第一章第二节建筑声学基础.docx
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第一章第二节建筑声学基础
第2节：
建筑声学基础
有关建筑声学的记载最早见于公元前一世纪罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》，书中记述了古希腊剧场中的音响调节方法，如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。
19世纪末，欧洲经典声学发展到最高峰（这一时期维也纳金色大厅开始修建，并于1867年开工1869年竣工）。
20世纪初，建筑声学的创始人美国学者赛宾提出了著名的混响理论，建筑声学内容逐渐充实，礼堂、剧院等的声学设计有规律可循。
与此同时，欧洲也造就了很多专家，使声学其它方面也有所发展。
建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。
它主要研究室内音质和建筑环境的噪声控制。
建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。
室内声学的研究方法有几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法。
当室内几何尺寸比声波波长大得多时，可用几何声学方法研究早期反射声分布以加强直达声，提高声场的均匀性，避免音质缺陷；统计声学方法是从能量的角度，研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程（即混响过程），并给混响时间以确切的定义，使主观评价标准和声学客观测量结合起来，为室内声学设计提供科学依据；当室内几何尺寸与声波波长可比时，易出现共振现象，可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件，以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。
一、室内声音情况（理论分析）
1、站在时间的角度上：
室内声音组成（直达声和早期反射声与混响声的时间关系）
在房间中存在三种声。
自然声源直接到达接受点的声音叫直达声（DirectSound），它是声音的最主要信息；相对直达声延迟在50ms内的短延时的一次、二次以及少数三次等反射声叫做早期反射声，由于这部分声音与直达声间隔太短，人耳难以将其与直达声分开，故对直达声有加强作用，影响声音的宏亮感与空间感；比直达声晚50ms以上，不包含声音信息，但能使声场均匀、音质丰满的多次反射声称为混响声。
三者的一般关系如图所示:
◆2-1同一听音位置直达声、早期反射声、混响声时间关系图
、室内声场的增长、稳定和衰减与声场混响时间及其计算（塞宾公式、爱林公式、菲兹罗依公式）
如果在室内打开一个声源，等声场达到一个稳定的状态后，立即关掉声源，会看到室内接收点声音没有马上消失，而是有一个逐渐衰减的过程。
某一个频率的声音在某一房间内达到最大值以后衰减60dB所需要的时间，称为此房间此频率的混响时间。
一般计算至少4个频点（125Hz，500Hz，1kHz，4kHz）的频率的混响时间取平均值定位该房间的混响时间。
混响时间按照房间用途有相应的标准。
◆2-2室内声场增长、稳定和衰减图
*同一声源在不同的空间，听着听到的声音不同。
*电音真实声音制作的和拟音。
建筑声学的著名学者赛宾（Sabine）、爱林（Eyring）、菲兹罗依（Fitztoy）都提出了混响时间的计算公式：
S=房间表面积（单位：
平方米）V=房间总容积（单位：
立方米）
α=房间表面的平均吸声系数百分率
赛宾公式
RT60=0.16V/Sα适用于α<0.2时
