建筑物理（第4版）课件：建筑声学基本知识

建筑物理（第4版）

建筑声学基本知识知识单元1声音的产生与传播4.1.1声音的产生4.1.2波振面、波长和声速4.1.3声音的传播特性4.1.4建筑材料的声音特性知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.1声功率、声强和声压4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加4.2.3响度和响度级4.2.4总声级4.2.5声源的指向性4.2.6倍频程和频谱4.2.7音调和音色4.2.8人耳的听闻特性知识单元3室内声场的变化过程4.3.1声波在室内的反射4.3.2室内声场的形成及变化过程知识单元4混响时间和室内声压级的计算4.4.1混响时间4.4.2室内声压级的计算知识单元5房间的共振和共振频率知识单元1声音的产生与传播4.1.1声音的产生声音来源于物体的振动，其中振动的物体称为声源。产生声音的两个必要条件是声源和传声介质。在空气中传播的声音称为空气声，在固体中传播的声音称为固体声，人耳最终听到的声音，一般是空气声。4.1.2波振面、波长和声速4.1.2波振面、波长和声速知识单元1声音的产生与传播介质类型钢混凝土软木橡皮玻璃淡水松木玄武岩声速/(m/s)50503100500505200148133203140表4-10℃时声波在不同介质中传播速度室温下空气中的声速约为340m/s，100Hz～400Hz的声音，波长范围大致在8.5m～3.4m之间。只有当声波的频率范围大致在20Hz～20000Hz之间（空气中波长17mm～17m）才能产生声音的感觉，这个范围的声波称为可闻声。4.1.3声音的传播特性（1）声音的反射和衍射声音的反射与光反射非常相似，仍遵守反射定律：1）声线的入射方向和反射方向与反射面的法线方向在同一个平面内；2）声线的入射方向和反射方向分别在法线的两侧；3）声线的入射角等于反射角。如果障碍物或孔洞的几何尺寸比声波波长小，声波将绕过它们，而不出现声影，这种现象称为声波的衍射。（2）声音的折射和干涉声波在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。白天声音传播方向向上弯曲；夜晚声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播得比较远的原因。此外，空气中各处风速的不同也会改变声波的传播方向，声波顺风传播时向下弯曲；逆风传播时向上弯曲，并产生声影区。知识单元1声音的产生与传播4.1.3声音的传播特性厅堂设计时，如采用成排的台阶式坐席，应使台阶升起坡度与声波向上折射角度大致吻合。相同类型的波遇到一起时将发生干涉，声波也不例外。当两列声波相遇时，介质中某些点的声音可能被加强，某些点的声音则可能减弱。但两列声波相交后，各自仍按原来的方向传播。（3）声音的透射与吸收当声波遇到障碍物时，声波疏密相间的压力将推动障碍物发生相应的振动，其振动又引起另一侧的传声介质随之振动，这种声音透过障碍物的现象称为声波的透射。声波引起障碍物振动要消耗声能。由于摩擦、碰撞，其中一部分声能转化为其他形式的能量（如热能），声能因而衰减，这种现象称为声波的吸收。知识单元1声音的产生与传播4.1.3声音的传播特性据能量守恒定律，总声能Ｅ０是反射声能Ｅr、透射声能Ｅτ和吸收声能Ｅα之和。即：Ｅo＝Ｅr＋Ｅτ＋Ｅα透射声能Ｅτ与入射声能Ｅ０之比称为透射系数，记作τ；反射声能Ｅr与入射声能Ｅ０之比称为反射系数，记作γ，即：知识单元1声音的产生与传播4.1.4建筑材料的声音特性通常把τ值小的材料称为隔声材料，把γ值小的材料称为吸声材料。实际上障碍物吸收的声能仅仅是Ｅα，但从入射波和反射波所在的空间考虑，常把除反射以外的部分都认为被吸收了，由此得出材料的吸声系数α：在室内音质设计或进行噪声控制时，必须了解各种材料的隔声、吸声特性，从而合理地选用材料。常用建筑材料及结构的吸声系数见附录E。知识单元1声音的产生与传播4.1.4建筑材料的声音特性（1）声功率声功率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（μW）。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.1声功率、声强和声压声源种类喷气飞机气锤汽车钢琴女高音对话声功率10kW1W0.1W2mW1000～7200μW20μW表4-2几种不同声源的声功率（2）声强在声波传播的过程中，单位面积波振面上通过的声功率称为声强，记为I，单位是W/m2。距离平方反比定律：知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.1声功率、声强和声压（3）声压对于正弦声波，有效声压p等于瞬时声压的最大值pm除以

