扩声基础知识

建筑声学基础雷波涛第一节建筑声学基本知识一、声音的基本性质声音来源于振动的物体。辐射声音的振动物体称为“声源”。声源要在弹性介质中发声并向外传播。声波是纵波。(1)人耳所能听到的声波的频率范围为20~20000Hz，称为可听声。低于20Hz的声音称为次声；高于20000Hz的声音称为超声。次声与超声不能使人产生声音的感觉。(2)室温下空气中的声速为340m／s。声速c，波长λ和频率f有如下关系：频率为100～10000Hz的声音的波长为3．4～0．034m。这个波长范围与建筑物室内构件的尺度相当，在室内声学中，对这一频段的声波尤为重视。c=λ·f第一节建筑声学基本知识(3)频带：将声音的频率范围划分为若干个区段，称为频带。每个频带有一个上限频率f1和一个下限频率f2，带宽就为f1-f2。每一频带以其中心频率fc标度。建筑声学设计和测量中常用的有倍频带和1／3倍频带；在倍频带分析中，上限频率是下限频率的两倍，即fl＝2f2；在1／3倍频带分析中，在可听声范围内，倍频带及1／3倍频带的划分及其中心频率如表3—1所示。表中第一行为1／3倍频带中心频率，第二行为倍频带中心频率。第一节建筑声学基本知识(4)波阵面与声线声波从声源出发，在同一介质中按一定方向传播，声波在同一时刻所到达的各点的包络面称为波阵面。声线表示声波的传播方向和途径。在各向同性的介质中，声线是直线且与波阵面垂直。依据波阵面形状的不同，将声波划分为：1)平面波——波阵面为平面，由面声源发出；2)柱面波——波阵面为同轴柱面，由线声源发出；3)球面波——波阵面为球面，由点声源发出。一个声源是否可以被看成是点声源，取决于声源的尺度与所讨论声波波长的相对尺度。当声源的尺度比它所辐射的声波波长小得多时，可看成是点声源。所以往往一个尺度较大的声源在低频时可按点声源考虑，而在中高频则不可以。第一节建筑声学基本知识(5)声绕射声波在传播过程中，遇到小孔或障板时，不再沿直线传播，而是在小孔处产生新的波形或绕到障板背后而改变原来的传播方向，在障板背后继续传播。这种现象称为绕射，或衍射。(6)声反射声波在传播过程中，当介质的特性阻抗发生变化时，会发生反射。从几何声学角度，可更直观地解释为，声波在传播过程中遇到尺寸比声波波长大得多的障板时，声波将被反射。根据界面的粗糙程度，声波在界面上的反射可分为镜像反射和扩散反射。第一节建筑声学基本知识6.1)镜像反射镜像反射声线的方向可由虚声源法确定。如图3—1所示，图中O为声源，O’为虚声源，是O关于反射面的映像，O和O’关于反射平面对称。如果用声线表示声波的传播方向，则反射声线可以认为是从虚声源发出的。镜像反射遵循斯奈尔声波反射定律，即入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内，入射声线和反射声线分居法线的两侧，反射角等于入射角。第一节建筑声学基本知识6.2)扩散反射当界面比较粗糙，其凸出部分不小于入射声波波长的1／7时，人射到界面上的声波会发生扩散反射。这时，声波被分解成许多较小的反射声波，传播的立体角扩大，见图3—2。第一节建筑声学基本知识(7)反射系数、透射系数、吸声系数声波入射到构件时，入射声能中的一部分声能被反射，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的摩擦或热传导而被损耗，称为材料的声吸收。根据被反射、透过和吸收的声能占总入射声能的比例，分别定义了材料的反射系数、透射系数和吸声系数，如下：反射系数：透射系数：吸声系数：式中E0,Eτ,Eγ——分别为人射声能、被界面反射的声能和透射的声能。τ：小的材料称为隔声材料，0．2的材料称为吸声材料。在进行室内音质设计与噪声控制时，必须了解各种材料的隔声与吸声特性，从而合理地选用材料。第一节建筑声学基本知识二、声音的计量声波是能量传播的一种形式，仅从频率、波长、声速等方面描述是不够的。在声环境评价和设计中，需要一些物理量来对声音进行计算和测量。1．声功率声功率是声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位是瓦(W)或微瓦(μW，1μpW=10-6W)。