3第4講建筑聲學第1章基本知識

1、1,,第4講 建筑聲學,2,一、聲波及其描述1、聲波：彈性介質(zhì)中，機械振動由近及遠的傳播稱為 聲波。2、聲波存在條件：1）聲源： 不斷振動的物體。2）彈性介質(zhì)：傳播振動狀態(tài)的媒質(zhì)。,第1章 建筑聲學基本知識第1節(jié) 聲音的產(chǎn)生與傳播,3,3、聲波的描述1）物理量的描述：波長入： 振動在一個周期的時間所傳播的距離。 聲波波長范圍：1.7cm ------17m 頻率 f ：質(zhì)點在

2、單位時間作完全振動的次數(shù)。人耳所 能感覺到的頻率大約在20——20000Hz之間聲速 C： 聲波在單位時間所傳播的距離。,4,■ 聲速的大小與介質(zhì)的物理性質(zhì)、溫度有關。 空氣中： C=331+0.6θ m/s ■ 通常室溫下空氣中的聲速為340M/S. ■ 聲波、波長和頻率之間的關系： ? = c/f C = f ·?,5,2）

3、幾何描述,聲場：有聲波存在的空間。波陣面：聲波從聲源出發(fā)，在介質(zhì)中按一定 方 向傳播，在某時刻聲波到達空間各點 之包跡面。 形狀： 點聲源——球面波 線聲波——柱面波 面聲源——平面波縱波——質(zhì)點振動方向與聲波的傳播方向相平行；橫波——質(zhì)點振動方向與聲波的傳播方向相垂直；,,,,

4、,,,,,,,,波陣面,6,聲線：自聲源發(fā)出代表聲能傳播方向的曲線，代表聲 音傳播的方向，垂直于波陣面。 僅在均勻、各向同性的介質(zhì)中，聲線是直線。聲線的意義：聲線代表了聲傳播的方向但不考慮波動性，因此聲傳播問題得到了簡化，它是一種研究聲傳播規(guī)律的簡明工具。幾何聲學： 用聲線來研究聲傳播的聲學。,7,8,相 同 點 不 同 點振動： 機械運動

5、質(zhì)點平衡位置往返， 能量守恒聲波： 機械振動 若干質(zhì)點，各自平衡位置往返 能量傳遞,3）、 聲波與振動的區(qū)別,9,1、聲的繞射（衍射）（補：惠更斯原理）1）現(xiàn)象：隔障礙物可聽到聲音2）定義：聲波在經(jīng)過障礙物時，其傳播方向要發(fā)生改 變，能繞過障礙物繼續(xù)前進的現(xiàn)象。 3）結論：障礙物尺度與聲波波長相比足夠大，該物體 對聲傳播才有影響，才能改變聲的傳播方 向。

6、特點：聲波的頻率越小，波長越長繞射的現(xiàn)象越明顯。舉例：在建筑中由于聲音的繞射造成的危害,二、聲波的傳播特性,10,惠更斯原理：　　在任一時刻，波陣面上的各點都可以看作一個發(fā)射于波的新波源，在下一時刻，這些子波的包跡面就是實際波源在此刻的新的波陣面。,二、聲波的傳播特性,11,12,2、聲的反射1）現(xiàn)象：在較大的障礙物前（如墻等）或封閉空間 中，聽見的聲音較曠野里大，甚至聲源關閉 后，聲音較長時

7、間才消失。2）定義：聲波傳到兩個介質(zhì)分界面時，部分聲波從界 面返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。3)反射條件： 障礙物—反射板的尺度充分大（大于波 長）。,13,4）反射定律 a 反射線、入射線、 法線在同一平面。 b 反射線、入射線 在法線的兩側 c 反射角=入射角5）典型反射面的應用平面——鏡象反射凹面

8、——形成聲聚焦凸面——聲擴散（尺度應與入比較）,14,,,,,,,,,,,,,,,,,,O,O,,,,,,反射,,,,,入射角i等于反射角?,,,,i ?,O,O,,,,特點：1、反射波就象從聲波的映象--- O’發(fā)出似的。 O’------O 對稱。2、聲線入射角等于反射角。,15,16,3、聲的透射1）現(xiàn)象： 隔墻可以聽到聲音2）定義： 聲傳播過程中，部

