建筑声学(1)
来源: | 作者:gdareadmin | 发布时间: 2020-06-10 | 2074 次浏览 | 分享到:
建筑声学
第一章 声环境设计的基本知识
1.1 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。
1.1.1 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)
1.1.2 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)
: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*    或 =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
1.1.3 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=L
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。
1.1.4 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。
•1.1.1 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——50W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。
      训练有素的歌手——5000~10000 W。
       汽车喇叭——0.1 W,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/m 2 (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:
16    31.5   63  125  500  1K  2K   4K   8K  16K
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:
12.5  16  20  25  31.5   40   50  63   80  100   125  160                     
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
20         31.5         63         125         250         500        1K         2K         4k        8k
87dB         75dB         58dB         45dB         43dB         42dB         40dB        36dB         32dB         48dB
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。
20        31.5        63        125        250        500        1k        2k        4k        8k        16k        20k        L生级
30db        35db        40db        45db        50db        51db        52db        52db        52db        40db        38db        30db        58.8db
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。