31建筑声学基础知识课件

第三篇建筑声学

（建筑声环境）基本内容

建筑声环境的基本知识人体对声环境的反应原理与噪声评价声音传播与衰减的原理材料与结构的声学性能噪声的控制与治理方法2023/7/232西南民族大学城建学院第3.1章建筑声学基本知识

楔子：建筑声学的发展历程有关建筑声学的记载最早见于公元前一世纪，罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》。书中记述了古希腊剧场中的音响调节方法，如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。2023/7/234西南民族大学城建学院中国？欧洲？2023/7/235西南民族大学城建学院2023/7/236西南民族大学城建学院2023/7/237西南民族大学城建学院楔子：建筑声学的发展历程在中世纪，欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面，以产生长混响声，造成神秘的宗教气氛。2023/7/238西南民族大学城建学院15～17世纪，欧洲修建的一些剧院，大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位，同时由于听众和衣着对声能的吸收，以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射作用，使混响时间适中，声场分布也比较均匀。（剧场或其他建筑物的这种设计，当初可能只求解决视线问题，但无意中却取得了较好的听闻效果）。2023/7/239西南民族大学城建学院2023/7/2310西南民族大学城建学院2023/7/2311西南民族大学城建学院16世纪，中国建成著名的北京天坛皇穹宇，建有直径65米的回音壁，可使微弱的声音沿壁传播一二百米。在皇穹宇的台阶前，还有可以听到几次回声的三音石。18～19世纪，自然科学的发展推动了理论声学的发展。到19世纪末，古典理论声学发展到最高峰。20世纪初，美国赛宾提出了著名的混响理论，使建筑声学进入科学范畴。2023/7/2312西南民族大学城建学院从20年代开始，由于电子管的出现和放大器的应用，使非常微小的声学量的测量得以实现，这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。30年代，声学缩尺模型开始出现，并开始用于指导厅堂声学设计。60年代，厅堂声学的数字仿真技术开始发展。。。。。。。。。。。。2023/7/2313西南民族大学城建学院请看下页------正文2023/7/2314西南民族大学城建学院建筑声学的基本任务

是：研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。2023/7/2315西南民族大学城建学院以及：声环境控制的意义

创造良好的满足要求的声环境，可以------保证居住者的健康提高劳动生产率保证工艺过程要求录音棚、演播室高保真音乐厅2023/7/2316西南民族大学城建学院内容提要声音与声源的方向性声功率声强声压和分贝频率和频谱

音乐噪声声波的反射折射衍射扩散吸收和透射声音在户外的传播驻波和房间共振混响时间室内声压级人对声音的感受2023/7/2317西南民族大学城建学院3.1.1声音，声源的方向性第3.1章建筑声学基本知识声音是什么？

声波：声源振动引起弹性媒质的压力变化，并在弹性媒质中传播的机械波。声源：振动的固体、液体、气体。声压：空气压强的变化量，10-5～10Pa量级特性：波长、频率f、声速c波长2023/7/2319西南民族大学城建学院详解：

通常把受到外力作用而产生振动的物体称为声源。原理：声源在空气中振动，使邻近的空气振动并以波动的方式向四周传播开来，传入人耳，引起耳膜振动，通过听觉神经产生声音的感觉。

1．振动的产生

这里只介绍最简单的振动——简谐振动。物体振动时离开平衡位置的最大位移称为振幅，记作A，单位米(m)或者厘米（cm）；2023/7/2320西南民族大学城建学院完成一次振动所经历的时间称为周期，记作T,[单位秒（s）]。一秒钟内振动的次数称为频率，记作f，[单位赫兹（Hz）]。它们之间的关系f=1/T。如果系统不受其它外力，没有能量损耗的振动，称为“自由振动”，其振动频率叫做该系统的“固有频率”记作f0。

2．振动在空气中的传播──声波:分为横波和纵波。质点的振动方向和波的传播方向相垂直，称为横波。如果质点的振动方向和波的传播方向相平行，则称为纵波。在空气中传播声波就属纵波。