9、 分聲能被反射、部 分被吸收、部分透 過障礙物繼續(xù)傳播 本課程重點研究它的反面——不透聲——隔聲,17,4、吸聲概念1）聲傳播的能量分配 Eo=Er+E?+E? 能量守恒2）反射系數(shù) r= Er/Eo 透射系數(shù) ?= E?/Eo3）吸聲系數(shù) ?= 1- r概念：從入射聲能所在空間考慮，除反射聲以外，均不會

10、 引起該空間聲場的變化，故認為除去反射聲的聲能 以外，均視為被圍護結構所“吸聲”。定義： ?=（ Eo - Er ）/ Eo= （ E? + Er ）/ Eo問題：窗洞的吸聲系數(shù)多少？吸聲系數(shù)不等于吸收系數(shù)?。?！,18,5、聲的干涉1）現(xiàn)象 在同一空間中可能出現(xiàn)的隨位置的不同聲 能分布不均勻，聲音從而隨位置變大或變 小，甚至聲音沉寂的區(qū)域。2）定義：兩種頻率相同

11、，相位相同或相位差固定的 兩列波疊加，在重疊區(qū)域某些位置振動加 強，另一些位置聲振動減弱的現(xiàn)象。3）結果：使聲場分布極不均勻。,19,6、大氣的影響1）聲折射從地表到幾十公里的高空，空氣的溫度與密度隨高度而變化，由于它們的不均勻性，從而大氣層中的聲速也是隨位置而變化的。由波的傳播特性可知，聲波將發(fā)生向聲速較小的介質(zhì)層折射。,20,白天：在太陽的熱輻射下，地表很熱，空氣的溫

12、 度隨高度增加而逐漸減小，所以在白天地 面附近的空氣層中聲線向上彎曲，這樣在 水平方向上聲傳播距離減小，聽聞不佳。夜間：地表向空中輻射能量（長波）迅速冷卻， 從而空氣的溫度隨高度的增加而增加。從 高空到地面聲速隨高度減小而減小，聲線 向下彎曲。在水平方向上聲傳播距離增 大，聽聞效

13、果好。,問題：在設計露天劇場時可以如何利用此特性？,21,白天氣溫隨高度增加而減小，直到約40Km高空，再向上由于該層大氣強烈吸收紫外線，而氣溫又上升，因此在40公里以上高空由于氣溫的升高，又折向地面——故出現(xiàn)異常聽聞區(qū)域。2）空氣的吸收由于空氣分子間存在摩擦和熱傳導，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗，其宏觀表現(xiàn)為空氣的吸收。,22,第一節(jié) 總結,23,聲波,,聲音,,,,振動在彈性介質(zhì)中傳播,聲源：振動的物體,,,,聲

14、波的描述,聲波的傳播特性,聲波的繞射,聲波的吸收,聲波的反射,波長,頻率,聲速,聲線,聲波波長越長繞射的現(xiàn)象越明顯。,聲波的波長應大于或相當于反射板的尺寸。,,,,,,,,,,,,凹面聲聚焦,凸面聲擴散,平面反射,吸聲系數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,點聲源,面聲源,,,,,24,問題：1、樓上樓下的住戶之間傳聲，你認為是由 于存在孔洞聲音通過繞射現(xiàn)象造成的還 是通過金屬管由于金屬傳聲很快造成

15、的。2、繞射現(xiàn)象會造成哪些危害？與建筑設計 有哪些聯(lián)系？3、反射現(xiàn)象會造成哪些危害？又有哪些好 處？與建筑環(huán)境設計有哪些聯(lián)系？4、每種材料都有吸聲的特性，你認為這種特 性在建筑環(huán)境設計中會有哪些用途？,25,1、聲功率W：聲源單位時間內(nèi)聲源向外輻射的聲能 （W瓦，??W微瓦），聲功率不等于電功率。1W聲功率是最大值。,,第2節(jié) 聲的計量與人的聽覺特性一、聲功率W、聲強I、聲壓P,26,2

16、. 聲強I： 1）定義：單位時間通過垂直于聲傳播方向單位 面積的聲能量。 2）符號：I 單位：W/m2 3）運算： I=W/S聲強描述了聲能在空間的分布。 點聲源、自由聲場：I=W/（4?r 2 ）,27,3. 聲壓 1）定義： 聲波存在時壓強與無聲波時壓強間的差值。 聲波通過時，大氣壓強的逾量值 符號： 單位：Pa