爱林公式
RT60=0.16V/〔-Sln（1-α）〕适用于α>0.2时
菲兹罗依公式
（Fitztoy）
RT60=0.16V/S｛2XY/〔-ln（1-αXY）〕+2XZ/〔-ln（1-αXZ）〕+2YZ/〔-ln（1-αYZ）〕｝
X,Y,Z为房间尺寸；适用于室内吸声不均的矩型房间
混响时间的计算较为复杂，一般计算至少4个频点（125Hz，500Hz，1kHz，4kHz）的平均吸声系数：
α=（S1α1+S2α2+…+Snαn）/（S1+S2+…+Sn）
例如，某房间长宽高分别为20、12、7m，材料的吸声系数如下表所示，计算500Hz的混响时间。
材质
α（500Hz时）
尺寸
面积：
平方米
Sα
地毯（地面）
0.6
20*12
240
144
胶合板（天花板）
0.2
20*12
240
48
石膏板（侧墙）
0.04
20*7
140
5.6
石膏板（侧墙）
0.04
20*7
140
5.6
砖墙（前墙面）
0.5
12*7
84
42
垂帘（后墙面）
0.55
12*7
84
46.2
合计
928
291.4
α=（S1α1+S2α2+S3α3+S4α4+S5α5+S6α6）/（S1+S2+S3+S4+S5+S6）
=291.4/928=0.31
用爱林公式计算：
RT60=0.16V/〔-Sln（1-α）〕
=（0.16*1680）/〔-928*ln（1-0.31）〕=0.78s
按照菲兹罗依公式计算：
RT60=0.16V/S｛2XY/〔-ln（1-αXY）〕+2XZ/〔-ln（1-αXZ）〕+2YZ/〔-ln（1-αYZ）〕｝
=269/861184〔480/0.51+168/0.73+280/0.04=2.4s
思考：
为何计算差异这么大？
那个数据更可靠一些？
3、站在空间距离的角度上：
听到的声音有哪些？
（直达声和早期反射声与混响声的距离关系）
（室内声音的清晰度、丰满度与听音者的距离关系）
◆2-3不同听音位置直达声+早期反射声、混响声与距离关系
（图示直达声+早期反射声曲线即清晰度曲线，混响声曲线即丰满度曲线）
上面所示图中C点，直达声能密度等于混响声能密度，此处距离声源距离为R，此距离称为混响半径或者临界距离。
它的计算公式为：
R=（RoQ/16π）1/2=0.14（RoQ）1/2
Q为声源或者音箱的指向性因子，Q=180o/sin-1〔（sin（ω/2）sin（θ/2）〕,ω、θ分别为声源或者音箱水平和垂直覆盖角，其他情况考虑音源位置，当音源位于舞台上或房间中间时Q=1；在地面或者一面墙上时Q=2；在两墙的交线处时Q=4；在三面的交线处时Q=8。
Ro为房间的吸声常数，RC=Sα/1-α,单位为M2据图我们有如下结论：
①当直达声的作用大于混响声，即听音点的距离小于混响半径时，声场以直达声场为主，容易得到非常高的声音清晰度；吸声处理效果不大
②当直达声的作用小于混响声，即听音点的距离大于混响半径时，声音的混响感逐渐提高；声场以混响声场为主，此时做吸声处理降低混响声能才有效果。
*剧场、电影院、音乐厅票价的制定（考虑视角与声音，最贵的与舞台成60度角区域）
北京天地剧场座位图
4、室内声音的大小：
室内声压级计算（测量绘制图表法、公式计算法）
Lp=Lw+10lg（Q/4πr2+4/Ro）
其中声源声功率级Lw=10Lg（P/10-12）=10lgP+120，P为声源声功率
房间常数Ro=Sα/（1-α），S为房间总表面积，α为房间表面的平均吸声系数
指向性因数Q=180o/sin-1〔（sin（ω/2）sin（θ/2）〕,ω、θ分别为音箱水平和垂直覆盖角，其他情况考虑音源位置，当音源位于舞台上或房间中间时Q=1；在地面或者一面墙上时Q=2；在两墙的交线处时Q=4；在三面的交线处时Q=8。
二、室内常见声学问题（理论分析）
