膜共振吸声结构构薄板共振吸声结薄板共振吸声结构构特殊吸声结特殊吸声结构构空间吸声体空间吸声体吸声尖劈吸声尖劈多孔材料吸声的必要条件是多孔材料吸声的必要条件是 ：材料有大量空隙，：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。 当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声多孔吸声结构错误认识一：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：内部存在大量孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、

6、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。岩棉：天然岩石及矿物等为原料制成的蓬松状短细纤维玻璃棉：熔融玻璃纤维化,形成棉状的材料,化学成分属玻璃类,是一种无机质纤维矿棉：冶金矿渣或粉煤灰为主要原料者称矿渣棉共振吸声结构单个共振器空腔共振吸收-亥姆霍兹共振器。当入射声波的频率和这个系统的固有频率一致时，共振器孔颈处的空气柱就激烈振动，孔颈部分的空气与颈壁摩擦阻尼，将声能转变为热能共振吸声结构穿孔板共振吸收结构在打孔的薄板后面设置一定深度的密闭空腔，组成穿孔板吸声结构，相当于单个共振器的并联组合。当入射声波频率和这一系统的固有频率一致时，穿孔部分的空气就激烈振动，加强了吸收效应，出现吸收峰，使声能衰减。共

7、振吸声结构薄膜、薄板共振吸声结构薄膜吸声结构：皮革、人造革、塑料薄膜于其背后封闭的空气层形成的共振系统。对中频（3001000Hz)有较好的吸收。薄板吸声结构：石膏板、胶合板、硬质纤维板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层构成振动系统。对低频（80-300Hz）有较好的吸收。特殊吸声结构空间吸声体。 尖劈强吸声结构（声阻逐渐加大）。吸声尖劈的吸声原理为当声波从尖端入射时，由于吸声层的逐渐过渡性质，材料的声阻抗与空气的声阻抗能较好地匹配，使声波传入吸声体，并被高效地吸收。大部分吸声材料都是疏松的。声音在穿过材料时，被空气大部分吸声材料都是疏松的。声音在穿过材料时，被空气流中的阻力所衰减，

8、其中一部分变成热能。流中的阻力所衰减，其中一部分变成热能。当这种疏松材料直接固定在连续的刚性表面上时，空气不当这种疏松材料直接固定在连续的刚性表面上时，空气不流动，因此材料界面无吸收流动，因此材料界面无吸收声波垂直入射到一界面上时，沿着反方向反射回去的能量声波垂直入射到一界面上时，沿着反方向反射回去的能量与后面持续到达的声波相结合形成驻波。与后面持续到达的声波相结合形成驻波。在界面分界面和距离界面在界面分界面和距离界面1/2处粒子速度很小，距界面处粒子速度很小，距界面1/4 处粒子速度最大。处粒子速度最大。吸引材料的厚度需要比吸引材料的厚度需要比1/4 大的多，否则吸声效果不好。大的多，否则吸

9、声效果不好。当疏松材料与分界面隔开放置时，吸声性能能明显增大。当疏松材料与分界面隔开放置时，吸声性能能明显增大。在距离墙壁正好在距离墙壁正好1/4 处放置吸声材料，吸声效果成倍增处放置吸声材料，吸声效果成倍增长长房间中声场的建立和衰减如果声源保持打开，并继续以稳定的比率如果声源保持打开，并继续以稳定的比率辐射声音，则房间内部的能量的建立会一辐射声音，则房间内部的能量的建立会一直持续下去，直到达到平衡状态为止，即直持续下去，直到达到平衡状态为止，即声源辐射的声能与吸收和透过边界传输的声源辐射的声能与吸收和透过边界传输的声能完全平衡声能完全平衡房间中声场的建立和衰减统计结果表明，强度和方向变化的各

10、个声统计结果表明，强度和方向变化的各个声束可以进行平均，在不靠近声源或任一边束可以进行平均，在不靠近声源或任一边界表面的房间各点上，存在着均匀扩散声界表面的房间各点上，存在着均匀扩散声场。场。扩散场扩散场 diffuse field 能量密度均匀、在各个传播方向作无规分布的声场。在此声场中任何一点所接收到的各个方向的声能将是相等的。封闭空间中，理想声场的建立和衰减封闭空间中，理想声场的建立和衰减横轴代表的是时间，纵轴代表横轴代表的是时间，纵轴代表的是封闭房间中的总声能。的是封闭房间中的总声能。 声音的建立或者衰减曲线声音的建立或者衰减曲线都是按指数形式变化的。都是按指数形式变化的。以分贝来描述

