建筑声学与动态声场课件

第一讲建筑声环境概述

从人的感受上声音分两类：C类：舒服的，如音乐、歌唱、生活中的交谈等。ComfortableU类：不舒服的，如噪声、爆炸声、刺耳的啸叫声等。Uncomfortable有时，C类也会转换成U类，如邻居的歌声、节日里的爆竹声等。声环境设计围绕着人的感受，在建筑设计中做到：

1、如何保证C类的声音听清听好——音质设计。

2、降低U类声音（噪声）对正常工作生活的干扰——噪声控制。1.2建筑声环境研究的内容1.2.1音质设计主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功能厅、电影院、体育馆等。设计得好:音质清晰、丰满、浑厚、亲切、温暖、有平衡感、有空间感。设计得不好:嘈杂、声音或干瘪或浑浊，听不清、平衡感和空间感差。1.2.2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。

对于录音室、演播室等声学建筑对隔声隔振要求非常高，需要专门的声学设计。

对于旅馆、公用建筑、民用住宅，人们对隔声隔振的要求也越来越高。随大跨度框架结构的运用，越来越多地使用薄而轻的隔墙材料，对隔声隔振提出了更高的设计要求。

1.2.4噪声的防止与治理噪声的标准、规划阶段如何避免噪声、出现噪声如何解决、交通噪声。实例：教师住宅受交通噪声影响，教师选房问题。1.2.5其他电声。模型声学测定。声学测量：声音本身性质的测定、房间声学的测定、材料声学性质的测定。声学实验室的设计研究。计算机模拟。1.3建筑声学发展简史古罗马的露天剧场露天剧场存在的问题是：1、露天状态下，声能下降很快。2、相当大的声能被观众吸收。3、噪声干扰。解决方法：加声反射罩；控制演出时周围的噪声干扰。十五世纪的剧场十五世纪后欧洲建了很多剧场，有些剧场的观众容量很大。如意大利维琴察，由帕拉帝迪奥设计的奥林匹克剧院，建于1579~1584，有3000个座位。又如1618年由亚历迪奥设计的意大利帕尔马市的法内斯剧场，可容纳观众2500人。从掌握的资料来看，虽然这个时代的建筑师几乎没有任何室内声学知识，但这个时代建造的几座剧院和其他厅堂没有发现任何显著的音质缺陷。主要的原因是由于观众的吸声和剧场内华丽的表面装饰起到了扩散作用，使剧场的混响时间控制比较合理，声能分布也比较均匀。从十五世纪修建的一些剧院发展到十七世纪，出现了马蹄形歌剧院。这种歌剧院有较大的舞台和舞台建筑，以及环形包厢或台阶式座位，排列至接近顶棚。这种剧院的特点是利用观众坐席大面积吸收声音，是混响时间比较短，这种声学环境适合于轻松愉快的意大利歌剧演出。在十七世纪开始有人研究室内声学。十七世纪的阿．柯切尔所著的《声响》,最早介绍了室内声学现象，并论述了早期的声学经验和实践。十九世纪初，德国人E.F.弗里德利科察拉迪所著的《声学》一书中，致力于解释有关混响的现象。19世纪的音乐厅世界上最佳声学效果的三大音乐厅