1、噪声与干扰治理
通风、照明、温度控制设计。
声波的吸收、投射和反射现象：
声波入射到诸如墙壁等物体时，声能一部分被反射，一部分被吸收或者热损耗，还有一部分头过墙壁继续向空间传播。
设单位时间传播到物体表面的初始声能或者总声能为Eo，反射、吸收损耗、透射声能分别为Er、Ea、Et，距能量守定律，四者之间的关系为：
注意，一般高频声音吸收投射的比较多
Eo=Er+Ea+Et
据此，可以定义任意材料的吸声系数：
α=（Ea+Et）/Eo
◆图片1-7声波的透射与吸收
2、房间的结构与“声染色”——共振及其对策
在建声设计不良的房间里，当声源发声时会激起房间的某些固有频率（或称共振频率、简正频率）的声音，即出现了共振现象，出现这种情况时。
声源的某些频率被加强。
房间的结构与产生的共振有如下关系：
fn=（c/2）〔（nx/Lx）2+（ny/Ly）2+（nz/Lz）2〕1/2
式中Lx、Ly、Lz为矩形房间的长、宽、高尺寸，
nx、ny、nz为0到正无穷大的任意整数，但不能全为零。
每一组值即为一频率。
为解决这个问题一般采取如下措施：
①声学测量时，不使用纯音而使用复合音，因为纯音明显形成驻波严重影响测量结果。
②房间的长、宽、高不能相同或者呈简单倍数关系，使其长、宽、高之比成无理数，从而不易形成简并现象。
③房间容积应尽量大一些（最好大于>200m2），使较宽的共振频率得到均匀的激发，减少对音质的影响。
3、房间的结构与“声染色”——梳状滤波效应及其对策，
◆2-5梳状滤波效应
4、房间的结构与“声染色”——声聚焦等其他声学缺陷的治理
三、室内声音的扩散与吸收
1、声扩散与声扩散体：
目的充分利用自然声能，均匀扩散声音使声场均匀，声能有效利用节省电功率且音质良好（实际操作）
改善建筑声学特性除过吸声处理外，经常采用扩散声音的办法，即在墙面或声波反射的地方设置扩散面/体，使声波产生漫反射并分散室内共振频率。
或者设计特殊形状的反射面，把声音反射到特定空间。
目前常用的有扩散体有尖劈形、帆形,商用化的还有最长序列散射体（MLS）、平方余数散射体（QRD）、原根数列散射体（PRS）、相位衍射栅（RPG）。
◆尖劈扩散板
◆帆形扩散板
◆最长序列散射体（MLS）
◆声扩散的实际应用
◆声扩散的实际应用
2、吸声材料与吸声结构：
目的使噪声和干扰小音质良好（实际操作）
改善建筑声学特性除过采用扩散声音的办法外，经常采用吸声处理，
、多孔吸声材料与效果
多空吸声材料主要包括纤维材料（玻璃棉、矿棉及棉、毛、麻制品）和颗粒材料（膨胀珍珠岩、微孔砖板）。
吸声机理不是因为表面粗糙，而是因为有大量内外连通的微小空隙气泡，对声能产生较大阻尼。
一般对对中高频率有良好吸声效果。
、腔体共振吸声结构与效果
腔体共振吸声结构是由金属板、薄木板、石膏板等穿以一定密度的小孔后固定在龙骨上，背后留有空气层而构成共振吸声系统，可以等效为许许多多亥姆霍兹共振器，在共振频率附近有最大吸声系数，共振频率为：
f=c/2π〔p/（α+0.8D）〕1/2
c为声速，p为穿孔率（穿孔面积与总面积比），α为平均吸声系数，D为吸声板的空间厚度，d为穿孔直径
组合吸声材料
将多种吸声材料或多种吸声材料组合，提高吸声效果。
、特殊吸声结构与效果
一般使用特殊材料，经过尽心设计而成，吸声频率比较平直。
各种吸声材料与结构吸声特性见下图：
◆2-4各种吸声材料与结构吸声特性图
前四种吸声材料和结构比较常见，后一种需要特殊设计，比如西安宾馆就利用了这个结构。
***建筑声学小故事
1、学术会堂建设
①测试高度1.1—1.2
②测试点
③测试报告及参数要求
2、故宫太和殿
北京故宫的太和殿俗称“金銮殿”，位于北京紫禁城南北主轴线的显要位置，明永乐十八年（1420年）建成，称奉天殿。
明嘉靖四十一年（1562年）改称皇极殿。
清顺治二年（1645年）改今名。
