建筑物理 室内声环境1

•意义：•地位：•与其他学科的关系：•学习方法：阐述基本的物理概念、设计原理；复杂的公式推导从略。绪论一、意义：1、声音的利用：在音乐厅、歌剧院、体育馆、会议厅、报告厅、审判厅、天象馆、演播室、录音棚等等室内空间是如何利用好声音问题。2、噪声的控制：在住宅邻里之间、工厂机器噪声、街道公路的交通噪声、市场吵闹声等等均属于如何控制噪声的问题。二、地位：建筑声学作为建筑功能的重要方面，它随建筑类别在工程设计中占有不同的地位和作用：在音乐厅、歌剧院、体育馆、会议厅、报告厅、审判厅、天象馆、演播室、录音棚等等这类建筑中，音质的优劣直接关系到它是否能够使用的问题。因此建筑声学在此类工程设计中占主导地位。在其他方面也占有一定的位置。•与其他学科的关系：声学的领域很广，它几乎涉及到人类生活的各个方面，如图所示。而建筑声学则是声学的一个分支，是一个边缘科学。同时与声学密切相关，还有与生理、心理、音乐、语言、电子、机械、自动控制、计算机等学科有着密切的关系。声学的领域很广，它几乎涉及到人类生活•学习方法：阐述基本的物理概念、设计原理；复杂的公式推导从略。第一章第一节一、振动与声波二、波阵面、波长、声速、能量、能量密度、能流密度三、声波的绕射和反射一、振动与声波1、振动（1）周期运动：物体的运动每隔一段时间重复进行，—称周期运动。（2）周期：每重复一次运动所需要的时间，—称为周期（T）。例如：地球的公转、自转，潮汐的涨落，钟摆的摆动等。（3）振动：振动是一种周期运动。（4）机械振动：物体在一定位置附近做往复运动，—称机械振动。（5）简谐振动：是最简单的一种振动。满足谐振动方程：d2x/dt2+ω2x=0的振动；——称之为简谐振动。该方程的解：x=ACOS（ωt+φ）其中：A：振幅ω：圆频率；（2π/T）。f：频率；（f=1/T）。Φ：初位相。x：位移（弹簧振子）角位移（单摆运动）电量（LC振荡电路）等-1.5-1-0.500.511.504080120160200240280320360tx（6）振动能量（弹簧振子）动能：Ek=mv2/2=mω2A2SIN2（ωt+φ）/2势能：Ep=kx2/2=kA2COS2（ωt+φ）/2总能量：E=Ek+Ep=mω2A2/2=kA2/22、波动（1）波动：振动的传播过程称为波动，简称为：波。例如：机械波，声波，地震波，电磁波（无线电波、光波、X射线、γ射线等），物质波（德布罗意波）（2）波产生的条件：波源，介质（对电磁波不需要媒质）（3）横波与纵波横波：波在传播过程中，如质点的振动方向与传播方向垂直，则称为横波。纵波：波在传播过程中，如质点的振动方向与传播方向平行，则称为纵波。3）横波与纵波横波：波在传播过程中，如质点的振动方向与传播方向垂直，则称为横波。纵波：波在传播过程中，如质点的振动方向与传播方向平行，则称为纵波。（4）声波*声音：来源于物体的振动。例如：人的讲话是有声带振动引起的，扬声器发声是有扬声器膜片（子盆）的振动。*声源：正在发出声音的发声体。*声波：是一种机械波。*声波的传播介质：气体、液体、固体。*通常所说的声波：指在空气中传播的并能引起人耳听觉的可闻纵机械波。*能引起人耳听觉的声波频率：20-20000Hz（赫兹）（5）超声波与次声波*次声波：低于20Hz的纵机械波。*超声波：高于20000Hz的纵机械波（6）波动方程：d2y/dx2-（1/c2）d2y/dt2=0y=ACOS（ω（t-x/c））二、波阵面、波长、声速、能量、能量密度、能流密度1、波阵面：声波从声源出发，在同一介质中按照一定方向传播，在某一时刻，波动所达到的各点的包络面；称为波振面。