大学建筑物理声学基本知识课件

1、 第4讲 建筑声学1一、声波及其描述1、声波：弹性介质中，机械振动由近及远的传播称为 声波。2、声波存在条件：1）声源： 不断振动的物体。2）弹性介质：传播振动状态的媒质。第1章 建筑声学基本知识第1节 声音的产生与传播23、声波的描述1）物理量的描述：波长入： 振动在一个周期的时间所传播的距离。 声波波长范围：1.7cm -17m 频率 f ：质点在单位时间作完全振动的次数。人耳所 能感觉到的频率大约在2020000Hz之间声速 C： 声波在单位时间所传播的距离。 3 声速的大小与介质的物理性质、温度有关。 空气中： C=331+0.6 m/s 通常室温下空气中的声速为340M/S. 声速、

2、波长和频率之间的关系： 波长 = c/f M声速 C = f M/S42）几何描述声场：有声波存在的空间。波阵面：声波从声源出发，在介质中按一定 方 向传播，在某时刻声波到达空间各点 之包迹面。 形状： 点声源球面波 线声波柱面波 面声源平面波波阵面5声线：自声源发出代表声能传播方向的曲线，代表声 音传播的方向，垂直于波阵面。 仅在均匀、各向同性的介质中，声线是直线。声线的意义：声线代表了声传播的方向但不考虑波动性，因此声传播问题得到了简化，它是一种研究声传播规律的简明工具。几何声学： 用声线来研究声传播的声学。67 相 同 点 不 同 点振动： 机械运动 质点平衡位置往返， 能量守恒声波：

3、机械振动 若干质点，各自平衡位置往返 能量传递 3）、 声波与振动的区别81、声的绕射（衍射）1）现象：隔障碍物可听到声音2）定义：声波在经过障碍物时，其传播方向要发生改 变，能绕过障碍物继续前进的现象。 3）结论：障碍物尺度与声波波长相比足够大，该物体 对声传播才有影响，才能改变声的传播方 向。特点：声波的频率越小，波长越长绕射的现象越明显。举例：在建筑中由于声音的绕射造成的危害二、声波的传播特性910惠更斯原理：在任一时刻，波阵面上的各点都可以看作一个发射于波的新波源，在下一时刻，这些子波的包迹面就是实际波源在此刻的新的波阵面。二、声波的传播特性11122、声的反射1）现象：在较大的障碍物

4、前（如墙等）或封闭空间 中，听见的声音较旷野大，甚至声源关闭 后，声音较长时间才消失。2）定义：声波传到两个介质分界面时，部分声波从界 面返回原介质的现象。3)反射条件： 障碍物反射板的尺度充分大（大于波 长）。134）反射定律 a 反射线、入射线、 法线在同一平面。 b 反射线、入射线 在法线的两侧 c 反射角=入射角5）典型反射面的应用平面镜象反射凹面形成声聚焦凸面声扩散（尺度应与比较）14 O O反射入射角i等于反射角i OO特点：1、反射波就象从声波的映象- O发出似的。 O-O 对称。2、声线入射角等于反射角。153、声的透射1）现象： 隔墙可以听到声音2）定义： 声传播过程中，部

5、分声能被反射、部 分被吸收、部分透 过障碍物继续传播 本课程重点研究它的反面不透声隔声164、吸声概念1）声传播的能量分配 Eo=Er+E+E 能量守恒2）反射系数 r= Er/Eo 透射系数 = E/Eo3）吸声系数 = 1- r概念：从入射声能所在空间考虑，除反射声以外，均不会 引起该空间声场的变化，故认为除去反射声的声能 以外，均视为被围护结构所“吸声”。定义： =（ Eo - Er ）/ Eo= （ E + Er ）/ Eo问题：窗洞的吸声系数多少？吸声系数不等于吸收系数！175、声的干涉1）现象 在同一空间中可能出现的随位置的不同声 能分布不均匀，声音从而随位置变大或变 小，甚至声音