，即：自由声场中，某点的声强与该点声压的平方成正比，与介质的密度和声速的乘积成反比。即：式中

p——有效声压，单位为Pa；ρ0——空气密度，单位为kg/m3,一般为1.225kg/m3；c——空气中的声速，单位为m/sρ0c——介质的特性阻抗，在20℃时其值为415N·s/m3在自由声场中，如果测得声压p和测量点与声源的距离r，即可算出该点的声强I及声源的声功率W。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.1声功率、声强和声压（1）听阈和痛阈人耳刚能感觉到其存在的声音的声压称为听阈，听阈对于不同频率是不相同的。4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加知识单元2声音计量与人耳的听觉特性人耳对1000Hz的声音感觉最灵敏，其听阈声压为P０＝2×10－５Pa（称为基准声压）。对应的声强为I０＝10-12W/m2（称为基准声强），对应的声功率为W０＝10-12W（称为基准声功率）。使人产生疼痛感的上限声压声为痛阈，对1000Hz的声音为20Pa，相应声强为1W/m2

，相应声功率为1W。（2）声强级、声压级和声功率级常采用按对数方式分等分级的办法来描述声音，对声音计量常用的单位是分贝（dB）。对应的物理量有声强级、声压级和声功率级三种。声强级的公式为4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加知识单元2声音计量与人耳的听觉特性式中——声强级（dB）；——声强（W/m2）；——基准声强,I0=10-12W/m2。声压级的公式为4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加式中——声压级（dB）；——声压（Pa）；——基准声压,P0＝10-5Pa。在一定条件下，声强级和声功率级在数值上相等。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性声功率级的公式为4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加式中——声功率级（dB）；——声功率（W）；——基准声功率,W0＝10-12W。人耳的听阈声压和痛阈声压用声压级表示，对应为0dB和120dB；声压级每增加1dB，约相当于声压变化12%；声压每增加1倍，声压级增加约6dB；声压每增大到原来的10倍，声压级增加20dB。一般情况下，声压级每增加10dB，人耳主观听闻的响度大致增加1倍。

表4-3给出了一些声源声物理量的大小。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加声强/(W/m2)声压/Pa声强级或声压级/dB相应的环境声强/(W/m2)声压/Pa声强级或声压级/dB相应的环境102200140离喷气机处10-42×10-180-120120疼痛阈10-62×10-260相距处交谈10-12110风动铆钉机旁10-82×10-340安静的室内10-22100织布机旁10-102×10-420-10-122×10-50人耳最低可闻阈表4-3一些声源的声物理量知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加（3）声音叠加的相关运算由表中可知，两个数值相等的声压级叠加，只比原来增加了3dB，而不是增加一倍。这也可经简单计算求得。通常情况下，如两个声音的声压级相差超过15dB，则附加声压级很小，可忽略不计。[例4-1]测得某机器噪声声压级如表4-5所示，试求这8个频率的声音的总声压级。LP1-LP200.10.20.30.40.50.60.70.80.903.03.02.92.92.82.82.72.72.62.612.52.52.52.42.42.32.32.32.22.222.12.12.12.02.01.91.91.91.81.831.81.71.71.71.61.61.61.51.51.541.51.41.41.41.41.31.31.31.21.251.21.21.21.11.11.11.11.01.01.061.01.00.90.90.90.90.90.80.80.870.80.80.80.70.70.80.70.70.70.780.60.60.60.60.60.60.60.60.50.590.50.50.50.50.50.50.50.40.40.4100.4---------110.3---------120.3---------130.2---------140.2---------150.1---------表4-4声压级差值与增值的关系（单位：dB）知识单元2声音计量与人耳的听觉特性知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.2声强级、声压级、声功率级及其叠加倍频程的中心频率(Hz)631252505001000200040008000声压级(dB)90951009382757070表4-5某机器的噪声频带声压级[解]