17、,帕斯卡 2）特點：標量。3）分類（測量）瞬時、峰值、有效值4）聲強與聲壓的關系：,ρC——空氣特性阻抗， ρC=415 N.s/m3,28,5）運算：由能量相加推導出聲壓運算規(guī)律加法 I=I1+I2減法平均,29,1. 級的引入：1）聲壓變化數(shù)值范圍大2)人耳對聲的感覺特性 人對聲的感覺量近似與聲壓值的對數(shù)成正比。,

18、二、聲功率級、聲壓級、聲強級,30,聲強的變化范圍大約: 1萬億倍聲壓的變化范圍大約: 1百萬倍 用聲強、聲壓 計量很不方便 人耳的感覺變化與聲強和聲壓不成正比例， 而是近似地與他們的對數(shù)值成正比。 由此引入了“級”的概念。級：主觀與客觀的結合。,31,1.聲功率級　 　　　　　 (dB)基準聲強 I0=10 –12 W

19、 2.聲強級　　　　　　(dB)基準聲強 I0=10 –12 W/m23.聲壓級　　　　　　 (dB)基準聲壓 I0=2×10 –5 N/m2,,,,32,E、級的運算 實際問題中提出多個聲源發(fā)聲時相關的計量問題，如70dB與70dB的聲疊加問題。,33,34,用聲壓運算 按級的定義推導級的運算法則。 1、分貝相加： 相同相加： 2、分貝平均： 3、分貝

20、相減：,35,4、運算特點： 1）不同聲壓級疊加，總聲壓級較其中大者的增加值≤3dB。 2）兩個聲壓級間差值≥10dB（15dB）以上，總聲壓級較大 者的增值≤0.5dB。 實際問題中的意義是：較小聲級可忽略不計。即對“干擾 與不干擾問題?！钡呐袛唷栴}： 0分貝與0分貝相疊加，聲壓級為多少？ 聲壓增加1倍，聲壓級增加多少分貝？,36,聲強與聲功率的關系I=W/S W: 聲功率

21、 S：波陣面面積球面波聲強與距離的平方成反比→每倍距離衰減6dB。,37,1、聲音既是一個客觀物理量又是一個主觀量。 頻率相同，強度（聲壓級）不同——響度不同 強度（聲壓級）相同，頻率不同——響度不同例：Lp = 40 dB f：1000Hz 響 〉 100Hz判斷：頻率不同，聲壓級（強度）不同的兩個 聲音其響度一定不同嗎？,,三、響度級、總聲級和A聲級,38,2、

22、定義響度級A、 選定標準聲音： 1000Hz（純音）——Lp=50dBB、f1(2000Hz)（待測）——Ｌｐ＝48ｄＢ f2(100Hz) (待測）——Ｌｐ＝59ｄＢ 他們的響度級都是： 50方定義：某頻率聲音的響度級等于根據(jù)聽力正 常的聽音的聽音判斷為等響的1KHz 純音的聲壓級。 單位： 方 1KHz的聲壓級為響度級,39,

23、3、等響曲線1）現(xiàn)象：人耳對不同頻率的聲音，同頻率聲壓級強 度不同的聲音均有不同的感覺。這說明 “耳”的主觀性極大。 測定： a 對象 18~25歲大量聽力正常的青年 b 環(huán)境 聲學消聲室 c 方法 ①聽音者對聲源，用兩耳同時聽，比較試聽聲音 與1KHz的對照聲，調(diào)節(jié)試聽聲與1KHZ的對照

24、 聲，調(diào)節(jié)試聽聲使二者“等響”。然后測量聽者 不在時，其耳朵所在位 置2種聲音的聲壓級， 取得一個等響點。,40,41,②每個聽者對若干頻率和各聲壓級重復多次確定。③大量聽者重復多次，然后統(tǒng)計平均。d 將等響點連接就得到等響曲線。2）定義：聽者認為響度相同純音的聲壓級與頻率間關 系曲線。3）意義：利用等響曲線可以判斷不同頻率的聲音，在 “響”

25、這個特征上的差別。,42,從等響曲線上能總結出何種規(guī)律？,43,特點： a、 人耳對低頻聲較為遲鈍，對高頻聲較為敏 感。 b、 低響度級曲線上，相應的各頻率聲壓級變化 較大。高響度級曲線上，相應各頻率的Lp差 別小，曲線較平直。 c、 響度級差10方，能量不一定差10倍，低頻聲 更明顯。。,44,d 、可聽閾不在1KHz 0dB處，經(jīng)準確測量—