11、这个声场的建立和衰减过程。建立是非常快的，而衰减变为直线。线的斜率代表的是衰减比率，单位是分贝每秒dB/s。中心频率为125Hz的信号，稳态声压级上有很大的波动，并且在声能下降时也存在类似的波动。 线的斜率表明声压以每0.27s、30dB的比率衰减。这说明衰减比率为111dB/s。实测声音衰减图实测声音衰减图衰减比率衰减比率111dB/s中心频率为4Hz的信号，声压级的波动不再明显。声压以0.2s、30dB的比率衰减，此时它的衰减比率为150dB/s。衰减比率衰减比率150dB/s混响和混响时间定义：声音衰减定义：声音衰减60dB所需要的时间。所需要的时间。在实际应用中，在整个在实际应用中，在

12、整个60dB的范围上测量声音的衰减比的范围上测量声音的衰减比率很难。率很难。因此，一般通过测试信号关闭后最初因此，一般通过测试信号关闭后最初30dB衰减测量的斜衰减测量的斜率来定义平均衰减比率，并由此推得混响时间。率来定义平均衰减比率，并由此推得混响时间。计算混响时间计算混响时间如果房间中的声场是处于扩散场的状态，可以计算出声音在撞击到某一边界表面所走的距离。也就是室内声音在两次反射间自由传播距离的平均值l典型房间的典型房间的MFP MFP=4V/S V是空间体积，S表面积平均自由程平均自由程 mean free path 室内声音在两次反射间自由传播距离的平均值室内声音在两次反射间自由传播距

13、离的平均值计算混响时间计算混响时间例：例：房间尺寸为5m 6m 3m，计算以1kHz为中心的倍频程带宽时的衰减比率和混响时间。每次反射导致0.2的能量被衰减，则反射波一定会存在0.8的能量。这就相当于每次反射都要损耗0.97dB，约等于1dB。混响时间计算公式混响时间计算公式混响时间图表混响时间图表由于混响时间与平均自由程成比例，所以应当能尽可能准确地计算后者。混响时间计算的影响因素混响时间计算的影响因素 平均自由程，平均吸声系数，空气的吸收对混响时间的影响平均自由程，平均吸声系数，空气的吸收对混响时间的影响单一的一块大材料的总吸声量是小于将同样量的材料分成多个小块分散放置的吸声量。而且在较高

14、频率下空气的吸收会使得混响时间减少。混响时间混响时间T60推荐推荐混响时间短，声音清晰度高，但声音沉闷、枯燥，发干；混响时间过长，清晰度降低。混响时间的推荐值：电影院电影院 1.0-1.2S演讲、戏剧演讲、戏剧 1.0-1.4S歌剧、音乐会歌剧、音乐会 1.5-1.8S多功能会堂多功能会堂 1.5S多功能体育馆多功能体育馆 2S直达声和混响声声场声源辐射时，室内声能由两部分组成：声源辐射时，室内声能由两部分组成：l直达声能直达声能 声波受第一次反射以前的声能声波受第一次反射以前的声能l混响声能混响声能 包括第一次反射以后所有声波能量的叠加包括第一次反射以后所有声波能量的叠加当声源开始稳定的辐射

15、声波时，直达声能的一部分被壁面当声源开始稳定的辐射声波时，直达声能的一部分被壁面与媒质所吸收，另一部分用来不断的增加室内混响声场的与媒质所吸收，另一部分用来不断的增加室内混响声场的平均能量密度，所以声源开始发声后的一段时间内，房间平均能量密度，所以声源开始发声后的一段时间内，房间的总平均声能密度随混响平均声能密度的增长而不断增长的总平均声能密度随混响平均声能密度的增长而不断增长混响平均能量密度越大，被壁面和媒质吸收的就越多。混响平均能量密度越大，被壁面和媒质吸收的就越多。最后，由声源每秒钟提供给混响声场的能量将正好补偿被最后，由声源每秒钟提供给混响声场的能量将正好补偿被壁面和媒质所吸收的能量，