6、沉寂的区域。2）定义：两种频率相同，相位相同或相位差固定的 两列波叠加，在重叠区域某些位置振动加 强，另一些位置声振动减弱的现象。3）结果：使声场分布极不均匀。186、大气的影响1）声折射从地表到几十公里的高空，空气的温度与密度随高度而变化，由于它们的不均匀性，从而大气层中的声速也是随位置而变化的。由波的传播特性可知，声波将发生向声速较小的介质层折射。19白天：在太阳的热辐射下，地表很热，空气的温 度随高度增加而逐渐减小，所以在白天地 面附近的空气层中声线向上弯曲，这样在 水平方向上声传播距离减小，听闻不佳。夜间：地表向空中辐射能量（长波）迅速冷却， 从而空气的温度随高度的增加而增加。从 高空

7、到地面声速随高度减小而减小，声线 向下弯曲。在水平方向上声传播距离增 大，听闻效果好。问题：在设计露天剧场时可以如何利用此特性？20白天气温随高度增加而减小，直到约40Km高空，再向上由于该层大气强烈吸收紫外线，而气温又上升，因此在40公里以上高空由于气温的升高，又折向地面故出现异常听闻区域。2）空气的吸收由于空气分子间存在摩擦和热传导，使一部分声能转化为热能被消耗，其宏观表现为空气的吸收。21第一节 总结22声波 声音振动在弹性介质中传播声源：振动的物体声波的描述声波的传播特性声波的绕射声波的吸收声波的反射波长频率声速声线声波波长越长绕射的现象越明显。声波的波长应大于或相当于反射板的尺寸。凹

8、面声聚焦凸面声扩散平面反射吸声系数点声源面声源23问题：1、楼上楼下的住户之间传声，你认为是由 于存在孔洞声音通过绕射现象造成的还 是通过金属管由于金属传声很快造成的。2、绕射现象会造成哪些危害？与建筑设计 有哪些联系？3、反射现象会造成哪些危害？又有哪些好 处？与建筑环境设计有哪些联系？4、每种材料都有吸声的特性，你认为这种特 性在建筑环境设计中会有哪些用途？241、声功率W：声源单位时间内声源向外辐射的声能 （W瓦，W微瓦），声功率不等于电功率。1W声功率是最大值。 第2节 声的计量与人的听觉特性一、声功率W、声强I、声压P252. 声强I： 1）定义：单位时间通过垂直于声传播方向单位 面

9、积的声能量。 2）符号：I 单位：W/m2 3）运算： I=W/S声强描述了声能在空间的分布。 点声源、自由声场（如a图）：对于平面波，声线平行，声能无聚集或离散，声强不变，与距离无关（如b图）：26声强与声功率的关系I=W/S W: 声功率 S：波阵面面积球面波声强与距离的平方成反比每倍距离衰减6dB。 273. 声压 1）定义： 声波存在时的压强与无声波时压强间的差值。 声波通过时，大气压强的逾量值 符号： 单位：Pa,帕斯卡 2）特点：标量。3）分类（测量）瞬时、峰值、有效值4）声强与声压的关系：C空气特性阻抗， C=415 N.s/m3285）运算：由能量相加推导出声压运算规律加法 I

10、=I1+I2减法平均291. 级的引入：1）声压变化数值范围大2)人耳对声的感觉特性 人对声的感觉量近似与声压值的对数成正比。二、声功率级、声压级、声强级30声强的变化范围大约: 1万亿倍声压的变化范围大约: 1百万倍 用声强、声压 计量很不方便 人耳的感觉变化与声强和声压不成正比例， 而是近似地与他们的对数值成正比。 由此引入了“级”的概念。级：主观与客观的结合。311.声功率级 (dB)基准声功率级 W0=10 12 W 2.声强级(dB)基准声强 I0=10 12 W/m23.声压级 (dB)基准声压 p0=210 5 N/m2可闻阀值32E、级的运算 实际问题中提出多个声源发声时相关的

11、计量问题，如70dB与70dB的声叠加问题。3334 总声强 用声压运算 按级的定义推导级的运算法则。 1、n个相同声压相加： 2、两个声压级分别为Lp1 和Lp2（设 ） 总声压级： (10-22)(10-23)35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 10 lg2 = 3 dB L = 3 dB364、运算特点： 1）不同声压级叠加，总声压级较其中大者的增加值3dB。 2）两个声压级间差值10dB 以上， 总声压级较大者的增值0.5dB，增值很小，可忽略。 实际问题中的意义是：较小声级可忽略不计。即对“干扰