总声声压级的大小依次为100dB、95dB、93dB、90dB、82dB…，利用表4-4依次叠加。计算至此，进行三次叠加后即得102dB，与其余声压级的差值均超过15dB，附加值很小，可见总声压级主要决定于前面4个数值。100dB95dB101.2dB93dB1.2dB101.8dB90dB0.6dB102.1dB≈102dB0.3dB知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.3响度和响度级为了描述人耳对声音强弱的感觉，人们又引入了响度和响度级的概念。量度一个声音比另一个声音响多少的量称为响度。图4-1是纯音的等响曲线。取等响曲线中参考音1000Hz的垂直线与等响曲线相交点的声压级定义为各等响曲线的级别，称为响度级，单位是方（Phon）。图4-1中，最下面的一条等响曲线为0Phon，表示人耳的听阈。最上面一条为120Phon，表示人耳的痛阈。人耳可接受的声压级不能超过这两条曲线所包括的范围。在这个范围内，响度级和响度之间接近线性关系。响度级约改变10phon，近似等于响度改变了一倍。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.3响度和响度级知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.4总声级上述的响度级概念是按纯音定义的，但通常情况下，声音的频率成分十分复杂。对复合声不能直接使用纯音的等响曲线，人们对其响度感觉的量值需通过测量或计算求得。目前工程中常采用声级计进行某些简单的声音测量。声级计的读数称为“声级”，单位是dB。在声级计中参考等响曲线设计有A、B、C三个计权网络。C计权网络是模拟人耳对85phon以上纯音的响应，在整个可听频率范围内，它让所有的声音近乎一样通过，因此，它可代表总声级。B计权网络是模拟人耳对70phon纯音的响应，它使接收声通过时，低频段有一定的衰减。A计权网络是模拟人耳对40phon纯音的响应，它使接收的声音通过时，500Hz以下的低频段有较大的衰减，所以，A网络测得的声级更适合描述人耳对声音强弱的感觉。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.4总声级用声级计的A、B、C不同计权网络测得的声级，分别计作dB(A)、dB(B)和dB(C)。在音频范围内进行测量时，多使用A计权网络，用A计权网络测得的声级通常称为“A声级”（A-weightedsoundpressurelevel）。4.2.5声源的指向性频率越高，声波的波长越短，声源正面的声压比背面的和侧面的声压大得多，指向性越强；而低频声，声源前后的声压变化不大，因而指向性差。4.2.6倍频程和频谱（1）倍频程和1/3倍频程知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.6倍频程和频谱在测量声音时，常用到倍频程的概念。倍频程是指一系列相邻频率相差为2倍的多个频率。例如，琴键的低音A的频率是220Hz，中音A的频率是440Hz，而高音A的频率为880Hz，则称220Hz和880Hz相差2个倍频程。建筑声学中还常用1/3倍频程。在两个相距为1倍频程的频率f、2f之间，插入两个频率为21/3f、22/3f使它们之间成比例为1：21/3：22/3：2，即为1/3倍频程。目前声学测量中常用的倍频程和1/3倍频程，它们的频带划分和中心频率见表4-6。中心频率fc为上、下限截止频率fU和fL的几何平均值。即：知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.6倍频程和频谱倍频带1/3倍频带倍频带1/3倍频带中心频率截止频率中心频率截止频率中心频率截止频率中心频率截止频率1611.2～22.412.5162011.2～14.114.1～17.817.8～22.41000710～140080010001250710～900900～11201120～140031.522.4～452531.54022.4～2828～35.535.5～4520001400～28001600200025001400～18001800～22402240～28006345～9050638045～5656～7171～9040001800～56003150400050002800～35503550～45004500～5600表4-6倍频带和1/3倍频带的划分（单位：Hz）知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.6倍频程和频谱倍频带1/3倍频带倍频带1/3倍频带中心频率截止频率中心频率截止频率中心频率截止频率中心频率截止频率12590～18010012516090～112112～1401401120063008000100005600～71007100～90009000～11200250180～355200250315180～244224～280280～3551600011200～12500160002000011200～1410014100～1780017800～500355～710400500630355～450450～560560～710表4-6倍频带和1/3倍频带的划分（续表）

