4 建筑声学基础知识

建筑声学基础篇重庆大学建筑城规学院光学热工声学建筑物理（环境）空气质量天然采光人工照明节能城市热环境室内热环境室内音质噪声控制什么是建筑物理？绪论一、建筑声学的内容（1）噪声控制（室外、室内）排除或减小噪声和振动的干扰。（2）厅堂音质（室内）各种听音场所提供产生、传播和收听需要的声音最佳条件。重庆大礼堂室内声学分析城市小区噪声分析二、当前设计中的若干声学问题（1）大量厅堂建筑的建造。建设量大，要求高。（2）设计观念的转变，流动空间、开敞办公等提出更高的声学要求。（3）新型轻质材料和预制构件的应用，只注重结构及保温，忽视声学。（4）室内噪声源增加，如空调、风扇、洗衣机、吸尘器等。（5）室外噪声源增加，如汽车、轻轨、商业活动等。三、参考文献(1）《建筑物理》重庆大学陈仲林唐鸣放主编（2）《建筑物理》东南大学柳孝图主编（3）《建筑物理》五校合编刘加平主编（4）《建筑声学设计原理》华南理工大学吴硕贤编著（5）《建筑声环境》清华大学秦佑国王炳磷编第4章建筑声学基础知识4.1声音的基本性质本节要点：1.声音的产生2.声音的传播3.声波的频率、波长与速度4.波阵面与声线5.声波的反射与绕射6.声波的透射与吸收4.1.1声音的产生声音是人耳所能感觉到的“弹性”介质的振动，是压力迅速而微小的起伏变化。声音产生于物质的振动，例如扬声器的膜片、拨动的琴弦等。这些振动的物体称之为声源。振动的形式有多种多样，在现实生活中，许多声音都来源于最简单的振动——简谐振动。4.1.2声音的传播随着活塞不断来回振动，它的两侧就形成疏密相间的质点层并向远处传播，此即声波。因此对声波而言，当声源发声后，必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质既可以是气体，也可以是液体和固体。声波的产生4.1.3声波的频率、波长与速度波长：相邻的两个同位相质点的距离，或振动在一个周期的时间所传播的距离。频率f：质点在单位时间作完全振动的次数。声的频率是声源的振动频率。声速C：声在单位时间所传播的距离。声速的大小与介质的物理性质、温度有关。空气中：C=331+0.6θm/s量间关系：=c/fC=f·4.1.4波阵面与声线波阵面：声传播时，介质中振动位相相同的各点的轨迹。形状：点声源——球面波线声波——柱面波面声源——平面波波阵面声线：自声源发出代表声能传播方向的曲线，声的波动性质不计。仅在均匀、各向同性的介质中，声线是直线。声线的意义：声线代表了声传播的方向,又不考虑波动性，因此声传播问题得到了简化，它是一种研究声传播规律的简明工具。几何声学：用声线来研究声传播的声学。4.1.5声波的反射与绕射一、声波的镜像反射声波在前进过程中，如果遇到尺寸大于波长的界面，则声波将被反射。图所示的是光滑的表面对球面波反射的情况。图中虚线表示反射线，它像是从声源O的像——虚声源Oˊ发出的，Oˊ是O对于反射平面的对称点。声波的反射二、声波的扩散反射声波在传播的过程中，如果遇到一些凸形界面，就会被分解成许多较小的反射声线，并且使传播的立体角扩大，这种现象称之为扩散反射。适当的声波扩散反射可以促进声音分布均匀，并可防止一些声学缺陷的出现。扩散反射可分为完全扩散反射和部分扩散反射两种。前者是将入射的声线均匀地向四面八方反射，即反射的方向分布完全与入射方向无关；作后者是指反射同时具有镜像和扩散两种性质，即部分镜像反射，部分作扩散反射。完全扩散反射部分扩散反射三、声波的聚焦反射声波在传播的过程中，如果遇到一些凹形界面，凹面对声波形成集中反射，使反射声聚集于某个区域，造成声音在该区域特别响的现象。四、声波的绕射（衍射）当声波在传播过程中遇到一块有小孔的障板时，并不像几何光学光线那样直线传播，而是能绕到障板的背后继续传播，改变原来的传播方向，这种现象称为绕射。小孔对波的影响大孔对前进波的影响4.1.6声波的透射与吸收但从入射波和反射波所在的空间考虑问题，常用下式来定义材料的吸声系数：在进行室内音质设计或噪声控制时，必须了解各种材料的隔声和吸声特性，从而合理地选用材料。