第一讲 引言及声环境概论conv.docx

1、第一讲 引言及声环境概论conv第一讲 建筑声环境概论一.声环境设计的意义： 声音是人类行为中重要的组成部分。 人们可以听到的声音都属于声环境范畴声环境设计是专门研究如何为建筑使用者创造一个合适的声音环境。 二.建筑声环境研究的内容1.音质设计主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功能厅、电影院等2.隔声隔振主要是有安静要求的房间，如录音室、演播室、旅馆客房、居民住宅卧室等 3.材料的声学性能测试与研究吸声材料：材料的吸声机理、如何测定材料的吸声系数、不同吸声材料的应用等等。如剧场座椅吸声量的测试，天花板吸声性能的设计等。隔声材料：材料的隔声机理，如何提高材料的隔声性能，如何评定材料的隔声性能，

2、材料隔振的机理，不同材料隔振效果等。4.噪声的防止与治理掌握了解噪声的标准、规划阶段如何避免噪声、出现噪声如何解决以及交通噪声治理等。5.其他电声 声学测量的方法声音本身性质的测定、房间声学的测定、材料声学性质的测定。声学实验室的设计研究。三.建筑声学发展简史1. 古希腊、古罗马的露天剧场 埃比道鲁斯剧场 阿波罗圣地剧场露天剧场存在的问题是：1、露天状态下，声能下降很快。2、相当大的声能被观众吸收。3、噪声干扰。解决方法：加声反射罩； 控制演出时周围的噪声干扰。2.中世纪教堂建筑 自从罗马帝国被推翻后，中世纪建造的主要厅堂就是教堂。中世纪的室内声学知识主要来源于经验，科学的成分很少。教堂的声学

3、环境的特点是：音质特别丰满，混响时间很长，可懂度很差。3.十六世纪的剧场 十六世纪后欧洲建了很多剧场，有些剧场的观众容量很大。如意大利维琴察市（维琴察古城于1994年成为联合国教科文组织世界文化遗产。），由帕拉迪奥设计的奥林匹克剧院，建于1579_1584，有3000个座位。又如1618年由亚历迪奥设计的意大利帕尔马市的法内斯剧场，可容纳观众2500人。从掌握的资料来看，虽然这个时代的建筑师几乎没有任何室内声学知识，但这个时代建造的几座剧院和其他厅堂没有发现任何显著的音质缺陷。主要的原因是由于观众的吸声和剧场内华丽的表面装饰起到了扩散作用，使剧场的混响时间控制比较合理，声能分布也比较均匀。 4

4、.17世纪的马蹄形歌剧院 十七世纪，出现了马蹄形歌剧院。这种歌剧院有较大的舞台以及环形包厢或台阶式座位，排列至接近顶棚。这种剧院的特点是利用观众坐席大面积吸收声音，使混响时间比较短，这种声学环境适合于轻松愉快的意大利歌剧演出。 在十七世纪开始有人研究室内声学。十七世纪的阿柯切尔所著的声响,最早介绍了室内声学现象，并论述了早期的声学经验和实践。十九世纪初，德国人E.F.弗里德利科察拉迪所著的声学一书中，致力于解释有关混响的现象。5.19世纪的音乐厅 音乐厅早期发展阶段是在十七世纪中后到十九世纪，包括：早期音乐演奏室、娱乐花园和大尺度的音乐厅，古典“鞋盒型”音乐厅就是在这一时期逐渐发展起来的。 1

5、9世纪前作曲家所做的音乐作品是与其表演空间相适应的，这一时期的演奏空间基本是矩形空间。19世纪以后，随着浪漫主义音乐及现代音乐的产生，演出空间变得丰富多彩，出现了扇形、多边形、马蹄形、椭圆形、圆形等多种形状，其混响时间及室内装饰风格也各不相同。 在这一时期，音乐厅的声学设计仍然没有太多的理论可以遵循。6.声学设计理论a.赛宾的混响时间 到二十世纪，赛宾（Wallace Clement Sabine，1868-1919）（哈佛大学物理学家、助教） 在1898年第一个提出对厅堂物理性质作定量化计算的公式混响时间公式，并确立了近代厅堂声学，从此，厅堂音质设计的经验主义时代结束了。 b.马歇尔的侧向声