3．当空气质点收到外力作用（如扬声器膜振动）时会跟着产生振动，从而产生空气密度的疏密变化（即疏密波），这种疏密变化逐步向远处传去。当传入人耳，再经人耳内的听觉神经传到大脑，便产生听觉反应。

4．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。

2023/7/2321西南民族大学城建学院声音的传播速度

声速与媒质的弹性、密度和温度有关空气中的声速：理想气体中

k绝热指数，R气体常数，T绝对温度。空气中声速是温度的单值函数。在建筑环境领域中变化范围很小，近似：340m/s

固液体中的声速钢5000m/s

松木3320m/s

水1450m/s

软木500m/s2023/7/2322西南民族大学城建学院3.1.1.2波阵面声源的方向性声波从声源发出，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。波阵面为平面的称为平面波，波阵面为球面的称为球面波。人耳能感受到的声波的频率范围大约在20－20000Hz之间。低于20Hz声波成为次声波，高于20000Hz称为超声波。次声波和超声波都不会形成听觉。2023/7/2323西南民族大学城建学院2023/7/2324西南民族大学城建学院听觉范围——量级差非常大

可闻阈(听阈)

——人耳刚能感受的声音p0=2×10-5Pa

I0=1×10-12W/m2

疼痛阈——

闻之人耳则痛，p=200Pa，I=100W/m2

烦恼阈

——闻之烦恼不安

p0=20

Pa，I0=1W/m22023/7/2325西南民族大学城建学院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。点声源——波阵面为球面，声音强度随着传播距离的增加而迅速减弱；当声源的尺寸较距离小很多时，可认为点声源。线声源——波阵面为柱面，声音强度随着传播距离的增加而逐渐减弱；如很长的火车。面声源——波阵面为平面，声音强度不随传播距离的增加而减弱。海啸属。2023/7/2326西南民族大学城建学院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。2023/7/2327西南民族大学城建学院第3.1.2节声功率声强声压和分贝3.1.2.1声功率、声强、声压

声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能量，记作W，单位为瓦(w).

声强是指在单位时间内在垂直于声波传播方向的单位面积上的所通过的声能，记作I,单位是W/m2。

声压是指某瞬间介质中的压强相对于无声波时的压强的改变量，所以声压的单位就是压强的单位，即牛顿/米2(N/m2)或微巴(μb)。每一瞬间的声压叫瞬时声压，某段时间内瞬时声压的平均值称为有效声压，用它的均方根来表示。2023/7/2329西南民族大学城建学院补充：人耳巨大的听觉范围对于1000hz的纯音，闻阈声强为10-12w/m2,相应的声压为2x10-5Pa；痛阈声强为1w/m2，相应的声压为20Pa。人耳可容许的声强范围相差10-12

倍，即1万亿倍，声压相差一百万倍。人耳对声音大小的感觉不与声强、声压成正比，而是近似与声强或声压的对数值成正比。2023/7/23西南民族大学城建学院30人耳对声音的大小的感觉，并不与声强或声压值成正比，而是近似地与它们的对数值成正比，所以通常用对数的标度方法来表示。

声强级的定义就是这声音的强度I和基准声强I0之比的常用对数来表示，单位为贝尔(BL).但一般不用贝尔，而用它的十分之一作单位，称为分贝(dB)。

I0——基准声强，I0=10-12W/m2。

同样可以用分贝为单位来定义声压级。基准声压P0=2x10-5N/m2。

声功率以“级”表示便是声功率级，单位也是分贝。基准声功率级W0=10-12W。3.1.2.2分贝2023/7/2331西南民族大学城建学院声音的叠加(减)声强与声压的关系：I=P2/ρ0c总声强：I=

I1+I2+。。。。+In总声压：级的叠加，要采取对数运算规则。2023/7/23西南民族大学城建学院32声音的叠加(减)

两个数值相等的声压级叠加后，是不是增加一倍？

2023/7/2333西南民族大学城建学院声源声级叠加：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10lg2=3dB详见教材P309.