0011FFFFFrr声波的透射与吸收示意思考题：思考在我们身边存在的一些声音的镜像反射、扩散反射、聚焦反射及衍射等方式，并分别举例说明。4.1声音的基本性质复习本节主要介绍了声音的产生及传播的基本形式。4.2声音的计量本节要点：1.声功率、声强与声压2.声功率级、声强级与声压级4.2.1声功率、声强与声压一、声功率声源辐射声波时对外作功。声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，记作W，单位是瓦（W）或微瓦（μW）。几种不同声源的声功率声源种类声功率喷气飞机10kW汽锤1W汽车0.1W钢琴2mw女高音1000-7200μW对话20μW二、声强声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。声场中某一点的声强，即指单位时间内，在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的声能，符号为I，单位是瓦每平方米（W/m2），由下式表示：式中W——声源声功率，W；S——声能所通过的面积，m2。SWI对平面波而言，在无反射的自由声场中，由于在声波的传播过程中，其声线相互平行，波阵面大小相同，故同一束声波通过与声波距离不同的表面时，声强不变。对于球面波而言，其声强与点声源的声功率成正比，而与到声源的距离平方成反比。三、声压介质质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力的起伏称为声压，记作p，单位是帕斯卡，简称（Pa）。声压与声强有着密切的关系。在无反射、吸收的自由声扬中，某点的声强与该处声压的平方成正比，而与介质的密度和声速的乘积成反比，即：cpI02式中p——有效声压，Pa；0——介质密度，Kg/m3，一般空气取1.225Kg/m；c——介质中的声速，m/s。c0又称为介质的特性阻抗。4.2.2声功率级、声强级与声压级正常的人耳所能感知的声强和声压的范围是很大的。对于1000Hz的纯音，人耳刚能听见的闻阈声强是10-12W/m2，相应的声压是2×10－5Pa；而使人耳产生痛觉的痛阈声强是1W/m2，相应的声压为20Pa。可以看出，人耳可容许的声强范围相差1012倍，即一万亿倍，其声压也相差一百万倍。因此，很难直接用声强或声压来计量。如果改用对数标度，就可以压缩量程范围。同时，人耳对声音大小的感觉也并非与声强、声压成正比，而是近似地与声强或声压的对数值成正比。所以，对声音的计量常采用对数标度，于是就引入了级的概念。在声学中，级表示一个量与同类基准量之比的对数。一、声功率级Lw声功率级是声功率与基准声功率之比的对数的10倍，记作Lw，单位是分贝（dB）表达式为：式中W——某点的声功率，W；W0——基准声功率，10－12W。0lg10WWLW二、声强级LI声强级是声强与基准声强之比的对数的10倍，记作LI，单位也是分贝（dB），可用下式表示：0lg10IILI式中I——某点的声强，W/m2；0I——基准声强，10-12W/m2。三、声压级声压级是声压与基准声压之比的对数乘以20，记作Lp,单位也是分贝（dB），可表示为：0lg20ppLp式中p——某点的声压，Pa；P0——基准声压，2×10-5Pa。声功率级、声强级、声压级都是无量纲量，是相对比较的值，其数值大小与所规定的参考值有关。在级的分贝标度中，压缩了人耳感觉上下限范围量程的数量级，并接近人耳的感觉变化。不同环境噪声级4.2.3声级的叠加声强级、声压级叠加时，不能进行简单的算术相加，而是要按照“级”的加法规律进行，即要采用对数运算规则。对于几个声压均为p的声音，叠加后的声压级是：用声压运算按级的定义推导级的运算法则。1.分贝相加：相同相加：2.分贝平均：3.分贝相减：4、运算特点：1）不同声压级叠加，总声压级较其中大者的增加值≤3dB。2）两个声压级间差值≥10dB（15dB）以上，总声压级较大者的增值≤0.5dB。