6、原理 1967年，新西兰声学家马歇尔教授最先将人的双耳收听原理同音乐厅的声学原理结合起来，认为19世纪“鞋盒型”音乐厅的绝佳音质，除缘于混响时间及声扩散以外，直达声到达听众后的前5080ms的早期侧向反射声起着极为重要的作用。在这些音乐厅中每个听众都接受到强大的早期反射声能，其中侧向反射比来自头顶的反射声更为重要，因为它提供给听众更强的三维空间感和音乐的环绕感。 1968年，马歇尔提出了“早期侧向反射声”对音质起重要作用，认为需要有较多的早期侧向反射声，使听者有置身于音乐之中的一种“空间印象”感觉，空间感对响度及与低音相关的温暖感很重要。由于声音向后传播时，观众头顶的掠射吸收使声能衰减，必须靠

7、侧向反射将声音传至观众席后部。这些发现意义重大，从此开始了将反射声的空间分布与时间系列相结合的新的研究阶段。该理论已成为近期影响音乐厅形状设计的主要理论，使新建音乐厅开始注重并应用侧向反射声。c.IACC两耳互相关函数 80年代，日本声学家安藤四一教授在德国哥廷根大学的研究引入了唯一的双耳（空间）评价标准双耳听觉互相关函数(IACC)，它表示两耳上的信号之间的相互关系，这种相互关系又是声场空间感的量度。双耳听闻效应属心理和生理声学研究范畴，它提示了音乐厅中侧向反射的重要性，既使人了解到“鞋盒形”音乐厅音质良好的原因，同时也掌握了“鞋盒形”以外的其它有效的声学设计造型。 IACC作为评价空间感的

8、指标，它开辟了音质研究的一个新途径，也使音乐厅的音质评价建立在更为科学的基础上。但在技术上还存在不少问题，例如指向性传声器的选择，测定用声源的选择（声源信号不同，结果大不相同）等等。第二讲 声音的基本知识一.振动与声波1. 声音的产生 1）声音来源于振动。 声源：产生声音的振动物体称为声源，所有的声音都是物体的振动所产生的。 振动在空气中的传播声波，传播声音的物质称为传声介质 2）所有的声音都是物体的振动产生的。声音在空气中传播时，传播的只是振动的能量，空气质点不传到远处。2. 波阵面 1）有声波存在的空间称为声场。 波阵面：声波在同一时刻到达空间的各个点的包迹面。 2）点声源：单个的声源，声

9、源的尺度比所辐射的声波波长小很多。 线声源：把许多很靠近的单个声源沿一直线排列而形成的声源。 面声源：把许多距离很近的声源放置在一平面上而形成的声源。二.频率、波长与声速1. 频率 1）周期：声源完成一次振动所经历的时间（T），单位 s 2）频率：声源每秒振动的次数称为频率（f），单位为Hz。 3）频率决定了声音的音调，高频率声音是高音调，低频率的声音是低音调。 4）可听声范围：人耳听到的声音的频率范围20Hz20000Hz 5）计算： f=1/T2.波长波长：声源振动一个周期声波传播的距离称为波长（ ），单位为m。3.声速 1）声速：声波在传声介质中的传播速度称为声速（C）,单位m/s。 2