美国的波士顿音乐厅荷兰的阿姆斯特丹音乐厅奥地利维也纳格鲁斯音乐厅音乐厅声学设计理论的出现赛宾在28岁时被指派改善哈佛福格艺术博物馆（FoggArtMuseum）内半圆形报告厅的不佳音响效果，通过大量艰苦的测量和与附近音质较好的塞德斯剧场（SanderTheater）的比较分析，他发现，当声源停止发声后，声能的衰减率有重要的意义。他曾对厅内一声源（管风琴）停止发声后，声音衰减到刚刚听不到的水平时的时间进行了测定，并定义此过程为“混响时间”，这一时间是房间容积和室内吸声量的函数。1898年，赛宾受邀出任新波士顿交响音乐厅声学顾问，为此，他分析了大量实测资料，终于得出了混响曲线的数学表达式，即著名的混响时间公式。这一公式被首次应用于波士顿交响音乐厅的设计，获得了巨大成功。至今，混响时间仍然是厅堂设计中最主要的声学指标之一。室内声学设计的相关理论(a)马歇尔的侧向声原理：1967年，新西兰声学家马歇尔（HaroidMarshall）教授最先将人的双耳收听原理同音乐厅的声学原理结合起来，认为19世纪“鞋盒型”音乐厅的绝佳音质，除缘于混响时间及声扩散以外，直达声到达听众后的前50~80ms的早期侧向反射声起着极为重要的作用。在这些音乐厅中每个听众都接受到强大的早期反射声能，其中侧向反射比来自头顶的反射声更为重要，因为它提供给听众更强的三维空间感和音乐的环绕感。1968年，马歇尔（A.H.Marshall）提出了“早期侧向反射声”对音质起重要作用，认为需要有较多的早期侧向反射声，使听者有置身于音乐之中的一种“空间印象（spatialimpression）”感觉，空间感对响度及与低音相关的温暖感很重要。由于声音向后传播时，观众头顶的掠射吸收使声能衰减，必须靠侧向反射将声音传至观众席后部。这些发现意义重大，从此开始了将反射声的空间分布与时间系列相结合的新的研究阶段。该理论已成为近期影响音乐厅形状设计的主要理论，使新建音乐厅开始注重并应用侧向反射声。现代的建筑声学1930年以后出现了电影，从那时开始，高质量的录音和重现在科学、教育、文化、社会活动、娱乐中开始起到极大的作用。无线广播的飞速发展，给声学提出了一系列新问题，同时也为人们提供了更多更高级的音乐欣赏技术。声学材料的大量生产和实验室实验，给建筑师控制建筑内的声学问题提供了必要的工具。世界各国修建了相当大规模的厅堂。隔声隔噪、吸声降噪、噪声源控制等噪声处理问题在现代社会中越来越引起人们的重视。噪声于建筑密不可分，噪声污染的防治与治理已经成为建筑声学重要的组成部分。噪声规划、噪声控制等理论也逐渐演化开来。

第二讲

声环境设计的基本知识2.1声音的基本性质2.1.1声音的产生和传播声音产生于振动，振动的物体是声源。“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播在空气中，声源振动迫使其周围紧邻的空气质点产生往复振动，该振动迅速在空气中传播开来，这种振动的传播称为声波。声波为纵波，介质（空气等）的质点振动方向平行声波传播方向（疏密变化）。声波传播到人耳，引起人耳鼓膜的振动，带动听骨振动，由耳蜗、听神经等形成神经脉冲信号，通过听觉传导神经传至大脑听觉中枢，形成听觉。振动与波动2.1.2频率、波长与声速描述声波的基本物理量f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）

：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m

声波完成一次振动所走的距离。

C：声速，声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。

在空气中声速：在0oC时，C钢=5000m/s,C水=1450m/s

在15oC时，C空气=340m/s

参数间存在如下关系：c=f*或=c/fuser:声源、介质质点、声接收点的振动频率相同；传播的振动形式而非质点。人耳可听频率范围（听域）为20Hz~20KHz,<20Hz为次声>20KHz为超声。其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm2.1.3声波的绕射、反射和散射声波作为机械波，具有机械波的所有特征。有绕射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。波阵面：声波从声源发出，在某一介质内按同一方向传播，在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。球面波：点声源发出的波，声线与波阵面垂直。如人、乐器。平面波：波阵面为平面的波，声源互相平行，如线声源，多个点声源叠排。声波的绕射声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。声波的反射当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。反射的规则：1）入射线、反射线法线在同一侧。

2）入射线和反射线分别在法线两侧。

3）入射角等于反射角。Li=L散射当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成散射。2.1.4声波的透射与吸收声波具有能量，简称声能。当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。透射系数：反射系数：吸声系数：不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。2.2声音强弱的计量声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。2.2.1声功率、声强、声压

1、声功率：单位时间内物体向外辐射的能量W。（瓦或微瓦）

声功率是声源本身的一种重要属性。

人正常讲话——50W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。

训练有素的歌手——5000~10000W。

汽车喇叭——0.1W,喷气飞机——10KW。

在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。

2、声强：单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。

对于点声源有：

3、声压：指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化。符号P。

单位N/m2(牛顿/米2)，或Pa(帕斯卡）2.2.2声压级、声功率级及其叠加由于以下两个原因，实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）。1）声压对人耳感觉的变化非常大

1000Hz的声音，听觉下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。

2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。1、声压级Lp

取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：听觉下限：p=2*10-5N/m2为0dB

能量提高100倍的P=2*10-3N/m2为20dB

听觉上限：P=20N/m2为120dB

2、声功率级Lw取Wo为10-12W,

任一声功率W的声功率级Lw为：3、声压级的叠加10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分别是：13dB,3dB,10dB.几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即：声压级为：2.3声音的频谱与声源的指向性2.3.1声音的频谱