26、 —平均 聽閾 1KHz是4.2dB處。即4.2方曲 線為可聽閾曲線。e、 人耳對低頻聲的變化敏感。,45,4、 總聲級1）、復合聲評價a 對各種復合聲應有反映“人”主觀感覺響度的大 小，量度方法。b 由等響曲線知不同頻率的純音對人耳刺激量的 貢獻不同，而且在高聲級與低聲級時有差異。 高聲壓級時——不同f對響度的貢獻相近 低聲壓級時——不同f對響度的貢獻差異大 因此 既要考慮聲壓級大小

27、，也要考慮f。,46,2）總聲級——復合聲所有頻率的聲音的總響度級 計量（每個頻率的聲音響度級按一　　　　　　　　定的規(guī)律相加） 聲級計——響度級計量儀器（1）線性聲級（線性網(wǎng)絡或總聲壓級）： 對任何頻率的聲音均無衰減，是各個頻率 聲壓級的迭加總和，基本上是一客觀的物 理量。,47,(1)A

28、聲級（A計權網(wǎng)絡）：在各個頻率的聲 壓級進行迭加時對500Hz以下的聲音作了 較大衰減后進行迭 加，衰減比例參考了　　　40 方的等響曲線（倒立形狀），這符合人　　　　耳的聽覺特性，與人耳所感覺的響度相近 似，對人有影響的噪音測量用A聲級。,5.A聲級,48,49,（2）B聲級（B計權網(wǎng)絡）：模擬70方等響曲 線倒立形狀，對低頻段

29、500Hz以下的聲音 有一定的衰減。（3）C網(wǎng)絡：摸擬85方以上的等響曲線倒立后 的形狀，整個頻率衰減不多，接近線形。（4）D聲級：它主要用于測量航空噪音。,50,經(jīng)過50多年，特別是近20年來的實踐，認為三段劃分的意義不大，公認A計權表達復合聲最合適，與人的感覺更符合，因 此，各種聲音的評價中使用A聲級,51,例： 測的31.5~16KHz10個倍頻帶聲壓級均為80dB， 求總

30、聲壓級與A聲級 解： 1）總聲壓級（線性聲壓級） Lp=80dB+10lg10=90dB,52,2）A聲級 先求計權，后求各頻帶的有效值 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

31、 40.6 53.8 63.9 71.4 76.8 80 81.2 81 78.9 73.4 按照迭加公式，得 87.2dB 聲級迭加中注意 當僅為2個迭加，其中一個較小10dB以上 可忽略 較小10dB的聲級有多個時，則視情況而定。,53,當聲源尺寸L和聲波波長之間的關系為：1、L《入時：　　無方向性，聲源可看作點聲源，球面波。2、L ? 入時：　　有

32、方向性，聲源已不是點聲源。　　L比入大得越多，指向性越強。 頻率越高、波長越短，方向性越強；　　頻率越低、波長越長，方向性越差。,四、聲源的指向性,54,1、問題的提出1）音質(zhì)設計中要控制廳堂對不同頻率的反應。2）噪聲控制中需分析其聲級的部分相應頻率以便有針 對地進行處理。2、純音與復合聲 純音：單一頻率的聲音，又稱單頻聲 復合聲：若干純音的組合。,,五、 頻譜,55,1）定義：組成復

33、合聲的所有頻率或頻帶聲壓級表示 為頻率的函數(shù)分布圖形或列表。2）種類： 線狀譜：若干純音組成（樂音） 連續(xù)譜：由所有頻率的聲音組成。3）樂音組成： 基頻：復合聲中最低的頻率，又稱主頻 分音：復合聲中除基頻以外的其他純音 諧音：頻率為基頻整數(shù)倍的分音。,3、頻譜的表示,56,57,58,線譜表示：用每一個分

34、音的頻率和與之對應的 聲壓級表示問題:對于連續(xù)譜，要象線譜那樣分成若干分，你 首先會想到用什么方法劃分？連續(xù)譜表示：用每一倍頻程和與之對應的聲壓級表示 1倍頻程：兩頻率之比為2：1的頻帶。 fu / fl =2， fn / fx = 2n ， fc = (fu . Fl

35、)1/2 , n = log 2 ( fn / fx) fc為中心頻率，常用它代表該倍頻帶 。,4、頻譜的表示,59,1/3倍頻程：n=1/3時： 稱兩頻率相距1個1/3倍頻程 n=K·1/3稱為K個1/3倍頻程 顯然3×1/3=1，則3個1/3倍頻程=1個倍頻程 的距離。,60,2）倍頻程意義 倍頻程，1/3倍頻程均