10、）声速不是质点的振动速度，而是振动的传播速度。它的大小与声源无关，而与介质的弹性，密度和温度有关。 3）计算： 空气中的声速与温度的关系： C=331.4+0.607t t：摄氏温度, 。 三.声音的计量 （一）声功率、声强、声压1.声功率：单位时间内声源声源向外辐射的总声能量。记为W，单位w或w 1w=106 w声源的声功率是很微小的。 2.声强：在声波的传播过程中，每单位面积波阵面上通过的声功率称为声强，记为I，单位为w/m2。 平面波： 球面波： 3.声压：空气质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力起伏称为声压，记作p，单位是N/m2。1)瞬时声压:声波在空气中传播时，声压P实际上

11、随时间而迅速变化，这种对应于某一瞬时的起伏变化称为瞬时声压。 峰值声压:在一定时间间隔中最大的瞬时声压称为峰值声压。2)声压与声强有密切的关系，在自由声场中，某处的声强I与该处声压的平方成正比，而与介质密度和声速的乘积成反比。3)可听阈人耳刚刚能感受到声音。 P0=210-5Pa I0=110-12W/m2疼痛阈人耳感到痛的声压。 P=20Pa I=1W/m2（二）声功率级、声强级、声压级 1.声功率级：声功率与基准声功率之比取以10为底的对数乘以10，用Lw表示，单位为dB。2.声强级：声强与基准声强之比取以10为底的对数乘以10，用LI表示，单位为dB。3.声压级：声压与基准声压之比取以1

12、0为底的对数乘以20，用Lp表示，单位为dB。四.声音在户外的传播1.点声源随距离的衰减 在点声源向自由空间辐射声能的条件下，距声源r米处声压级与声功率级的关系为：2.线声源随距离的衰减：无限长线声源的声压级 有限长线声源的声压级：距离较近时，距离每增加一倍，声压级降低3dB；距离较远时，距离每增加一倍，声压级降低6dB。3.面声源随距离的衰减 观测点与声源的距离较近，声能没有衰减；当距离较远时，声压级降低的数值为3-6dB。五.声波的反射、衍射和扩散 （一）声波的反射1.条件：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。即L 2.反射的规则：1）入射线、反射线法线在同一侧。2）入

13、射线和反射线分别在法线两侧。3）入射角等于反射角。Li=L （二）声波的衍射1.条件：声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生衍射。衍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。 2.特性：能绕到障碍物的背后改变原来的传播方向继续传播。（三）声波的扩散1.条件：a.声波在传播过程中遇到一些凸形的界面就会被分解成许多小的比较弱的反射声波。b.凸形界面的突出部分，最小需相当于入射波长的1/7才能起到扩散作用。2.作用：a.促进声音在围蔽空间里的均匀分布；b.防止一些声学缺陷。 六.声吸收和声透射声波入射到建筑构件时，声能一般分为三个部分： 1.一部分能量被反射； 2.一部分能量

14、透过构件，声波的振动引起构件相应的振动，然后又传递给另一侧的传声介质，使之发生同样的振动。这种现象称为透射。 3.还有一部分能量由于构件的振动或者声音在里面传播时与介质摩擦，热传导而被损耗，通常说声波被吸收。不同的材料对不同的频率有不同的吸收作用。 （一）声吸收1.定义：声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦而使一小部分声能转化为热能，常称为空气对声能的吸收。2.声吸收受到材料的有关特性及其表面状况、构造等的影响。3.吸声系数：被吸收的声能（即没有被表面反射的部分）与入射 声能之比，以表示。4.吸声量：例：一面墙的面积为50m2，某个频率（如500Hz）的吸声系数为0.2，则该墙的吸

15、声量是多少？（二）声透射1.透射系数： 2.反射系数： 3.吸收系数： 4.隔声量：七.驻波和房间的共振1.驻波 驻波是波的干涉现象的特殊情况，它是由两列频率，振幅相同，但是沿某一轴向相对传播的波互相叠加而成。 发生驻波时，波形没有传播，只有振幅发生变化，但振幅最大处波腹与振幅最小处波节的位置总是不变的。 当声源持续发声时，则在两平行界面间始终维持驻波的状态，即产生轴向共振。2.房间共振 在一些内装修材料比价坚硬的矩形房间内，当声源发声时，常会出现驻波，也就是说房间内某些频率会被大大的加强。我们就说房间出现了共振现象。在三维空间中，除了轴向驻波外，还会出现切向驻波和斜向驻波。 也就是说当室内声