12、与不干扰问题。”的判断。问题： 0分贝与0分贝相叠加，声压级为多少？ 声压增加1倍，声压级增加多少分贝？ 37两个不同声源叠加，差别超过1015 dB，可以忽略。增加的声级数声源声级差3839【例10-1】测得某机器的噪声频带声压级如下：倍频程中心频率（HZ）631252505001000200040008000声压级（dB）90951009382757070声压级的大小排序 100、95、93、90、82dB100-95=5.0 查10-3表得1.2 +100=101.2101.2-93=8.2 查10-3表得0.6 +101.2=101.8101.8-90=11.8 查10-3表得0.3

13、+101.8=102.1102dB401、声音既是一个客观物理量又是一个主观量。 频率相同，强度（声压级）不同响度不同 强度（声压级）相同，频率不同响度不同例：Lp = 40 dB f：1000Hz 响 52dB 100Hz判断：频率不同，声压级（强度）不同的两个 声音其响度一定不同吗？ 三、响度级、总声级和A声级412、定义响度级A、 选定标准声音： 1000Hz（纯音）Lp=50dBB、f1(2000Hz)（待测）Lp48dB f2(100Hz) (待测）Lp59dB 他们的响度级都是： 50方定义：某频率声音的响度级等于根据听音判断为等响的1KHz 的声压级。 单位： 方 1KHz的声压

14、级为响度级423、等响曲线1）现象：人耳对不同频率的声音，同频率声压级强 度不同的声音均有不同的感觉。这说明 “耳”的主观性极大。 测定： a 对象 1825岁大量听力正常的青年 b 环境 声学消声室 c 方法 听音者对声源，用两耳同时听，比较试听声音 与1KHz的对照声，调节试听声与1KHZ的对照 声，调节试听声使二者“等响”。然后测量听者 不在时，其耳朵所在位 置2种声音的声压级， 取得一个等响点。4344每个听者对若干频率和各声压级重复多次确定。大量听者重复多次，然后统计平均。d 将等响点连接就得到等响曲线。2）定义：听者认为响度相同纯音的声压级与频率间关 系曲线。3）意义：利用等响曲线

15、可以判断不同频率的声音，在 “响”这个特征上的差别。 45从等响曲线上能总结出何种规律？46 特点： a、 人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏 感。 b、 低响度级曲线上，相应的各频率声压级变化 较大。高响度级曲线上，相应各频率的Lp差 别小，曲线较平直。 c、 响度级差10方，能量不一定差10倍，低频声 更明显。47d 、可听阈不在1KHz 0dB处，经准确测量 平均 听阈 1KHz是4.2dB处。即4.2方曲 线为可听阈曲线。e、 人耳对低频声的变化敏感。484、 总声级1）复合声评价a 对各种复合声应有反映“人”主观感觉响度的大 小，量度方法。b 由等响曲线知：不同频率的纯音对人耳刺激

16、 量的不同，而且在高声级与低声级时有差异。 高声压级时不同f对响度的贡献相近 低声压级时不同f对响度的贡献差异大 因此 既要考虑声压级大小，也要考虑f。492）总声级复合声所有频率的声音的总响度级 计量（每个频率的声音响度级按一定的规律相加） 声级计测量响度级时计量仪器，单位dB3）对于复合音，不能直接用纯音等响曲线，其响 度级必须通过计算（1）线性声级（线性网络或总声压级）： 对任何频率的声音均无衰减，是各个频率 声压级的迭加总和，基本上是一客观的物 理量。 50 (1)A声级（A计权网络）：在各个频率的声 压级进行迭加时对500Hz以下的声音作了 较大衰减后进行迭加，衰减比例参考了40 方

