建筑声学(2)
来源: | 作者:gdareadmin | 发布时间: 2020-06-10 | 2461 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。