（在波的传播过程中，波阵面上每一个开始振动的点，都可以看成一产生次级子波的新波源，Δt时间后，新波阵面的位置就是这些次级子波的包络面——惠更斯原理。）2、波长：在传播过程中，两相邻同相位质点间的距离。记作：λ，单位：米3、声速：声波在弹性介质中的传播速度。记作：C，单位：米/秒4、频率：声波的频率与质点的振动频率相同。记作：f，单位：赫兹（Hz）（单位时间内质点完成的振动次数）5、波长、频率及声速的关系：C=f*λ6、能量：声波是一种机械波，质点振动产生动能，质点间的变形产生势能。（1）动能、势能：dEk=dEp==ρdvω2A2SIN2（ω（t–x/c））/2ρ：媒质密度；ρdv：质量元（2）、总机械能dE=dEk+dEp=ρdvω2A2SIN2（ω（t–x/c））ρ：媒质密度；ρdv：质量元（3）能量密度：介质单位体积内的波的能量。W=dE/dv=ρω2A2SIN2（ω（t–x/c））（4）能流密度：单位时间内通过垂直于波传播方向单位面积上的平均能量。I=W*C=ρω2A2C/2三、声波的反射、衍射（绕射）、干涉1、反射2、衍射（绕射）3、干涉4、驻波四、声波的吸收和透射根据能量守恒定律：E=Eγ+Eα+Eτγ=Eγ/Eα=Eα/Eτ=Eτ/Eγ+α+τ=1第二节一声功率、声强、声压1、声功率定义：声功率指声源在单位时间内辐射的声能；记作：W单位：瓦（W），微瓦（uW）讨论：a、频带声功率：一般情况下指：20Hz—20kHz。b、声功率是声源辐射的声能量，与电功率不同。c、声功率是声源本身的特性，与环境无关。例如：对话：20uW稍高声讲话：50uW30万人同时讲话：15W女高音：1000-7200uW钢琴：2mW汽车：0.1W气锤：1W喷气飞机：10kW2、声强定义：在单位时间内，通过垂直于声波传播方向单位面积上的声能；记作：I单位：瓦/平方米（W/m2）I=W/S（W/m2）讨论：a、对于球面波：I=W/4πR2与R平方成反比。b、对于平面波：声波即没有聚焦，也没有发散，所以I不变。c、声强的测量是非常困难的，特别是指定方向的声强是难以直接测量的。因此常常采用测量声压后通过计算求得声强、声功率。3、声压定义：某瞬时，介质中的压强相对于无声波时压强的改变量；记作：P单位：牛顿/平方米或微巴（ub）讨论：a、瞬时性。b、有效声压：指某一段时间内瞬时声压的平均值。（通常我们所说的声压就是指有效声压）c、声压与声强的关系：I=P2/ρ*c说明：1、可闻阈：20Hz—20kHz2、对于1000Hz的纯音，人耳刚刚能听到的下限声强：I=10-12W/m2下限声压：P=2*10-5N/m2使人产生疼痛感的上限声强：I=1W/m2上限声压：P=20N/m23、人耳对声音的感觉与声强、声压的关系为非线性，而与它们的对数近似成正比。二、声强级、声压级、声功率级1、声强级定义：声音的强度I与其基准声强I0之比的常用对数值。LI=Lg（I/I0）其中：I0=10-12（w/m2）单位：贝尔（BL）或分贝（dB），（1BL=10dB）2、声压级定义：声场中某一点的声压P与其基准声压P0的比值的常用对数的20倍。LP=20Lg（P/P0）dB其中：P0=2*10-5（N/m2）3、声功率级：LW=10Lg（W/W0）其中：W0=10-12（w）讨论：a、“级”，只具有相对比值的意义。无量纲，其大小与选取的基准有关。