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建筑声学基本知识

建筑声学

第二章声环境设计的基本知识

2.1声音的基本性质

声音产生于振动;如人的讲话有声带振动引起，扬声器发声是由扬声器膜片的振动产生的。

振动的物体是声源。

声源在空气中振动时，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播开来，当传到人耳时，引起耳膜产生振动，最后通过听觉神经产生声音感觉。

“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播。

2.1.1声音的产生和传播

在空气中，声源的振动引起空气质点间压力的变化，密集（正压）稀疏（负压）交替变化传播开去，形成波动即声波。

（如图）

2.1.2频率、波长与声速

•描述声音的基本物理量

•f：

频率，每秒钟振动的次数，单位Hz（赫兹）

l：

波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。

单位没m（米）

声波完成一次振动所走的距离。

C：

声速，声波在某一介质中传播的速度。

单位m/s。

在空气中声速：

在0℃时，C钢=5000m/s,C水=1450m/s

在15C时，C空气=340m/s

参数间存在如下关系：

c=f*l或l=c/f

人耳可听频率范围为20Hz~20KHz,<20Hz为次声，>20KHz为超声

其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm

2.1.3声波的绕射、反射和散射

波阵面：

声波从声源发出，在某一介质内按一定方向传播，在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。

球面波：

波阵面为球面的点声源发出的波，声线与波阵面垂直。

如人、乐器。

平面波：

波阵面为平面的波，声源互相平行，如线声源，多个点声源叠排。

如马路上并排行驶的汽车。

平面波的声能在传播过程中不聚集、不离散，声强不变

点声源发出的球面波，距离每增加一倍，声压级衰减6dB。

声波的绕射

声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。

绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。

与原来的波形无关。

能绕到障碍物的背后改变原来的传播方向继续传播。

如古语“只闻其声不见其人”“隔墙有耳”

声波的反射

当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。

类似于光在镜子上的反射。

反射的规则：

1）入射线、反射线法线在同一侧。

2）入射线和反射线分别在法线两侧。

3）入射角等于反射角。

Li=Lb

散射

当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成散射。

2.1.4声波的透射与吸收

•声波具有能量，简称声能。

•当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。

透射系数：

反射系数：

吸声系数：

不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。

在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。

在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。

2.2声音强弱的计量

•声波是能量的一种传播形式。

人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。

•2.1.1声功率、声强、声压

1、声功率：

单位时间内物体向外辐射的能量W。

（瓦或微瓦）

声功率是声源本身的一种重要属性。

人正常讲话——50mW,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。

训练有素的歌手——5000~10000mW。

汽车喇叭——0.1W,喷气飞机——10KW。

在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。

2、声强：

单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。

对于点声源有：

3、声压：

指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化（改变量）。

符号P。

单位N/m2（牛顿/米2），或Pa（帕斯卡）

•声压和声强有密切的关系，在自由声场中，测得声压和已知测点到声源的距离，就可计算出该测点之声强和声源的声功率。

2.2.2声压级、声功率级及其叠加

由于以下两个原因，实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）1）声压对人耳感觉的变化非常大（人耳能感受到声压范围较宽）1000Hz的声音，听觉下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。

2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。

1、声压级Lp

取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：

听觉下限：

p=2*10-5N/m2为0dB

能量提高100倍的P=2*10-3N/m2为20dB

听觉上限：

P=20N/m2为120dB

2、声功率级Lw

取Wo为10-12W,基准声功率级

任一声功率W的声功率级Lw为：

3、声强级：

3、声压级的叠加

10dB+10dB=?

0dB+0dB=?

0dB+10dB=?

答案分别是：

13dB,3dB,10dB.