16、源发出某一频率的声音时，声波可以沿着室内的轴向，切向，或斜向入射和反射，形成驻波，这时房间共振的机会增加了许多，计算矩形房间共振（包括轴向共振，切向共振，斜向共振三种共振）频率的普遍公式为：分别为房间的长，宽，高 分别为任意正整数（可以为0，但不能同时为0）由图中可以看到，某些振动方式的共振频率相同，即出现了共振频率重叠的现象，称为共振频率的简并。可以看到，当三个边长有两个相等或全等时，会有许多简并的现象。 在出现简并的共振频率范围内，将使那些共振频率的声音被大大加强，导致原有声音的频率畸变。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；

17、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。 八.混响时间1.混响及混响时间的定义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。混响时间：当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压级降低60 分贝所经历的时间称为混响时间。记作T60，单位为秒。 3.混响时间计算的精确性1)混响时间计算公式是假设室内声场充分扩散，室内声吸收是均匀的条件下导出的。2)厅堂内各界面的吸声系数，通常采用混响室内测定的值。在实际的使用中，具体的声场环境一

18、般不会完全符合以上的条件。4.计算混响时间的意义 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 九.室内声压级 当一点声源在室内发声时，在室内声场充分扩散的条件下，已知声源功率则可利用以下稳态声压级计算离开声源不同距离处的声压级：十.人对声音的感受（一）响度级 人耳的灵敏度（响度感觉）在各个频率都不相同，在较低和较高频率时灵敏度较低。也就是说，相同声压级的不同频率的声音，人耳听起来是不一样响的。 某个频率的响度等于等响1000Hz纯音的声压级，单位是方。也就是用某个频率一定声压级的纯音与1000Hz的纯音比较，当人感觉两个声音的响度相等时，此时

19、1000Hz的声压级就是这个频率的响度值。 如果我们用1000Hz、40分贝的纯音作为参考标准，与其它频率作比较，并把听上去与这40分贝1000Hz的纯音响度相等时的分贝数记下来，最后连成一条曲线。我们称之为响度级为40方的等响曲线。根据等响曲线得出如下规律：1.在低声压级时（85分贝以下） ，曲线斜率大，并且主要集中在低频，说明同样大的响度级，频率越低，所需要的声压级越大。2.在高声压级时（85分贝以上），同响的各个频率的声压级差距小，曲线显得平缓。3.增加相同的响度，低频增加的声压级比高频增加的声压级要小。4.1000Hz时，等响曲线中对应的两曲线之间相差10dB。（二）A声级 在进行声压

20、级测量时，为了得到比较接近人耳听闻效果的声压级，在声级计中加入了“频率计权网络” 对信号进行处理。这些计权网络有A、B、C、D四种，其中A、B、C计权网络分别模仿等响曲线中响度级为40方，70方和100方的曲线特点。D计权主要用于航空测量。 A计权网络应用最广。它对信号的加权方式符合人耳对低频的灵敏度比高频差的听觉特点。（三）噪声对人的影响1.掩蔽效应掩蔽效应：一种声音的存在提高了另一种声音的可听阈。这是由于某个声音的存在而使人耳对别的声音听觉灵敏度降低的现象。这称为掩蔽效应。掩蔽量：可听阈提高的分贝数。掩蔽阈：提高后的听阈。掩蔽效应的特点： a.掩蔽作用不仅取决于这两个声音的相对强度和频率成