L=3dB2023/7/2334西南民族大学城建学院两个不同声源叠加，差别超过？？？dB，可以忽略？增加的声级数声源声级差2023/7/2335西南民族大学城建学院例题声压级的大小顺序依次为92，88，87，85，83，78，70，63，50dB，计算时逐个依次叠加。2023/7/23西南民族大学城建学院36第3.1.3节频率和频谱音乐噪声3.1.3.1频率和频谱

频率——音调，谐音和基音组合——音色和或音质。

频谱——频率范围为横坐标，相对应的声压级作为纵坐标（由一些离散频率组成的谱称为线谱。在一定频率范围内含有连续频率成分的谱称为连续谱。）2023/7/2338西南民族大学城建学院3.1.3.2音乐(乐音)基音+谐音2023/7/2339西南民族大学城建学院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880,1320,1760,2200,2640,3080,3520……2023/7/2340西南民族大学城建学院高频声低频声中频声31.25Hz频率2023/7/2341西南民族大学城建学院3.1.3.3噪声

定义：频率结构更复杂的声音。

（人耳听不出其中包含有任何谐音或音调的特征，但这种声音的主要频率是可以辨认的。噪音大多数是连续谱）测量：对声音作测量时既可以对整个频率范围作测量，也可以在测量系统中利用电滤波器，把可听频率范围内的声音分段测量。可以用倍频带或1/3倍频带进行分析。

2023/7/2342西南民族大学城建学院

2023/7/2343西南民族大学城建学院2023/7/2344西南民族大学城建学院倍频带，1/3倍频带

1、倍频带中，上限频率是下限频率的2倍，1/3倍频带中，上限频率是下限频率的1.26倍（上、下限频率也是截止频率）。

2、中心频率是截止频率的几何平均。

第3.1.4节声音在户外的传播一、点声源随距离的衰减

点声源，球面波：I=W/4πr2。声压级：Lp=Lw-11-20lgr。距离每增加1倍，声压级降低？2023/7/2346西南民族大学城建学院2023/7/2347西南民族大学城建学院二、线声源随距离的衰减1.无限线长声源

：距离增加一倍，声压级降低3dB。

2.有限长线声源

（了解原因即可）2023/7/2348西南民族大学城建学院三、面声源随距离的衰减

声能没有衰减。（但在远离声源的观测点也会有声压级的降低，数值为3-6dB）

2023/7/2349西南民族大学城建学院第3.1.5节声波的反射折射衍射扩散吸收和透射声音的传播规律

遇到障碍物：反射、散射、衍射(绕射)AE障碍物相对波长的尺度由大至小2023/7/2351西南民族大学城建学院一、声反射、声折射、声衍射和扩散1.平面的反射：光滑表面对声波的反射遵循平方反比定律。反射波的强度取决于它们与“像”的距离以及反射表面对声波吸收的程度。2.曲面的反射：与平面反射相比，凹面反射波的强度较强，凸面反射波的强度较弱。

2023/7/2352西南民族大学城建学院一、声反射、声折射、声衍射和扩散2023/7/2353西南民族大学城建学院一、声反射、声折射、声衍射和扩散3.声折射:

声波在传播的过程中，遇到不同介质的分界面时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。温度与风向对声音的传播方向产生影响。2023/7/2354西南民族大学城建学院4.声衍射:

声波通过障板上的孔洞时，并不象光线那样直线传播，而能绕到障板的背后改变原来的传播方向，在它的背后继续传播，这种现象称为绕射（亦称为衍射）。当声波在传播过程中遇到一块其尺度比波长大得多的障板时，声波将被反射。如声源发出的是球面波经反射后仍为球面波。5.声扩散:

声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的界面就会倍分解成许多小的比较弱的反射声波，这种现象称为声扩散。2023/7/2355西南民族大学城建学院2023/7/2356西南民族大学城建学院二、声吸收声波入射到建筑构件时，声能的一部分被反射，一部分透过构件，还有一部分由于构件的振动或声音在其中传播时介质摩擦、传热而被损耗，我们称之为被材料吸收。声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦而使一小部分声能转化为热能，称为空气对声能的吸收。单位时间内入射总声能E0，构件吸收声能为Eα，则材料的吸声系数α=Eα/E0。吸声量=Sα,S为材料的面积。2023/7/2357西南民族大学城建学院吸收透射吸收