几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。

因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。

即：

声压级为：

声压级的叠加

•两个数值相等的声压级叠加后，总声压级只比原来增加3dB，而不是增加一倍。

这个结论对于声强级和声功率级同样适用。

•此外，两个声压级分别为不同的值时，其总的声压级为

两个声强级获声功率级的叠加公式与上式相同

2.3声音的频谱与声源的指向性

2.3.1声音的频谱

傅立叶理论及现代信号处理技术证明：

理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。

表征声音的物理量：

除声压级与频率外，还有各个频率的声压级的综合量，即声音的频谱。

频谱通常以频率为横坐标，声压级为纵坐标的频谱图表示

频谱——表示某种声音频率成分及其声压级组成情况的图形

复合声不仅需要知道总声级的大小，而且要分析频率的组成成分。

在噪声控制中，要了解噪声的那些频率是比较突出的，先降低或消除这些高频率

分立谱：

如弦振动产生的声音。

（线状谱如小提琴，一个单一频率的简谐声信号---纯音

连续谱：

谈话、机器设备发出的噪声，大多的自然声。

在通常的声学测量中，不是逐个测量声音的频率，而是将声音的频率范围划分成若干个区段，成为“频带”。

每一个频带有一个下界频率f1和上界频率f2,而△f=f2-f1成为“带宽”。

f1和f2的几何平均称为频带中心频率

在建筑声学中，频带划分的方式通常不是在线性标度的频率轴上等距离的划分频带，而是以各频率的频程数n都相等来划分。

如何获得声音的频谱：

使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。

频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band）可宽可窄，是人为取定的。

最常用的有倍频带和1/3倍频带。

在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。

倍频程：

通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：

1631.5631255001K2K4K8K16K

1/3倍频程：

将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：

12.516202531.540506380100125160

2.3.2声源的指向性

•声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。

•声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。

•声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。

声源尺寸比波长大的越多，指向性就越强。

人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。

•频率越高，指向性越强；指向性越强，则直达声声能越集中于声源轴线附近。

2.4人耳的主观听觉特性

2.4.1听觉范围

最高最低频率可听极限

一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。

•最小最大可听极限

人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。

下限频率与频率有关。

•最小可辩阈（差阈）

声压级变化的察觉：

一般是1dB

3dB以上有明显感觉

频率变化的察觉：

一般是3%，低频时3Hz。

2.4.2听觉定位

•人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。

•人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。

（有声源发出的声波到达两耳可以产生时间差和强度差）

•

•人耳的水平方向感要强于竖直方向感。

•

•通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。

这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。

2.4.3哈斯（Hass）效应

•人耳有声觉暂留现象（就像人眼视觉暂留：

20ms以内连续），人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。

•如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。

•直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。

直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”——哈斯效应。

•

•根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。

因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。

•

2.4.4掩蔽效应

•人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。

•一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。

•低频声对高频声的掩蔽作用大。

2.4.5人耳频率响应与等响曲线

•人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。

•

•不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。

•

•以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。

•

•响度单位是“方”。

•

•随着声压级的提高，人耳对频率的相对敏感度也不同

声压级高，相对变化感觉小；

声压级低，相对变化感觉大。

40方等响

2031.5631252505001K2K4k8k

87dB75dB58dB45dB43dB42dB40dB36dB32dB48dB

声级

•线性声级（L声级）

将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。

2031.5631252505001k2k4k8k16k20kL生级

30db35db40db45db50db51db52db52db52db40db38db30db58.8db

对于复合声，不能使用纯音等响曲线，其响度级需通过计算求得。

目前在测量声音响度级与声压级时所使用的仪器称为“声级计”。

在声级计中设有A、B、C三个计权网络，这三个计权网络大致是参考几条等响曲线而设计的。

他们与相应的曲线是倒置关系：

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，以模仿人耳对低频不敏感的特性。

C计权网络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，以模仿人耳对85方以上的听觉响应，可代表总声压级。

A、B、C、D计权网络

A:

模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。

B:

以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。

C:

以85方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。

D:

主要用于航空噪声测量。

第三章室内声学原理

3.1声音在室外与室内的传播

3.1.1声波在室外空旷地带的传播规律

随与声源距离的增加，声能发生衰减。

对于点声源，有：

R（r）:

测点与声源之间的距离。

距离增加一倍，声压级减少6dB。

声波在室外空旷地带的传播规律

对于存在地面反射的情况，有：

L:

声源的声功率

3.1.2声波在室内封闭空间的传播

与室外情况很不同。

室内形成“复杂声场”。

1、距声源同样的距离，室内比室外响些。

2、室内声源停止发声后，声音不会马上消失，会有一个交混回响的过程，一般时间较短。

夸张：

“绕梁三日，不绝于耳”

3、当房间较大，而且表面形状变化复杂，会形成回声和声场分布不均，有时出现声聚焦、驻波等。

以上现象源于：

封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。

3.1.3建筑声学

在室内声学中，可以用几何声学、统计声学和波动声学的理论加以分析。

但对于建筑师来讲，可以少些关心复杂的理论分析和数学推导，重要的是在于弄清楚一些声学基本原理，掌握一些必要的解决实际问题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义。