2．声压介质中有无声波传播时压强的改变量，称为声压，用符号户表示，单位是帕(Pa)。3．声强单位时间内，垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能，称为声强，用符号I表示，单位是瓦／平方米(W／m2)。第一节建筑声学基本知识4．声能密度声能密度指单位体积内声能的强度，用符号表示，单位是(w•s)／m3，或J／m3。5．声音计量物理量之间的关系(1)声功率与声强——平方反比定律在无反射的自由场中，由点声源发出的球面波声场中某点的声强与该点到声源的距离的平方成反比，称为平方反比定律：I——声场中某点的声强W／m2；W——声源的声功率W；r——声源到受声点的距离m。对于平面波，声场中的声强不变。I=W/4πr2第一节建筑声学基本知识(2)声压与声强在自由场中，声压与声强有如下关系：P——有效声压，Pa；P0——空气密度，kg／m3；C——空气中的声速，m／s；P0c——空气介质的特性阻抗，20oC时等于415(N·s)／m3。I=P2/P0C第一节建筑声学基本知识(3)声能密度与声强声能密度与声强有如下关系：ε——声场中的声能密度，J／m3；I——声场中的声强，W／m2；P0——空气密度，k8／m3；C——空气中的声速，m／s。ε=I/C=P2/P0C2第一节建筑声学基本知识6．声压级、声强级、声功率级及其叠加：人耳容许声强的上下限值之差别高达l万亿倍，声压相差也达100万倍。同时，人耳对声音强度感觉的变化也不是与声强和声压的变化成正比，而是近似地与它们的对数值成正比，为此，引入“级”的概念，单位是分贝(dU)。声压级：式中P0为基准声压，P0=2×10-5Pa。声强级：式中I0为基准声强，I0=10-12W／m2。LP=20lgP/P0(dB)LI=10lgI/I0(dB)第一节建筑声学基本知识声功率级：式中W0为基准声功率，W0＝10-12W。在常温下，通常可以认为，空气中声压级与声强级近似相等。声压级进行叠加时，不能简单地进行算术相加，而要求按对数规律进行叠加。当几个声源同时作用于某一点时，在该点所产生的声压是各声源单独作用时在该点所产生的声压平方和的方根值，即：第一节建筑声学基本知识例如，n个声压相等(均为p)的声音叠加，总声压级为：从上式可以看出，两个数值相等的声压级叠加时，只比一个声源单独作用时的声压级增加3dB。例如．两个50dB的声音叠加只是53dB，而不是100dB。声压级叠加可查表进行计算。当两个声压级差超过15dB时，较小声音的声压级可略去不计，其总声压级等于较大声音的声压级。第一节建筑声学基本知识三、声音的频谱与声源的指向性1．声音的频谱：声音的频谱是用来表示声音各组成频率的声压级分布。以频率(或频带)为横坐标，声压级为纵坐标的频谱图表示。具有单一频率的声音，称为纯音，其频谱图为一直线段；由频率离散的若干个分量复合而成的声音，称为复音，其频谱图为线状谱；包含连续频率成分的噪声的频谱为连续谱。对于连续谱的噪声，若其声压级用频带声压级表示，则得到频带声压级谱。了解声音的频谱很重要。在噪声控制中，只有了解了噪声的各组成频率成分及其强度，才能有效地降低噪声。在音质设计中，应避免声音频谱发生畸变，保证音色不失真。第一节建筑声学基本知识2．声源的指向性声源的指向性表示声源辐射声音强度的空间分布。指向性声源在距声源中心等距离的不同方向的空间位置的声压级不相等。人和乐器发出的声音都具有指向性。通常频率越高，声源的指向性越强，如图3-3所示。当声源的尺度比波长小得多时，可近似看作无方向性的“点声源”。此时，在距离声源中心等距离处，声压级相等。第一节建筑声学基本知识四、人的主观听觉特性1．听觉定位人耳的一个重要特性是能够判断声源的方向与远近。听觉定位是由双耳听闻得到的。由声源发出的声波到达双耳时有一定的时间差、强度差和相位差。人据此可判断声源的方位和远近，进行声像定位。第一节建筑声学基本知识2．时差效应如果到达人耳的两个声音的时间间隔(称为“时差”)小于50ms，就不觉得声音是断续的。一般认为，在直达声到达后约50ms内到达的反射声(即声程差为17m)，可以加强直达声；而在50ms后到达的反射声，不会加强直达声。