17、的等响曲线（倒立形状），这符合人耳的听觉特性，与人耳所感觉的响度相近 似，对人有影响的噪音测量用A声级。 用A计权网络测得的声压级叫A声级，记作LA。5.A声级51【例 3.14】 已知一个噪声的频谱 ( 见表中的第一行 ), 求等效的 LA。【解 】由图 3.1-27 可以查出在每个倍频带所应作的修正值 ( 见计算列表中的第二行 );再根据图 3.1-5, 将经过修正的各倍频带声压级叠加后得到等效的 LA=70dB。排序 67 65 61 55 39 67-65=2=2.1+67=69.1-61=8.1=0.6+69.1=69.7-55=14.7= 69.7dB倍频带中心频率（HZ）1252

18、50500100020004000备注噪声声压级（dB）556068676054已知条件A计权修正值（dB）-16-9-30+1+1根据图3.1-27修正后的声压级值（dB）395165676155525354（2）B声级（B计权网络）：模拟70方等响曲 线倒立形状，对低频段500Hz以下的声音有一定的衰减。（3）C网络：摸拟85方以上的等响曲线倒立后的形状，整个频率衰减不多，接近线形。（4）D声级：它主要用于测量航空噪音。55经过50多年，特别是近20年来的实践，认为三段划分的意义不大，公认A计权表达复合声最合适，与人的感觉更符合，因 此，各种声音的评价中使用A声级 56 例： 测的31.5

19、16KHz10个倍频带声压级均为80dB， 求总声压级与A声级 解： 1）总声压级（线性声压级） Lp=80dB+10lg10=90dB 572）A声级 先求计权，后求各频带的有效值 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K -39.4 -26.2 -16.1 -8.6 -3.2 0 1.2 1.0 -1.1 -6.6有效值 40.6 53.8 63.9 71.4 76.8 80 81.2 81 78.9 73.4 声级迭加中注意 当仅为2个迭加，其中一个较小10dB以上 可忽略 较小10dB的声级有多个时，则视情况而定。排序 81.2 81 80 78.9 76

20、.8 73.4 71.4 63.9 53.8 40.681.2-81=0.2=2.9+81.2=84.1-80=4.1=1.4+84.1=85.5-78.9=6.6=0.9+85.5=86.4-76.8=9.6=0.5+86.4=86.9-73.4=13.5=086.9dB58声源在自由空间中辐射声音时，声音强度分布特性规律为指向性。当声源尺寸L和声波波长入之间的关系为：1、L入时：无方向性，声源可看作点声源，球面波。 嘴和扬声器发出低频时2、L 入时：有方向性，声源已不是点声源。L比入大得越多，指向性越强。 频率越高、波长越短，方向性越强；频率越低、波长越长，方向性越差。四、声源的指向性59

21、601、问题的提出1）音质设计中要控制厅堂对不同频率的反应。2）噪声控制中需分析其声级的部分相应频率以便有针 对地进行处理。2、纯音与复合声 纯音：单一频率的声音，又称单频声 复合声：若干纯音的组合。五、 频谱611）定义：组成复合声的所有频率或频带声压级表示 为频率的函数分布图形或列表。2）种类： 线状谱：若干纯音组成（乐音） 连续谱：由所有频率的声音组成。3）乐音组成： 基频：复合声中最低的频率，又称主频 分音：复合声中除基频以外的其他纯音 谐音：频率为基频整数倍的分音。3、频谱的表示626364线谱表示：用每一个分音的频率和与之对应的 声压级表示问题:对于连续谱，要象线谱那样分成若干分，

22、你 首先会想到用什么方法划分？连续谱表示：用每一倍频程和与之对应的声压级表示 1倍频程：两频率之比为2:1的频带 。 fc为中心频率，常用它代表该倍频带 。 4、频谱的表示651/3倍频程：n=1/3时： 称两频率相距1个1/3倍频程 n=K1/3称为K个1/3倍频程,K=0,13； 显然31/3=1，则3个1/3倍频程=1个倍频程 的距离，即在相距为1倍频程的频率f、2f之间插入两个频率21/3f和22/3f，使之成如下比例1: 21/3:22/3:2即f2:f1=2k/3, K=0,1,2,3,这四个频率之间关系是把一个倍频程划为三个1/3倍频程的关系66672）倍频程意义 倍频程，1/3