16、室内混响声平均能量密度达到壁面和媒质所吸收的能量，室内混响声平均能量密度达到动态平衡。动态平衡。直达声和混响声声场在封闭房间中，仅对直达声而言，平方反比定律是正确的在封闭房间中，仅对直达声而言，平方反比定律是正确的声源附近，直达声声场占主要地位声源附近，直达声声场占主要地位随着距离声源距离增大，黑点越来越少而随着距离声源距离增大，黑点越来越少而稀疏稀疏混响在整个封闭空间中的间隔是均匀的混响在整个封闭空间中的间隔是均匀的距声源某一距离处，白点黑点相等，此距离被称为距声源某一距离处，白点黑点相等，此距离被称为临界距离临界距离临界距离临界距离（临界距离（Dc）：从声源的声学中心算起，沿着指定的轴）：

17、从声源的声学中心算起，沿着指定的轴向，到达直达声和混响声声场密度相等的点的距离向，到达直达声和混响声声场密度相等的点的距离临界距离受声源指向性的影响临界距离受声源指向性的影响临界距离临界距离受房间边界的吸声系数的影响临界距离受房间边界的吸声系数的影响混响声场比混响声场比较强；较强；边界边界向声源向声源方向推进方向推进强吸收的消强吸收的消声室；声室；边界边界远离声远离声源方向源方向设声源的平均辐射功率为设声源的平均辐射功率为W，房间平均吸声系数为，房间平均吸声系数为第一次反射中被壁面等吸收的平均功率为？第一次反射中被壁面等吸收的平均功率为？ W 由声源提供给混响声场的平均功率为？由声源提供给混响

18、声场的平均功率为？ W（1- ）设稳态混响平均声能密度为设稳态混响平均声能密度为则室内每秒钟被吸收掉的声能为？则室内每秒钟被吸收掉的声能为？根据动态平衡条件根据动态平衡条件因此因此室内叠加声场的总平均能量密度应等于室内叠加声场的总平均能量密度应等于所以总声压所以总声压室内总稳态声压级室内总稳态声压级临界距离临界距离当声源为有指向性时，引入指向性因数当声源为有指向性时，引入指向性因数Q临界距离处测得的总体平均声压比单独由直达声临界距离处测得的总体平均声压比单独由直达声声场或混响声声场产生的大声场或混响声声场产生的大3dB临界距离临界距离相对声压级与距声源距离的关系相对声压级与距声源距离的关系在在

19、1/2临界距离处，混响声场开始发挥作用，整个声场的声压临界距离处，混响声场开始发挥作用，整个声场的声压比直达声场单独产生的声压大比直达声场单独产生的声压大1dB在在2倍临界距离处，总声压比混响声场单独产生声压大倍临界距离处，总声压比混响声场单独产生声压大1dB房间常数房间常数房间常数（R）：房间总体吸声量的变化值。）：房间总体吸声量的变化值。小的房间常数表示房间非常活跃大的房间常数说明房间吸声量很大1SR对于指向性声源指向性增加指向性增加6dB，对于临界距离增对于临界距离增加加1倍倍通常假定谈话人通常假定谈话人的的Q值为值为2统计模型与实际情况的关系对于房间的统计模型，有对于房间的统计模型，有

20、10%左右的偏差容限可信度。左右的偏差容限可信度。但是，对于平均吸声系数大于但是，对于平均吸声系数大于0.2的房间，实际情况与统的房间，实际情况与统计模型之间存在差距，主要原因是之前假设那种扩散式的计模型之间存在差距，主要原因是之前假设那种扩散式的混响声场不存在了。混响声场不存在了。在低混响时间和低天花板场合，对临界距离在低混响时间和低天花板场合，对临界距离Dc之外的衰减之外的衰减曲线的斜率进行了修正曲线的斜率进行了修正代表的是临界距离之外，每增加两倍的距离，所产生的代表的是临界距离之外，每增加两倍的距离，所产生的附加衰减的分贝数。附加衰减的分贝数。V是房间的容积，是房间的容积，h是天花板的高度，是天花板的高度，T60是混响时间。是混响时间。房间共振与声染色声源发声，激发房间某些固有频率