3.2声波在室内的反射与几何声学

3.2.1反射界面的平均吸声系数

（1）吸声系数：

用以表征材料和结构吸声能力的基本参量通常采用吸声系数，以α表示，定义式：

混响室界面全反射，声能在声音停止后，无限时间存在。

普通厅堂房间等界面部分反射，声能在声音停止后，经过多次反射吸收，能量逐渐下降。

消声室界面全吸收，声能在声音停止后，完全没有任何反射吸收，在接触界面后，声能立即消失。

材料和结构的吸声特性和声波入射角度有关。

声波垂直入射到材料和结构表面的吸声系数，成为“垂直入射（正入射）吸声系数”。

这种入射条件可在驻波管中实现。

其吸声系数的大小可通过驻波管法来测定。

当声波斜向入射时，入射角度为θ，这是的吸声系数称为斜入射吸声系数，。

建筑声环境中，出现垂直入射和斜入射的情况较少，而普遍情况是声波从各个方向同时入射到材料和结构表面，如果入射声波在半空间中均匀分布，，则称这种入射情况为“无规则入射”或“扩散入射”。

这时材料和结构的吸声系数称为“无规则吸声系数”获“扩散吸声系数”，这种入射条件是一种理想的假设条件，在混响室内可以较好的接近这种条件，通常也是在混响室内测定“扩散吸声系数”

某一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。

工程上通常采用125，250，500，1000，2000，4000Hz六个频率的吸声系数来表示某一种材料和结构的吸声频率特性。

有时也把250，500，1000，2000Hz四个频率吸声系数的算术平均值（取为0.05的整数倍）称为“降噪系数”（NRC），用在吸声降噪时粗略的比较和选择吸声材料。

2）吸声量：

用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的量，它和构件的尺寸大小有关，对于建筑空间的围蔽结构，吸声量A是：

如一个房间由n面墙（包括顶棚和地面）：

对于在声场中的人（如观众）和物（如座椅）、或空间吸声体，其面积很难确定，表征它们的吸声特性，有时不用吸声系数，而直接用单个人或物的吸声量。

当房间中有若干个人或物时，他（它）们的吸声量是用数量乘个体吸声量，然后再把结构纳入房间总的吸声量中。

房间的平均吸声系数：

房间的总吸声量和房间界面面积的比值：

3.2.2声音在房间内的反射

听众接收到的不仅有直达声，而且有陆续到达的来自顶棚、地面、墙面的反射声反射声遵循反射规则。

3.2.3室内声音反射的几种情况

室内声学中，常利用几何作图的方法，主要研究一次或二次反射声分布情况。

下图是房间内可能出现的四种声音反射的典型例子。

在室内各接收点上，直达声及反射声的分布，即反射声在空间的分布与时间上的分布，对音质有着极大的影响。

室内声音反射的几种典型情况

A、B-平面反射；C-凸曲面的发散作用；D-凹曲面的聚焦作用

使用几何声学方法时应注意两个条件：

1）只考虑能量关系。

（忽略声音的波动性，以几何的方法分析声音能量的传播、反射、扩散。

声音传播方向和路径------声线）

2）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸应比声音的波长大得多。

3.2.4室内声音的增长、稳态和衰减

从能量的角度，当声源在某一封闭空间开始辐射声能时，声波即同时在空间内传播。

我们考虑在室内声源开始发声、持续发生、停止等情况下声音形成和消失的过程。

在大多数情况下，大约经过1~2秒，声能密度即接近最大值（稳态）。

室内总吸声量大，衰减就越快；室内容积越大，衰减越慢。

增长：

室内声能增长

稳态：

在单位时间内被内表面吸收的声能与声源供给的能量相等，室内声能密度不再增加，而处于稳态状态。

衰减：

当声音达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接受点的声音并不会马上消失，有一个过程。

首先直达声消失，反射声将继续下去，每反射一次，声能被吸收一部分，室内声能密度逐渐减弱，直到完全消失。

这一过程即为混响过程。

混响过程（衰减过程）的长短用混响时间来表示。

3.3混响时间ReverberationTime（RT）

混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。

混响，是指声源停止发声后，在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音的“残留”现象。

这种残留现象的长短以混响时间来表示。

3.3.1什么是混响时间？

衰减过程即为混响时间，室内总吸声量越大，衰减越快，室容积越大，衰减越慢。

室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。

衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。

实际的混响衰减曲线。

由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线，因此有时取T30或T20代替T60。

3.3.2赛宾（Sabine）公式

赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。

3.3.3伊林（Eyring）公式

在室内总吸声量较小（吸声系数小于0.2）、混响时间较长的情况下，有赛宾的混响时间计算公式求出的数值与实际测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值与实测值不符。

在室内表面的平均吸声系数较大（大于0.2）时，只能用伊林公式计算室内的混响时间。

利用伊林公式计算混响时间时，在吸声量的计算上也应考虑两部分

（1）室内表面的吸声量

（2）观众厅内观众和座椅的吸声量（有两种计算方法：

一种是观众或座椅的个数乘其单个吸声量；二种是按观众或座椅所占的面积乘以单位面积的相应吸声量。

3.3.3伊林（Eyring）公式（伊林-努特生公式）

赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用，对于频率较高的声音（一般为2000Hz以上），当房间较大时，在传播过程中，空气也将产生很大的吸收。

