声音的物理性质及人对声音的感受

建筑声学3.1声音的物理性质及人对声音的感受3建筑声学•3.1声音的物理性质及人对声音的感受•3.2建筑吸声扩散反射建筑隔声•3.3声环境规划与噪声控制•3.4室内音质设计3.1声音的物理性质及人对声音的感受•3.1.1声音声源空气中的声波•3.1.2声音的物理性质与计量•3.1.3声音在户外的传播•3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射•3.1.5声音在围蔽空间内的传播•3.1.6人对声音的感受•3.1.7噪声对人的影响§声音的产生•人耳所感觉到的“弹性”介质中振动或压力的迅速而微小的变化•声源：受外力作用而产生振动的物体称为声源•除声源产生声音外，空气的剧烈膨胀也会导致空气压力的变化从而产生声音第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.1声音声源空气中的声波§声音的传播•声音的传播需要媒介（气体、液体、或固体）•是振动能量的传播，而不是振动质点的传播•行波第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.1声音声源空气中的声波第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.1声音声源空气中的声波§波阵面•声波在同一时刻到达的各点的包络线为波阵面•声线•不同声源产生的波阵面不同•点声源、线声源和面声源§声源的方向性•声源向各个方向辐射声波的能力•极坐标图•声源的方向性与声源本身的形状以及声波的频率有关第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§声波的频率•周期：一个完全振动所经历的时间(S)•频率：单位时间内完成完全振动的次数(Hz)•频率决定声音的音调•音频、次声、超声§声波的波长与传播速度•波长：声波在一个振动周期里传播的距离•声速：声波在弹性介质中传播的速度•声速与声源的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§声波的波长与传播速度第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§音乐（乐音）•纯音•基音和谐音、基频和谐频•线状谱§频谱•声音往往包含多个频率，所有频率的集合成为频谱•线状谱：由一些离散的频率成分形成的谱•连续谱：在一定频率范围内频率成分连续的谱第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§频谱的划分•对声音整个频率范围分段•倍频带和1/3倍频带•下限频率fl、上限频率fH和中心频率fC§噪声•频率结构成分更为复杂的声音，一般为连续谱•可以根据频率的主要成分加以辨认，咝咝的、轰轰的、隆隆的、刺耳的第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量•每个倍频带分为3个1/3倍频带，把1/3倍频带中心频率乘1.26就得到相邻较高1/3倍频带中心频率•用1.26除就得到相邻较低的1/3倍频带中心频率第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§声功率、声强以及声压•声功率W，[W，μW]•声强I，[W/m2]•声压P，[N/m2]第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量§级和分贝（dB）•人耳听闻下限：声强10-12W/m2；声压2×10-5N/m2•人耳疼痛感上限：声强1W/m2；声压20N/m2•人耳对声音大小的感觉近似于声强或声压的对数成正比•声功率级LW•声强级LI•声压级LP第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.2声音的物理性质与计量•人耳听闻的范围：0dB～120dB•声压每增加1倍，声压级增加6dB•长时间暴露于80dB以上的噪声环境，会导致暂时或永久的听力损失§声音的叠加•声音的叠加是能量的直接相加•声压不能直接相加•声压级、声强级也不能直接相加•0+0=？•多个声音的叠加■3.1.2声音的物理性质与计量第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受§声音的叠加•多个声音的叠加■3.1.2声音的物理性质与计量第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受§声音的叠加•多个声音的叠加■3.1.2声音的物理性质与计量第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受§点源声音随距离的衰减•球面声波的向外扩展•传播距离加倍，声压级降低6dB■3.1.3声音在户外的传播第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受§线源声音随距离的衰减•无限长线声源：传播距离加倍，声压级降低3dB•有限长线声源：传播距离加倍，声压级降低3～6dB§面源声音随距离的衰减•近处：声能没有衰减•远处：传播距离加倍，声压级降低3～6dB第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声波的反射•平面反射•曲面反射凸面反射、凹面反射•平面反射•反射的声波呈球状分布•它们的曲率中心是声源的“像”，即与平方反比定律一致•反射声强度取决于它们与“像”的距离以及反射表面对声音的吸收程度第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射曲面反射•凸曲面的波阵面比来自平面的波阵面大得多，而来自凹曲面的波阵面则小得多，并且缩小了•与平的反射面相比，凸曲面反射声的强度较弱，凹曲面反射声的强度较强第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声波的折射•介质的温度、密度等条件发生变化后，会产生声传播的弯曲现象•温度的影响：◎白天，地面附近的空气温度高，声波向上弯曲◎夜间，地面附近的空气温度低，声波向下弯曲•风的影响◎顺风时声波向下弯曲；逆风时向上弯曲第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声波的衍射（绕射）•声影区的声音——衍射声•边缘绕射的程度◎障板尺度◎声波的频率第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声扩散•声波的不定向反射•扩散的产生◎反射板的尺寸◎声波的频率•声扩散的作用第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声吸收•空气的声吸收声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间摩擦使一小部分声能转化为热能。