自建成后屡遭焚毁，又多次重建，今天所见为清代康熙三十四年（1695年）重建后的形制。
太和殿是中国现存最大的木结构大殿。
太和殿匾额“建极绥猷”匾，为乾隆皇帝御笔。
（建：
建立、创设。
极：
从木,亟声。
本义:
房屋的正梁。
最高的地位。
特指君位。
建用皇极。
——《书·洪范》绥：
从糸（mì）,从妥,车中把也。
——《说文》。
安抚。
惠此中国,以绥四方。
——《诗·大雅·民劳》猷：
计划;谋划，道;法则，功业;功绩。
建极绥猷的含义：
君临天下，建立雄伟强大的国家，安抚海内的藩属，创万世之功业。
）
太和殿面阔十一间,进深五间，建筑面积2377.00㎡，高26.92m，连同台基通高35.05m，为紫禁城内规模最大的殿宇。
其上为重檐庑殿顶，屋脊两端安有高3.40m、重约4300kɡ的大吻。
檐角安放10个走兽，数量之多为现存古建筑中所仅见。
太和殿共有七十二根大柱支撑其全部重量，其中顶梁大柱最粗最高，直径为一米零六，高为十二米七零。
明代用的是楠木，采自川、广、云、贵等地；清代重建后，用的是松木，采自东北三省的深山之中。
太和殿前有宽阔的平台，称为丹陛，俗称月台。
月台上陈设日晷、嘉量各一，铜龟、铜鹤各一对，铜鼎18座。
龟、鹤为长寿的象征。
日晷是古代的计时器，嘉量是古代的标准量器，二者都是皇权的象征。
殿下为高8.13m的三层汉白玉石雕基座，周围环以栏杆。
栏杆下安有排水用的石雕龙头，每逢雨季，可呈现千龙吐水的奇观。
3、波恩议会大厦事件
1992年12月,波恩联邦议会大厅刚落成,在举行第一次会议时,扩声系统突然中断.当时正在进行全国电视实况转播,662位议员忿然退出会场,只好回到老会议厅去开会.这项耗资巨大（2.7亿马克）的新会议大厦工程为此震动了德国工程界.由于这座四周用玻璃建造起来的圆形大厅,存在严重的声聚焦现象,不仅造成声场不均匀,而且增加了扩声系统的声反馈.经过分析发现大厅和内休息廊之间的圆弧形玻璃墙,将声音反射回来,集中到大厅中央,而这些地方正是设置讲台、话筒和扬声器的地方。
建筑师设计圆形玻璃大厅的构思是可以从各个方向透视联邦会议的会议情况，充分体现议会的透明性。
应联邦政府建设部的要求，为解决议会大厅声聚焦问题，采用现有吸声材料的各种可能方案因不能满足建筑师的设计意图而被否决。
这个难题最后被中国访问学者查雪琴教授等人解决了。
她在德国的斯图加特费朗霍夫建筑物理研究所，根据我国著名声学专家中科院院士马大猷教授在20世纪70年代提出的微穿孔吸声理论，在5mm厚的有机玻璃上，用激光钻孔，打出了孔径为0.8mm、孔距为6mm（每平方米有30000个孔）的透明的微穿孔板，具有很好的吸声效果。
将面积约1.2万平方米的透明微穿孔吸声倾斜地安装在会议大厅的各个门上，与原玻璃门的间距为20~70mm。
在其他的玻璃墙上，安装了未穿孔的有机玻璃反射板，从而消除了声反射产生的聚焦问题，也使整个圆柱形的玻璃外廊因此而显得更加活泼。
所以说我国的声学研究在国际上是有一定的影响力的，在完全没有电声设备的情况下，我们的祖先就能把音乐厅、大剧院等厅堂类建筑的音质设计得非常好，例如在国际上著名的奥地利维也纳音乐厅。
可以说，先有建声设计后有电声设计。
电声设备出现之后，很多设计师和用户过分依赖电声设备，以为他们可以解决所以声学问题，其实有些声缺陷只有靠建声设计才能够解决。
建声和电声在时间上有先后之分，只有建声设计和声学装饰搞好了，电声设备才如鱼得水，发挥出最佳效果。
4、西安宾馆声学问题
问题：
1、声学场所一般要解决建声和电声两大类问题，有没有先后顺序？
2、为了达到好的音质，以扩散为主还是吸收为主？
扩散和吸收要不要结合?
多种吸声材料和结构要不要混用？
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