b、当N个不同声源同时作用时：⑴、声场中的总声强：I=I1+I2+I3+……+In当I1=I2=I3=……=In时，I=nI1LI=10Lg（I1/I0）+10Lg（n）⑵、总声压：P=√（P12+P22+……+Pn2）当P1=P2=P3=……=Pn时，P=P1√nLP=10Lg（P1/P0）+10Lg（n）（3）可以证明：两个声压级LP1和LP2之和LP=LP1+10Lg（1+10-（LP1-LP2）/10）dB（LP1≥LP2）三、响度级声功率、声强、声压——表示声音物理特性。声功率级、声强级、声压级——对物理特性的度量。它们均为客观的物理量与主观感觉无任何关系。实验表明：1、强度相等，而频率不同的两个纯音（一个高，一个低）听起来并不一样响。2、两个频率和声压级都不同的纯音，有时听起来却可能会一样响。因此，人耳感觉与客观物理量之间的关系并不是简单的线性关系。1、响度级：定义：如果某一声音与已选定的1000Hz的纯音听起来一样响，这个1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的“响度级”单位：方（phon）。对于一系列纯音都用标准音进行比较，可获得纯音等响曲线。该曲线是根据大量健康人的试验而获得的，并于1959年由国际标准化组织（ISO）确定。注：1、同一条曲线上各点具有相同的响度级。2、人耳的敏感区2000-5000Hz，对低频不敏感。3、对复合音不能直接应用等响曲线，其响度需计算求得。2、A、B、C、D计权A计权：是参照40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大衰减，以模拟人耳对低频不敏感的特性。C计权：具有接近线性的较平坦的特性，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，因此它可以代表总声压级。B计权：介于两者之间，对低频有一定的衰减，模拟人耳对70方纯音的响应。四、声源的指向性：1、当声源的尺寸＜＜波长时：此时声源可视为点声源。2、当声源的尺寸≥≈波长时：此时声源不能视为点声源。五、频谱：鼓风机噪声谱、小提琴谱、单簧管及几种常用噪声谱、1/3和倍频谱。在工程上不可能一个一个频率的进行测量，而是一个频带一个频带的进行，因此常常采用倍频程或1/3倍频程。即：n=Log2（f2/f1）在工程上不可能一个一个频率的进行测量，而是一个频带一个频带的进行，因此常常采用倍频程或1/3倍频程。即：n=Log2（f2/f1）当n=1时：倍频程当n=1/3时：1/3倍频程六、音调和音色1、声音的三要素：声音的强弱、音调的高低、音色的好坏——构成声音的三要素。2、三要素与各物理量之间的关系（1）声音的强弱：可以用声强级、声压级或总声级等物理量来表示。（2）音调：主要取决于声音的频率；同时还与声压级及组成成分有关。例如：a、两个纯音，频率相同但声压级不同，听起来感觉音调不同。b、复合音音调：•两个频率相差不大时，人耳感觉是平均频率音调。•两个频率相差较大时，人耳能分辨是各自频率的音调。•乐器发出的复合音：由基频（音）和泛音；而泛音是基频的整数倍，因此基频再弱，音调的高低都是由基频所决定的。（3）音色：是由频率和振幅所决定的；即频谱所决定的。例如：每个人所发出的声音都是不一样的，即使他们的音调和声压级相同。七、时差效应当时差50ms时，人耳对声音就没有断续感觉。因此直达声到达人耳后，50ms之内到达的反射声对直达声有加强作用。八、双耳听闻效应声音传到人的两只耳朵有时间差、强度差和位相差。根据这些差别人耳能分辨出声音的方向——方位感。九、掩蔽作用由于某个声音的存在，而使人耳对别的声音的感觉能力降低的现象——掩蔽。要听清楚另外的声音，必须提高这些声音的“可闻域”，可闻域提高的分贝数称为——掩蔽量。