这种吸收主要决定于空气的相对湿度，其次是温度的影响。

在计算混响时间时，考虑空气的吸收：

4m:

空气吸收系数，空气吸收=4mV当频率取>=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关，通常取相对湿度60%,温度20℃时,其值见下表：

计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率，求出各个频带的混响时间

空气吸收系数4M值（室内温度20度）

频率（Hz）室内相对湿度

30%40%50%60%

2000

4000

63000.012

0.038

0.0840.010

0.029

0.0620.010

0.024

0.0500.009

0.022

0.043

3.3.4混响时间计算的不确定性

室内条件与原公式假设条件（一、声场是一个完整的空间；二、声场是完全扩散的）并不完全一致。

1）室内吸声分布不均匀；

2）室内形状，高宽比例过大，造成声场分布不均匀，扩散不完全计算用材料的吸声系数与实际情况有误差，一般误差在10%——15%

计算RT的意义：

1）“控制性”地指导材料的选择与布置。

2）预测建筑厅堂室内的声学效果

3）分析现有的音质问题

3.4室内声压级计算及混响半径

（一）当室内声源声功率一定时，稳态时，在室内距离为r的某点声压级可以计算，室内稳态声压级的计算公式为：

公式前提：

1）点声源

2）连续发声

3）声场分布均匀

Q---是指向因数，其取值见下表：

（二）混响半径：

根据室内稳态声压级的计算公式，室内的声能密度有两部分组成：

第一部分是直达声，相当于表述的部分；第二部分是扩散声（包括第一次及以后的反射声），即表述的部分。

在离声源较近处直达声大于扩散声

在离声源较远处

混响半径

在直达声的声能密度与扩散声的声能密度相等处，距声源的距离称为“混响半径”，或“临界半径”

3.5房间的共振与共振频率

房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身有共振频率（也称“固有频率”或“简正频率”）。

声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，共振频率的声能密度也就越强。

如噪声能使窗扇上的玻璃产生振动而发出声音，而且声音的音调是一定的。

普遍存在的共振现象还有：

暖瓶倒水、口腔发声等等。

v在一房间中，空气振动的共振频率主要有房间的大小来决定。

驻波

两个平行墙面间的共振

在自由空间中有一面反射性的墙，一定频率的声音入射到此墙面上，产生反射，入射波与反射波在同一直线上相向传播，叠加后产生的“干涉”波。

即在入射波与反射波相位相同的位置上，振幅因相加而增大，在相位相反的位置上，振幅因相减而减小，这就形成了位置固定的波腹与波节。

即驻波。

两个平行墙面间的共振：

当L=n•λ/2时，产生驻波的例子（a）n=1；（b）n=21—入射波；2—反射波；3—驻波

简并现象：

当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为“简并”。

简并出现时，共振频率的声音被大大加强，形成频率特性的失真，低频会产生翁声，或产生“声染色”（coloration）

在矩形房间中的共振

1—轴向共振；2—切向共振；

3—斜向共振

防止简并现象的根本原则是：

使共振频率分布尽可能均匀。

具体措施有：

1）选择合适的房间尺寸、比例和形状；

2）将房间的墙或天花做成不规则形状；

3）将吸声材料不规则地分布在房间的界面上。

第4章吸声材料与吸声结构

吸声材料和吸声结构概述

吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。

对建筑师来说，把材料和结构的声学特性和其他建筑特性如力学性能、耐火性、吸湿性、外观等结合起来综合考虑，是非常重要的。

通常把材料和结构分成吸声的、或隔声的、或反射的，一方面是按材料分别具有较大的吸收、或较小的透射、或较大的反射，另一方面是按照使用时主要考虑的功能是吸声、或隔声、或反射。

但三种材料和结构没有严格的界限和定义。

吸声材料和吸声结构

吸声材料：

材料本身具有吸声特性。

如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。

吸声结构：

材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理，制成某种结构而产生吸声。

如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。

在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。

4.1吸声系数与吸声量

吸声系数定义：

a=（E总-E反）/E总，即声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量（入射）的比例。

a大，吸收的声能大，吸声系数永远小于1。

同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同。

一般常用100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。

•有时使用平均吸声系数或降噪系数粗略衡量材料的吸声能力。

平均吸声系数：

100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值

降噪系数（NRC）：

125Hz/250Hz/500Hz/1000Hz吸声系数的平均

值（尾数四舍五入整理成.5或.0）

吸声量