如果延时较长的反射声的强度比较突出，则会形成回声的感觉。在室内音质设计中，回声是一种声学缺陷，应加以避免。人耳对回声感觉的规律，最早是由哈斯(Hass)发现的，故称为哈斯效应。第一节建筑声学基本知识3．掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象，称为掩蔽效应。存在的干扰声音称为掩蔽声。掩蔽效应说明了噪声的存在会干扰有用声信号的通讯。但有时可以利用掩蔽效应，用不敏感的噪声去掩盖不想听到的声音。4．纯音等响曲线人耳对声音的响应并不是在所有频率上都是一样的。以纯音做实验，取1000Hz纯音的某个声压级作为参考标准，则听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级就构成一条等响曲线。依次改变参考用的1000Hz纯音的声压级，就得到一组参考曲线。该1000Hz的纯音声压级定义为该等响曲线的响度级，单位是方(Phon)，见图3—4。第一节建筑声学基本知识从图3-4中可以看出，人耳对2000~4000Hz的声音最敏感；低于1000Hz时，人耳的灵敏度会随着频率的降低而降低；而在4000Hz以上时，人耳的灵敏度也逐渐下降。也就是说，不同频率的声音要使其听起来一样响，则应具有不同的声压级；反之，相同声压级的不同频率的声音，人耳听起来是不一样响的。如图中20方等响曲线上，声压级为20dB的1000Hz的声音与声压级为37dB的100Hz的声音是一样响的，其响度级均为20方。第一节建筑声学基本知识对于复合音，不能直接使用等响曲线，其响度级需通过计算求得，或可用声级计测量得到。声级计中设有A、B、C三个计权网络，测量的结果分别称为A声级、B声级和C声级，分别记为dBA、dBB和dBC。其中A计权网络是参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低频声音不敏感的特征。A声级与主观响度密切相关，因此在音频范围内进行测量和计算时，多采用A声级。要使人主观感受的声音响度增加一倍(或减为1／2)，则声压级的变化要有l0dB。第一节建筑声学基本知识5．声音三要素声音的强弱、音调的高低和音色的好坏，称为声音三要素。声音的强弱可用声压级、声强级及响度级描述。音调的高低取决于声音的频率，频率越高，音调越高。音色反映了复音的一种特性，它主要取决于复音的频率成分及其强度。第一节建筑声学基本知识响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压(达因／平方厘米)或声强(瓦特／平方厘米)来计量，声压的单位为帕(Pa)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。对于响度的心理感受，一般用单位宋(Sone)来度量，并定义lkHz、40dB的纯音的响度为1宋。响度的相对量称为响度级，它表示的是某响度与基准响度比值的对数值，单位为口方(phon)，即当人耳感到某声音与1kHz单一频率的纯音同样响时，该声音声压级的分贝数即为其响度级。可见，无论在客观和主观上，这两个单位的概念是完全不同的，除1kHz纯音外，声压级的值一般不等于响度级的值，使用中要注意。5.1．响度第一节建筑声学基本知识响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。在人耳的可听频域内，当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。一般以1kHz纯音为准进行测量，人耳刚能听到的声压为0dB(通常大于0．3dB即有感受)、声强为10-16W/cm2时的响度级定为0口方。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。仍以1kHz纯音为准来进行测量，使人耳感到疼痛时的声压级约达到140dB左右。第一节建筑声学基本知识实验表明，闻阈和痛阈是随声压、频率变化的。闻阈和痛阈随频率变化的等响度曲线(弗莱彻—芒森曲线)之间的区域就是人耳的听觉范围。对于1kHz以内的可听声，在同