36、僅表示頻率劃分時兩個頻率 之間的距離。顯然1/3倍頻程較倍頻程細。3)倍頻帶，1/3倍頻帶 1倍頻程或1/3倍頻程所包含的所有頻率帶 當f上，f下滿足1倍頻程時為1倍頻帶 當f上，f下滿足1/3倍頻程時為1/3倍頻帶 其中心頻率f中2=f上·f下,61,4）倍頻帶劃分標準 倍頻帶、1/3倍頻帶及其中心頻率劃分采用ISO所 規(guī)定的標準。音質(zhì)設計主要研究范圍一般： 125

37、250 500 1K 2K 4K 六個倍頻帶音樂：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 八個倍頻帶實驗室精細研究：125 ~ 4K 18個1/3倍頻帶63 ~ 8K 24個1/3倍頻帶,62,63,64,聲音的頻譜特性１、線譜２、連續(xù)譜頻譜的劃分——倍頻程音質(zhì)設計主要研究范圍：　　一般： 125 250 500 1K 2K

38、 4K 　　　　六個倍頻帶　　音樂：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 　　　　八個倍頻帶,65,作 業(yè)：1、在聲音的物理計量中采用“級”，有什么使用意義？2、某居住區(qū)與工廠相鄰。該工廠10臺同樣機器運轉(zhuǎn)時的噪 聲級為54dB，如果夜間的噪聲允許值為50dB，問夜間只 能有幾臺機器同時運轉(zhuǎn)？ 3、繞射（或衍射）和反射與頻率有關嗎？有什么關系？

39、 這些現(xiàn)象對我們的建筑環(huán)境有影響嗎？,66,聲音的三要素1）響度 聽覺判斷聲音強弱的屬性 響度反映了由聲音入射到鼓膜，聽音所獲 得的感覺量，　　　　它主要依賴于引起聽覺的聲壓和頻率2）音調(diào) 聽覺判斷聲音高低的屬性。 音調(diào)由該復合聲的基頻所決定，另外其強 度，波形，時間長短也有一定影響。,,六、音調(diào)和音色,67,3）音色：人在聲覺上區(qū)別具有同樣響度和音調(diào)的兩

40、個 聲音所以不同的特性。主要由刺激的頻譜決 定，由諧波的多少、成分等有關。,68,69,1. 反射聲——直達聲時間差 50毫秒 人耳可能聽出兩個聲音——可能形 成回聲。,,,,,,,,直達聲,反射聲,,聲源,七、時差效應（哈斯效應）,70,根據(jù)兩只耳朵聽到的 可以判斷聲源的 聲音強度差、 方向、

41、 到達 的時間差 確定其位置。 相位差,八、雙耳聽聞效應,71,特點：雙耳分辨能力： 左右水平方向遠大于上下垂直方向 通常可辨別： 水平方向500——1500的變化， 垂直方向有時要達到660才能分辨。問題：由于雙耳聽聞效應可能會導致?lián)P聲器 和發(fā) 聲者之間產(chǎn)生

42、聲源異位現(xiàn)象。應用：廳堂中揚聲器的布置方式,72,掩蔽效應——人耳對一個聲音的聽覺靈敏 度因另一個聲音的存在而降低的現(xiàn)象。掩蔽特點：1、掩蔽聲和被掩蔽聲的頻率相近時，掩蔽量 最大；2、掩蔽量的聲壓級越大掩蔽量也越大，對高 頻聲的掩蔽越顯著；3、低頻聲對高頻聲的掩蔽作用大，高頻聲對 低頻聲的掩蔽作用較小。,九、掩蔽作用,73,噪聲對人干擾的因素：1、聲壓級或聲級，強度大干擾

43、大；2、聲音的持續(xù)時間，持續(xù)時間長干擾大；3、聲音的變化情況，變化大干擾大；4、復合聲的頻譜成分，低頻噪音的干擾比聲級 相等的高頻聲小?？梢郧宄鎰e的峰值超過 平均噪音級10分貝左右的噪音，使人感到特 別刺耳。,74,作業(yè)1：要加強聲源的指向性，可如何處理聲 源？作業(yè)2：由于方位感特性，在廳堂中布置揚聲器 時，可能會 出現(xiàn)