21、分， 也与听众的心理状态有关。 b.频率相近的声音掩蔽作用显著。 c.高频声容易被低频声掩蔽，而低频声很难被高频声掩蔽 掩蔽效应的影响：有利有弊 弊：听不清要听得内容，降低工作效率 利：可以提高环境的私密性。2.噪声 噪声对听力的影响决定于噪声的强度和接触的时间。听力损失有一个从听觉适应、暂时性耳聋到噪声性耳聋的发展过程。职业性耳聋人们长时间处在A声级为90dB以上的噪声环境中。暂时性耳聋短时间暴露在响噪声环境中。暂时性耳聋可能出 现在一部分频率范围里，可能持续几秒钟，也可 能持续几天。第三讲 吸声材料和吸声结构第一节 吸声材料和吸声结构概述 一.定义： 吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设

22、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声、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：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FC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

23、，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。 二.作用 吸声材料最早应用于对听闻音乐和语言有较高要求的建筑物中，如音乐厅，剧院，播音室等，随着人们对居住建筑和工作的声环境质量的要求的提高，吸声材料在一般建筑中也得到了广泛的应用。三.分类： 吸声材料和吸声结构的的种类很多，根据材料的不同，可以分为以下几类第二节 多孔吸声材料一.吸声原理 多孔吸声材料中有许多连通的间隙或气泡，声波入射时，声波产生的振动引起小孔或间隙的空气运动，由于与孔壁或纤维表面摩擦和空气的粘滞阻力，一部分声能转变为热能，使声波衰减；其次，小孔中空气与孔壁之间还不断发生热交换，

24、也使声能衰减。二.吸声特性 主要吸收中、高频声三.多孔性吸声材料必须具备以下几个条件：（1）材料内部应有大量的微孔或间隙，而且孔隙应尽量细小且分布均匀；（2）材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说必须通过材料的表面，使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部； （3）材料内部的微孔一般是相互连通的，而不是封闭的。四.基本类型（一）玻璃棉 玻璃棉具有质量轻，中高频吸声系数大，阻燃，化学性能稳定，安装加工方便等优点。一般小于等于24/m3的玻璃棉称为吸声玻璃棉毡，等于大于32 /m3的叫玻璃棉板。通常在外面包一层透声的织物。（二）木丝吸声板 用松木等天然材料，经过特殊处理制成纤维状的木丝，再用

25、天然矿粉等作为粘结剂，压制成板材。 具有吸声，隔热，防潮，防菌等特点，防火性能达到难燃B1级，同时强度和刚度较高。有一定耐撞击能力。（三）纤维喷涂吸声材料 纤维喷涂技术是将经过预先特殊工艺处理的无机超细纤维，纤维素，抗火化合物以及粘结剂等原料，通过专用配套的喷涂设备混合，在施工现场喷涂于混凝土，钢板，石膏板等各种基体表面上，形成具有一定厚度的喷涂层。五.影响多孔材料吸声性能的因素（一）材料中空气的流阻 空气流阻，指空气流稳定的流过材料时，材料两面的静压差和流速之比，空气粘性越大，材料越厚，越密实，流阻就越大，材料透气性越低。如果流阻过大，则克服摩擦力，粘滞阻力从而使声能转化为热能的效率就很低。

26、多孔材料存在最佳的空气流阻。 （二）孔隙率 指材料中的空气体积和材料总体积之比。一般多孔材料孔隙率在70%以上，多数达到90%左右。（三）材料厚度 同一种材料，随着厚度的增加，中，低频范围的吸声系数会有所增加，并且吸声材料的有效频率范围也会扩大。1）当材料较薄时，增加厚度，材料的低频吸声性能将有较大的提高，但对高频声的吸声性能则影响较小；2）当材料厚度增加到一定程度时，吸声系数的增加将逐步减小。 在设计上，通常按照中，低频范围所需要的吸声系数值选择材料的厚度。（四）材料表观密度（容重） 对于不同的材料，密度对其吸声性能的影响不尽相同，一般对于同一种材料来说，当厚度不变时，增大密度可提高中低频的