23、倍频程均仅表示频率划分时两个频率 之间的距离。显然1/3倍频程较倍频程细。3)倍频带，1/3倍频带 1倍频程或1/3倍频程所包含的频率带 当 满足1倍频程时，为1倍频带 当 满足1/3倍频程时，为1/3倍频带 其中心频率 （10-25）684）倍频带划分标准 倍频带、1/3倍频带及其中心频率划分采用ISO所 规定的标准。音质设计主要研究范围一般： 125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带音乐：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 八个倍频带实验室精细研究：125 4K 18个1/3倍频带63 8K 24个1/3倍频带6970声音的频谱特性、线谱、连续谱频谱的划分倍频

24、程音质设计主要研究范围：一般： 125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带音乐：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 八个倍频带71作 业1、在声音的物理计量中采用“级”，有什么使用意义？2、某居住区与工厂相邻。该工厂10台同样机器运转时的噪 声级为54dB，如果夜间的噪声允许值为50dB，问夜间只 能有几台机器同时运转？如果白天的噪声允许值为60dB， 问白天能有几台机器同时运转？ 3、绕射（或衍射）和反射与频率有关吗？有什么关系？ 这些现象对我们的建筑环境有影响吗？4、 0分贝与0分贝相叠加，声压级为多少？ 声压增加1倍，声压级增加多少分贝？ 722.夜晚 Lp=

25、Lp1+10lg10=54dB Lp1=44dB n=100.6=3.981 取3白天 n=39.8 取 394. （1） Lp=10lg2=3 （2）73作业21.已知下列各种声源的功率,以及基准功率Wo=10-12W,求各声源的声功率级。(1)200W(锅炉房),(2)12W(交响乐队),(3)0.25W(响的扬声器),(4)0.00005W(响的嗓音)。2.在户外距离歌手10m远处听到演唱的声压级为86dB,在距离80m远处听到的声压级为若干?3.已知一台风扇的倍频带声压级,求其总声压级和A声级。4. 某工厂内装有10台同样的风机。当只有1台风机开启时,室内平均噪声级是55dB。当有2台

26、、4台及10台同时开启时,室内平均噪声级各为多少? 倍频带中心频率(Hz)31.5631252505001000200040008000声压级(dB)858892878378786350745.房间I的尺寸为L、W、H,房间的尺寸为2L、2W及2H。如果该二房间的平均吸声系数相等,求它守门的混响时间之比;如果两房间的混响时间相同,求它们的平均吸声系数之比。6.判断与1000Hz、30dB等响的l00Hz声音的声压级是多少?它们的响度级是多少?75声音的三要素1）响度 听觉判断声音强弱的属性 响度反映了由声音入射到鼓膜，听音所获 得的感觉量，它主要依赖于引起听觉的声压和频率2）音调 听觉判断声音

27、高低的属性。 音调由该复合声的基频所决定，另外与其 谐音的强度，波形，时间长短也有一定影 响。 六、音调和音色763）音色：人在声觉上区别具有同样响度和音调的两个 声音的不同特性。主要由刺激的频谱决 定，与谐波的多少、成分等有关。77乐声的线状谱音调的高低取决于基频，而音色取决于谐频分量的构成基频谐频880, 1320, 1760, 2200, 2640, 3080, 3520781. 反射声直达声时间差 50毫秒 人耳可能听出两个声音可能形 成回声。直达声反射声声源七、时差效应（哈斯效应）79哈斯效应(HaasEffect)A与B两声源发出一模一样的声音,A、B相距约4.2m,与接收点的距离同为3m。哈斯作了这样的实验:(1)A与B同时发声,接收人听不出是两个声源,而是产生一个声象,该声象在A、B之间;(2)如果A先发声,滞后535ms，B再发声,接收人只觉得加强了A的声音,只认为声源在A,且不知道B也在工作;时差越小;强度差越大则干扰作用越小,反之越大(3)A先发声,滞后3550ms,B再发声,接收人认为声源方向仍在A,且知道B在工作;则B不会加强A的声音(4)A先发声,滞后50ms以上,B再发声,接收人明显地听到两个声音,分别在A和B,B处发声像是A的回声。8081根据两只耳朵听到的 可以