（单位：Hz）知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.6倍频程和频谱（2）频谱建筑设计中，通常以频率范围（或称频带范围）为横坐标，以对应的声压级为纵坐标表示某一声音各组成频率的声压级，这种图形称为声源的频谱。由一些离散频率成分形成的频谱称为线状谱，在一定频率范围内含有连续频率成分的频谱称为连续谱。图4-2为单簧管发声的频谱示意图，图4-3为几种噪声的频谱。知识单元2声音计量与人耳的听觉特性4.2.6倍频程和频谱声音的强弱、音调和音色称为声音的三要素。音调主要是由声音的频率决定的。单一频率的声音称为纯音。如被敲击的音叉所发出的声音。一个乐器发出的声音，通常包含一系列频率成分，其中一个最低频率的声音称为基音，人们据基音辨别乐器的音调，其频率称为基频。乐器发出的除基音之外的声音称为谐音。其频率都是基频的整数倍，称为谐频。如图4-2所示。基音和谐音的组合决定了声音的音色和音质。借助于音色和音质，才能区别不同乐器所发出的声音。4.2.7音调和音色知识单元2声音计量与人耳的听觉特性由于音乐声（即乐音）只含有基频和谐频，所以音乐的频谱是线状谱，如图4-2所示。管弦乐队发出的声音是由各种乐音混合而成的，频率成分非常复杂。对于语言声，其规律也是类似的，各人的声音互不相同，各有特征。声音通过电话后，许多谐音被削弱，但仍然可以在电话交谈中辨别不同人的声音特征。噪声是频率成分更复杂的声音，甚至包含有可闻声之外的频率成分。人耳听不出其中包含有任何谐音或是音调的特征，噪声大多数是连续谱，如图4-3所示。4.2.7音调和音色（1）时差效应与回声感觉声源在室内发声后，直达声和反射声先后到达人耳，若时间相差在50ms以内，则人耳分辨不出是不同的声音，似乎后面的声音是前一个声音的继续，感觉到的仅是音色和响度的变化，这种现象称为时差效应。4.2.8人耳的听觉特性知识单元2声音计量与人耳的听觉特性在直达声到达后约50ms之内到达的反射声，可以加强直达声，而在50ms之后到达的反射声，不会加强直达声，但如果它的强度比较大，人便能感觉到，形成“回声”。（2）听觉定位正常人在水平方向0°～60°的范围内，可辨别声源方位1°～3°的变化，具有良好的方位辨别力。对竖直方向，要在声源方位变化10°～15°以上时才能辨别。室内音质设计必须考虑方位感的问题，避免使听众感觉到扬声器发出的声音与讲演者的直达声来自不同方向。如用单耳听音，则失去方位感。用单个话筒在播音室内拾音，就相当于单耳听音。人耳对声源的定位还受视觉的影响。如人能看到声源的位置，只要声和像位置偏离不大，仍能感觉到视觉和听觉是一致的。4.2.8人耳的听觉特性知识单元2声音计量与人耳的听觉特性（3）掩蔽效应人在倾听一个声音时，如果存在其他的声音（称为掩蔽声），对所听声音的听阈就要提高，人耳的听觉灵敏度降低，这种现象称为掩蔽效应。听阈所提高的分贝数称为掩蔽量，提高后的听阈称为掩蔽阈。因此，在噪声环境下，要想听到一个声音，该声音的声压级必须大于掩蔽阈。一声音对另一声音的掩蔽量，主要取决于两者的频谱和声压级差。低音调（频率较低）的声音，当响度很大时，会对高音调（频率高）的声音产生显著的掩蔽作用，而高音调的声音对低音调的声音只产生很小的掩蔽作用。掩蔽声和被掩蔽声的频率越接近，掩蔽作用越大。在室内声学中，往往需要避免噪声对有用声信号的掩蔽。但有时也可利用背景噪声保证语言或通讯的私密度。4.2.8人耳的听觉特性知识单元3室内声场的变化过程4.3.1声波在室内的反射知识单元3