反射

入射2023/7/2358西南民族大学城建学院平均吸声系数室内声级随时间t衰减的量2023/7/2359西南民族大学城建学院三、声透射

声波入射到建筑构件时，声能的一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分透过建筑部件传到另一侧空间去。材料的透声能力一般用透射系数τ来表示，在工程中习惯用隔声量R来表示，R＝10lg1/τ。R越大则隔声量越大。2023/7/2360西南民族大学城建学院透射第3.1.6节驻波和房间共振

混响时间室内声压级一、驻波和房间共振

驻波就是驻定的声压起伏。当在传播方向遇到垂直的刚性反射面时，用声压表示的入射波在反射时没有振幅和相位的变化，入射波和反射波相互干涉就形成了驻波。房间内复杂的共振系统，在声波的作用下也会产生驻波或称简正振动﹑简正波。对于矩形房间，其简正频率的计算公式见(3.1-9)。2023/7/2362西南民族大学城建学院2023/7/2363西南民族大学城建学院二、混响时间围蔽空间里的声学现象。2023/7/2364西南民族大学城建学院二、混响时间定义：声源停止发声后，声音自稳态声压级衰变60dB所经历的时间。2023/7/2365西南民族大学城建学院声能密度Dt，J/m3

（声音在室内的增长和衰减）

室内吸声量越大，衰减越快房间容积越大，衰减越慢

停止发声后衰减60dB的时间称为混响时间：2023/7/2366西南民族大学城建学院二、混响时间赛宾公式，伊林公式(3.1-11)。（如果房间的尺度较大，还需考虑空气对较高频声音的吸收，吸收的多少主要取决于空气的相对湿度，还有气温的影响。参见公式(3.1-12)。混响时间的计算式都是在较理想的条件下才适用。）2023/7/2367西南民族大学城建学院三、室内声压级

室内声压级的计算公式见(3.1-13).室内声场达到稳态时，某处的稳态声压级由直达声和混响声两部分组成。

2023/7/2368西南民族大学城建学院

室内声场由直达声与多次反射声组成声音比自由声场大，且不随距离平方衰减有“混响现象”室内声级随时间t衰减的量房间容积房间界面总面积2023/7/2369西南民族大学城建学院rrLpLpLWLWS0为声源面积，f为频率，I～IV是声源的4种位置指向性因数QAB室内的声压级

室内某点声压级

Q－指向性因数，取决与声源与接收点的相对关系

R－房间常数

S－房间总表面积

a－平均吸声系数2023/7/2370西南民族大学城建学院第3.1.7节人对声音的感受一、人耳的听觉、响度级、A声级1.人耳的听觉

当声波的交变压力到达外耳时，使耳膜按入射声波的频率振动，这些振动自中耳的几个听小骨中放大，并通过内耳中的液体传递到内耳的神经末梢，分析整理成信号传至大脑，产生了不同音调和强度的声音感受，这就是听觉过程。

2.响度级声级计和A声级

如果某一声音与已选定的1000Hz的纯音听起来同样响，这个1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的“响度级”。响度级的单位为方(phon)。对一系列纯音都用标准音来作上述比较，就可以得到纯音等响曲线。2023/7/2372西南民族大学城建学院2023/7/2373西南民族大学城建学院

特征：对高频声比对低频声敏感响度级：用1000Hz纯音的声压级代表其等响曲线的响度级，单位Phon2023/7/2374西南民族大学城建学院

对于复合声，不直接用纯音等响曲线，其响度级需要通过计算求得。目前在测量声音响度级时使用的仪器称为“声级计”，读数为“声级”，单位是分贝(dB)。在声级计中设有A、B、C三个计权网络，这三种计权网络是大致参考某几条等响曲线而设计的。模拟人耳对不同频率声音的反应。A计权网络参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音由较大的衰减，以模拟人耳对低频不敏感的特性。用A计权网络测得的声压计称为A声级，记作LA。C计权网络具有接近线形的较平坦的特性，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，因此可以代表总声压级。

