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建筑声学（2）
来源: | 作者:gdareadmin | 发布时间: 2020-06-10 | 2744 次浏览 | 分享到:
第二章 室内声学原理
2.1  声音在室外与室内的传播
2.1.1 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
    2.1.2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。
　
2.1.3  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125，250，500，1000，2000，4000 Hz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Reverberation Time（ 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 。
3.2.1 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
          6300            0.012
    0.038
    0.084               0.010
       0.029
       0.062             0.010
     0.024
     0.050            0.009
    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。
    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=2 1—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。