频谱——表示某种声音频率成分及其声压级组成情况的图形

傅立叶理论及现代信号处理技术证明：

理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。

分立谱：如弦振动产生的声音。连续谱：谈话、机器的噪声，大多数的自然声。如何获得声音的频谱：使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。

频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。倍频程：通常将可闻频率范围内20~20Hz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：

1631.5631255001K2K4K8K16K1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：

12.516202531.540506380100125160...2.3.2声源的指向性声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。2.4人耳的主观听觉特性人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导2.4.1听觉范围最高最低频率可听极限

一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。最小最大可听极限

人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。最小可辩阈（差阈）

声压级变化的察觉：

一般是1dB

3dB以上有明显感觉

频率变化的察觉：

一般是3%，低频时3Hz。

2.4.2听觉定位人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。

人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。人耳的水平方向感要强于竖直方向感。通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。2.4.3哈斯(Hass)效应人耳有声觉暂留现象，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。2.4.4掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。低频声对高频声的掩蔽作用大。2.4.5人耳频率响应与等响曲线人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于底于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。响度单位是“方”。随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同

声压级高，相对变化感觉小；

声压级低，相对变化感觉大。2087dB31.575dB6358dB12545dB25043dB50042dB1K40dB2K36dB4K32dB8K48dB40方等响声级线性声级（L声级）

将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。2030dB31.535dB6340dB12545dB25050dB50051dB1K52dB2K52dB4K52dB8K40dB16K38dB20K30dBL声级58.8dBA声级A声级是使用40方等响曲线作为计权网络对频谱进行加权，之后再进行频带叠加。A声级对500Hz以下的声音进行较大衰减，模拟人耳对低频不敏感的特性。A声级的数值单位表示是dB(A),如60dB(A)。频率声压级加权值加权后2030dB-50.5-20.531.535dB-39.4-4.46340dB-26.213.812545dB-16.128.925050dB-8.641.450051dB-3.247.81K52dB0522K52dB1.253.24K52dB1.0538K40dB-1.138.916K38dB-6.631.420K30dB-9.320.7A声级58.1dBA、B、C、D计权网络A:模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。

B:以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。

C:以85方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。

D:主要用于航空噪声测量。课后作业作业要求：必须抄题，包括选择题。选择题可能有多个答案。一、如果要求影院内最后一排观众听到来自银幕的声音和画面的时间差不大于100ms，那么观众厅的最大长度应不超过多少？二、声音的物理计量中采用"级"的概念，为什么？三、试证明在自由场中，Lp=Lw-20lgr-11。式中，Lw为声源的声功率级，Lp为距声源r米处的声压级。四、要求距广场上扬声器40m远处的直达声声压级不小于80dB，如把扬声器看作是点声源，它的声功率至少为多少？声功率级是多少？五、下列纯音相当于多少方？频率1000Hz2000Hz5000Hz100Hz50Hz声压级40dB30dB60dB80dB67dB六、一厂房测得机械噪声声压级为94dB,关掉机器，声压级为88dB，求机器实际的声压级。七、70dB+70dB+70dB+70dB=?八、请写出Lp1+Lp2+...Lpn的声压级计算公式。九、人耳听觉最重要的部分为：A、20~20KHzB、100~4000HzC、因人而异，主要在50Hz左右D、因人而异，主要在1000Hz左右十、以下说法正确的有：A、0oC时，钢、水、空气中的声速约5000m/s、1450m/s、331m/s。B、0oC时，钢、水、空气中的声速约2000m/s、1450m/s、340m/s。C、气压不变，温度升高时，空气中声速变小。十一、公路边一座高层建筑，以下判断正确的是：A、1层噪声最大，10层、17层要小很多，甚至听不见。B、1层噪声最大，10层、17层要小一些，但小得不多。C、1层、10层、17层噪声大小完全一样。十二、以下说法正确的有：A、1/3倍频程和倍频程的频谱可以相互转化。B、1/3倍频程的频谱可以向倍频程的频谱转化。C、倍频程的频谱可以向1/3倍频程的频谱转化。D、得到了声音的频谱，可以得到其A声级。十三、以下说明正确的有：A、声级计计权网络的作用是先将声音滤波，再测量滤波后的声压级。B、在相同的声源和测点处，A声级与L声级之间总相差3dB。C、声压级大时听起来不一定响。D、一般情况下，听起来响的声音A声级大。十四、使用声级计的A档、线形（L档）、2K滤波档分别测量1K的纯音得到Lp(A)、Lp(L)、Lp(2K)，有：A、Lp(A)=0dBB、Lp(A)=Lp(2K)C、Lp(L)>Lp(2K)D、Lp(A)>Lp(2K)第三讲室内声学3.1声音在室外与室内的传播3.1.1声波在室外空旷地带的传播规律随与声源距离的增加，声能发生衰减。对于点声源，有：距离增加一倍，声压级减少6dB。对于存在地面反射的情况，有：3.1.2声波在室内封闭空间的传播与室外情况很不同。形成“复杂声场”。1、距声源同样的距离，室内比室外响些。2、室内声源停止发声后，声音不会马上消失，会有一个交混回响的过程，一般时间较短。夸张：“绕梁三日，不绝于耳”3、当房间较大，而且表面形状变化复杂，会形成回声和声场分布不均，有时出现声聚焦、驻波等。以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。3.1.3建筑声学在室内声学中，可以用几何声学、统计声学和波动声学的理论加以分析。但对于建筑师来讲，可以少些关心复杂的理论分析和数学推导，重要的是在于弄清楚一些声学基本原理，掌握一些必要的解决实际问题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义。3.2声波在室内的反射与几何声学3.2.1反射界面的平均吸声系数混响室界面全反射，声能在声音停止后，无限时间存在。普通厅堂房间等界面部分反射，声能在声音停止后，经过多次反射吸收，能量逐渐下降。消声室界面全吸收，声能在声音停止后，完全没有任何反射吸收，在接触界面后，声能立即消失。3.2.2声音在房间内的反射3.2.3室内声音反射的几种情况室内声学中，常利用几何作图的方法，主要研究一次或二次反射声分布情况。在使用几何声学方法时应注意两个条件：1）只考虑能量关系。2）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸应比声音的波长大得多。3.2.4室内声音的增长、稳态和衰减从能量的角度，我们考虑在室内声源开始发声、持续发生、停止等情况下声音形成和消失的过程。3.3混响时间