27、吸声性能，但比增加厚度所引起的变化要小。 对于每一种不同的多孔性吸声材料，一般都存在一个理想的密度范围，在这个范围内材料的性能较好，密度过低或过高都不利于提高材料的吸声性能。（五）材料背后空气层 对于厚度，表观密度一定的多孔材料，当其与坚实壁面之间留有空气层时，吸声特性会有所改变。（六）饰面的影响 为了尽可能的保持原来的吸声特性，饰面应具有良好的透气性。例如可以使用金属网，塑料窗纱，透气性好的纺织品等，也可以使用厚度小于0.05mm的塑料薄膜，穿孔率在20%以上的薄穿孔板等。使用穿孔板面层，低频吸声系数将有所提高，使用薄膜面层，中频吸声系数将有所提高。（七）声波的频率和入射条件 多孔材料的吸声

28、系数随入射频率的增大而增大。常用的厚度大致为5cm成型多孔材料，对于中高频有较大的吸声系数。（八）材料吸湿，吸水 多孔材料吸水后，材料的间隙和小孔中的空气被水分所代替，使得孔隙率降低，因此会大大改变其吸声性能。 随含水率的增加，首先降低了对高频声的吸声系数，继而逐步扩大其影响范围。第三节 共振吸声结构一.吸声原理 当吸声材料和结构的自振频率与声波的频率一致时，发生共振，声波激发吸声材料和结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的，因此共振吸声材料和结构的吸声特征呈现峰值吸声的现象，即吸声系数在某一个频率达到最大，在离开这个频率附近的吸声系数逐渐降低，在远离这个频率的频段则吸声

29、系数很低。 二.吸声特性 主要对中低频有很好的吸声特性 。三.基本类型（一）薄膜吸声结构 皮革，人造革，塑料薄膜等具有不透气，柔软，受张拉时有弹性等特征，这些材料与其背后的空气层形成共振系统，吸收共振频率附近的声能。共振频率的公式为： 通常薄膜的共振频率在200Hz1000Hz之间，最大吸声系数为0.30.4，一般可视为中、低频吸声材料。（二）薄板吸声结构1.吸声特性 胶合板，石膏板，石棉水泥板或金属板也可以作为共振吸声结构。 因为低频声比高频声更容易激起薄板振动，所以它具有低频的吸声特性。工程中常用的薄板共振吸声结构的共振频率在80-300Hz之间，其吸声系数为0.2-0.5。共振频率的公式

30、为： 2.选用薄膜（薄板）吸声结构应注意如下几个方面： a.薄板的厚度； b.薄板单位面积的重量； c.空气层是否填充多孔吸声材料； d.薄板的饰面处理； e.多孔吸声材料与薄板共振吸声结构的组合。（三）亥姆霍兹共振器 最简单的单腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器。它是一个封闭的空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构，当入射声波的频率等于系统的固有频率时，孔径中的空气柱由于共振产生剧烈振动，消耗声能。亥姆霍兹共振器最大的吸声系数在其共振频率附近。（四）穿孔板 穿孔板可以看成是许多个亥姆霍兹共振器组合在一起。它的吸声特性取决于板厚、孔径、板的穿孔率、板后面的空腔厚度以及空腔内填充的材料等因素。 增加吸声频段宽度的措施: 1.采用微穿孔板 2.穿孔板后面添加多孔材料，共振频率向低频移动，吸声频率范围也会增加。穿孔FC板 FC板又称高压水泥纤维板，其原料为纤维水泥、经高压形成板材，无孔FC板多用于内部隔墙和吊顶。穿孔FC板一般厚度为4mm，有圆孔和狭缝两种形式，可以形成一定的图案。 穿孔FC板具有良好的防火性能，一般可达到建筑材料燃烧性能分级方法（GB8624-1997）不燃A级，同时还具有良好的防湿、防潮效果。FC板的强度较高，但是比较脆，抗