这种能量损失随声波的频率而不同•材料的声吸收声波投射到建筑材料或部件引起的声吸收，取决于材料及其表面的状况、构造等第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声吸收•材料的吸收系数α材料的吸收系数是指被吸收的声能（或没有被表面反射的部分）与入射声能之比，用α表示。如果声音被全部吸收，α=1；部分被吸收，α1§声透射τ•声波入射到建筑材料或建筑部件时，除了被反射、吸收的能量外，还有一部分声能透过建筑部件传播到另一侧空间去第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.4声波的反射折射衍射扩散吸收和透射§声透射•入射声能经部件透射的部分用透射系数τ表示，由部件反射的部分用反射系数ρ表示•建筑材料或部件的面密度（即单位面积重量）是影响反射、吸收和透射最重要的因素第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§室内声波的传播及反射•室内声波的传播特点反射、扩散、衍射和吸收•声线与几何声学•声音的增长、稳态和衰减第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§驻波与房间共振•驻波的产生当声波在传播方向遇到垂直的刚性反射面时，用声压表示的入射波在反射时没有振幅和相位的改变，入射波和反射波的相互干涉，形成了驻波•波腹•波节第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§驻波与房间共振•简正振动轴向共振切向共振和斜向共振•简并现象第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§混响与回声•混响（Reverberation)声源停止发声后，声音由于多次反射或散射延续的现象；或者说声源停止发生后，由于多次反射或散射而延续的声音•回声人们的听觉系统把连续的反射声整合在一起的能力有限，大小和时差都大到足以能和直达声区别开的反射声第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§混响与回声•混响时间（ReverberationTime)声源停止发声后，室内稳态声能密度自原始值衰减到百万分之一所需时间（稳态声压级衰减60dB所经历的时间）赛宾公式限用于平均吸声系数小于0.2的房间。如果房间表面都是很好的反射面，依式计算的混响时间是无限长第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播混响时间混响时间的计算第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播混响时间混响时间的意义及影响因素◎反映了声波在房间衰减的快慢程度◎大致反映了直达声与反射声的比例混响时间越长，反射声比例越大，房间清晰度越差混响时间越短，反射声比例越小，房间清晰度越好◎影响因素：房间容积V和吸声量A混响时间的计算误差◎吸声量的布置位置◎房间形状◎选用的数据第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.5声音在围蔽空间内的传播§室内稳态声压级的计算•直达声与混响声•计算公式•声源及声源位置的影响指向性因数Q第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§人耳的听闻范围•听觉过程：外耳——中耳——内耳——大脑•人耳对不同频率的声音的敏感程度不一样对中、高频敏感；对低频不敏感•听闻范围§响度级与等响曲线•描述人耳对声音感觉的另一个量，单位：方(phon)任何声音的响度级在数值上与该声音同样响的1kHz纯音的声压级相同•描述不同频率声音等响时，频率与声压级相互关系的曲线称为等响曲线第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§响度•人耳所感觉的声音的大小称为响度相同声压级，不同频率的声音，响度不同相同频率，不同声压级的声音，响度不同等响•人响度的单位为宋（sone）频率1KHz,声强级40dB的纯音的响度为1宋•声压级增加10dB，响度增加1倍第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§声级计与A声级•根据等响曲线，通过计权网络模拟人耳对不同声音的响应•A、B、C、D声级•根据A计权参考40方等响线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，模拟人耳对低频声不敏感的特性•C计权在整个可听范围内几乎不衰减，模拟人耳对85方以上纯音的响应，可以代表总声压级•B计权介于A、C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•D计权则用于测量航空噪声第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§时差效应：哈斯效应HaasEffect•时差•简单的试验可以说明时差效应：如果站在离高大照壁25m远处大喊一声，就能清楚地听到回声，因为反射声经过50m的行程，比直达声迟到147ms。如果站到离照壁仅为3m远处此时反射声经过的行程只有6m，相当于延时18ms，此时听不出回声第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§掩蔽效应•声掩蔽•掩蔽量•特点一个既定频率的声音容易受到相同频率声音的掩蔽，声压级愈高，掩蔽量愈大；低频声能够有效地掩蔽高频声，但高频声对低频声的掩蔽作用不大第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.6人对声音的感觉§双耳听闻效应（听觉定位）•人耳确定声音远近的准确度较差：确定声音方位非常准确•方位的确定主要依：强度差：1400Hz的高频声时间差：1400Hz的中、低频声•方位感的判别水平方向比竖直方向好第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.7噪声对人的影响§环境噪声和干扰噪声•环境噪声是人们所处环境的总噪声，通常是由多个不同位置的声源产生交通噪声；工业噪声；建筑施工；社会生活•干扰噪声是指除了需要听闻的声源外，由室外传入的引起干扰的噪声，或是由建筑围护结构传递的来自建筑物相邻空间和其他部分引起干扰的噪声第3.1章声音的物理性质及人对声音的感受■3.1.7噪声对人的影响§决定噪声对人干扰