ReverberationTime(RT)3.3.1什么是混响时间？室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。实际的混响衰减曲线。

由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线，因此有时取T30或T20代替T60。3.3.2赛宾(Sabine)公式赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。公式适用于：3.3.3伊林（Eyring)公式4m:空气吸收系数，空气吸收=4mV

当频率取>=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关，

通常取相对湿度60%,温度20oC时，4m为

2KHz——0.0094KHz——0.022

计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率

3.3.4混响时间计算的不确定性室内条件与原公式假设条件并不完全一致。

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）预测建筑室内的声学效果

3）分析现有的音质问题3.4室内声压级计算

及混响半径当室内声源声功率一定时，稳态时，在室内内距离为r的某点声压级可以预计，室内稳态声压级的计算公式为：公式前提：1）点声源

2）连续发声

3）声场分布均匀混响半径：混响声能密度=直达声能密度=>混响半径指向性因数：QQ=1,2,4,83.5房间的共振与共振频率普遍存在的共振现象：暖瓶倒水、口腔发声等等。在房间内存在共振现象：简并现象：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为“简并”。简并出现时，共振频率的声音被大大加强，形成频率特性的失真，低频会产生翁声，或产生“声染色”（coloration)防止简并现象的根本原则是：使共振频率分布尽可能均匀。具体措施有：

1）选择合适的房间尺寸、比例和形状；

2）将房间的墙或天花做成不规则形状；

3）将吸声材料不规则地分布在房间的界面上。黄金比例:长:宽:高=1.618:1:0.618例题:有一歌舞厅,实用面积近400平方米,容积约为本6000立方米.长,宽,高=22,18,4米.用未穿孔的石膏板作天花板,物池上灯具悬挂架的面积为80平方米,地面为光滑的混凝土,四面墙的三面均为五层板加木筋围成,一面有落地窗户,要全用中厚丝绒作落地窗帘,窗帘的有效面积为实际丝绒面积的一半(考虑皱折).计算步骤如下:1.查出各种材料在1KHZ,处的吸声系数混凝土地面0.02五层板0.09中厚丝绒(使用面积为实用面积的一半)0.75石膏板0.04灯具挂架0.52..计算房间总表面积和各种材料有效面积面积22×18=376≈400M2

层板18×4×2+22×4=232M2丝绒窗帘22×4=88M2石膏天花板400－80=320M2灯具吊架