实际问题中的意义是：较小声级可忽略不计。即对“干扰与不干扰问题”的判断。问题：0分贝与0分贝相叠加，声压级为多少？声压增加1倍，声压级增加多少分贝？声能增加1倍，声压级增加多少分贝？思考题：声音的物理计量中采用“级”有什么实用意义？70dB的声强级和70dB的声压级是否一回事？为什么？计算85dB与90dB叠加后的声压级？4.2声音的计量复习主要介绍了声音的声功率、声强与声压的计量。4.3声音与人的听觉本节要点：1.可听的频率与声压范围2.响度级、总声级3.声源的指向性4.声音的频谱5.音调和音色6.双耳听闻与声像定位7.时差效应与回声感觉8.掩蔽效应4.3.1可听的频率与声压范围一、最高和最低可听频率极限对于可听频率的上限，不同人之间可有相当大的差异，而且和声音的声压级也有关系。一般青年人可听到20000Hz左右的声音，而中年人只能听到12000～16000Hz的声音。可听频率的下限，通常是20Hz。二、最大和最小的可听声压极限人耳可接受的声音的声压变化范围是很大的。人耳的最小可听声压极限与测试方法有关。在建筑声学中，通常用自由场最小可听阈表示。一般正常青年人在中频附近最小可听极限大致相当于基准声压，即2×10-5Pa(声压级为0dB)，当一个人最小可听极限提高时，可认为这听觉灵敏度降低了。人耳的听觉范围4.3.2响度级、总声级一、等响曲线1）现象与测定人耳对不同频率的声音，同频率强度不同的声音均有不同的感觉。这说明“耳”的主观性极大。测定a.对象18~25岁大量听力正常的青年b.环境声学消声室c.方法①听音者对声源，用两耳同时听，比较试听声音与1KHz的对照声，调节试听声与1KHZ的对照声，调节试听声使二者“等响”。然后测量听着不在时，其耳朵所在位置两种声音的声压级，取得一个等响点。②每个听者对若干频率和各声压级重复多次确定。③大量听者重复多次，然后统计平均。d将等响点连接就得到等响曲线。2）定义：听者认为响度相同纯音的声压级与频率间关系的曲线。3）意义：利用等响曲线可以判断不同频率的声音，在“响”这个特征上的差别。纯音等响曲线2、响度级Ln1）定义：为了定量地确定某一声音使人的听觉器官产生多响的感觉，最简单的办法是把它和另一个标准声压级值就定义为待测声音的“响度级”。单位：方。1KHz的声压级为响度级。2）特点：a人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏感。b低响度级曲线上，相应的各频率声压级变化较大。高响度级曲线上，相应各频率的Lp差别小，曲线较平直。c响度级差10方，能量不一定差10倍，低频声更明显。d可听阈不在1KHz0dB处，经准确测量——平均听阈1KHz是4.2dB处。即4.2方曲线为可听阈曲线。e人耳对低频声的变化敏感。3、声级1）.复合声评价a.对各种复合声应有反映“人”主观感觉响度的大小，量度方法。b.由等响曲线知不同频率的纯音对人耳刺激量的贡献不同，而且在高声级与低声级时有差异。高声压级时——不同f贡献相近。低声压级时——不同f贡献差异大。因此，既要考虑声级大小，也要考虑f。c.最初近似把声音的测量分三个区域考虑85dB以上——C声级55~85dB——B声级55dB以下——A声级2)A声级——用倒置的40方等响曲线作为计权网络测得的声级dB(A)。B声级——用倒置的70方等响曲线作为计权网络测得的声级dB(B)。C声级——用倒置的100方等响曲线作为计权网络测得的声级dB(C)。经过50多年，特别是近20年来的实践，认为三段划分的意义不大，公认A计权表达复合声最合适，与人的感觉更符合，因此，各种声音的评价中使用A声级。A、B、C、D计权网络A、B、C、D计权网络A声级修正曲线例：测的31.5~16KHz10个倍频带声压级均为80dB，求总声压级与A声级解：1）总声压级Lp=80dB+10lg10=90dB2）A声级先求计权，后求各频带的有效值31.5631252505001K2K4K8K16K-39.4-26.2-16.1-8.