2023/7/2375西南民族大学城建学院声级计：A、B、C、D计权网络声级计为模拟人耳听觉而进行滤波，分别模拟人耳对40方、70方和100方纯音的反应而得到A、B、C三种计权方式。D计权用于测量航空噪声。对不同的频率有不同的衰减。1000Hz的衰减均为是0。2023/7/2376西南民族大学城建学院2023/7/2377西南民族大学城建学院2023/7/2378西南民族大学城建学院人的主观听觉特性

什么是噪声？人们不愿意听到的任何声音空气声：经空气和围护结构传播固体声：振动噪声2023/7/2379西南民族大学城建学院听觉机构

自由场最小可听阈烦恼阈疼痛阈2023/7/2380西南民族大学城建学院二、噪声对人的影响

1.掩蔽、环境噪声、干扰噪声

一个声音的听阈（yu）因另一个掩蔽声音的存在而上升的现象称为掩蔽，上升的分贝数则是掩蔽的程度。一般来说，低频声对高频声的掩蔽作用较大，高频声对低频声的掩蔽作用较小，但是听者对某个声音的注意力也会影响其他声音的掩蔽作用。

环境噪声是指出现在听者所处环境里的总噪声级，往往是由多个声源产生。

干扰噪声是指由室外传入的噪声或是由建筑围护结构传递的来自建筑物其他部分的噪声。

2.决定声音对人干扰的程度的因素:

1）声压级或声级；

2）声音的持续时间；

3）声现象随时间的变化情况；

4）复合声的频谱成分。2023/7/2381西南民族大学城建学院3.噪声对健康和各种活动的影响

1）噪声对健康的影响

高强度的噪声对听觉器官会造成损伤，还会影响人的睡眠。

2）噪声对各种活动的影响

(A)噪声与语言干扰

人们对语言听闻的好坏决定于语言的声功率和清晰度。如果环境的噪声过高，就掩蔽了需要听的声音。如果室内混响时间过长则就会降低清晰度。

(B)噪声与效率

噪声对人们工作效率的影响随工作性质的不同而有所不同。

(C)噪声与音乐的欣赏

噪音对音乐欣赏的影响取决于：人们所听声音的响度范围，室内的环境噪声级以及干扰噪声的特点。

(D)噪声与烦恼

噪声对人的刺激程度于生理和心理因素有关，各人之间也有差别。噪音引起的烦恼反映一般都是与睡眠，工作，阅读，交谈有关。2023/7/2382西南民族大学城建学院2023/7/2383西南民族大学城建学院2023/7/2384西南民族大学城建学院掩蔽效应

一种声音存在提高了另一种声音的可闻阈频率相近则掩蔽作用显著对高频掩蔽作用比对低频掩蔽作用大有利有弊弊：听不清要听的内容，降低工作效率利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率掩蔽音的声压级被掩蔽音的声压级dB2023/7/2385西南民族大学城建学院掩蔽效应

适合的掩蔽背景声的特点无表达含义响度不大连续无方位感掩蔽背景声低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声轻微的音乐声隐约的语言声2023/7/2386西南民族大学城建学院日本办公楼噪声干扰感觉的调查2023/7/2387西南民族大学城建学院噪声评价：A声级用A计权方式测得的噪声级称作A声级，是一个综合叠加得到的单一的数值。环境噪声响度多在40方上下，故A声级能够较好地反映人对噪声的主观反应。

A声级LA(或LpA)

针对稳态噪声。对于一个噪声的倍频带谱：2023/7/2388西南民族大学城建学院噪声评价：A声级等效连续A声级针对声级随时间变化的噪声，在一段时间内能量平均的等效声级累积分布声级LX

用随机噪声声级出现的累积概率来表示:例如L1