建筑物理（第4版）課件：建筑聲學基本知識

建筑物理（第4版）

建筑聲學基本知識知識單元1聲音的產生與傳播4.1.1聲音的產生4.1.2波振面、波長和聲速4.1.3聲音的傳播特性4.1.4建筑材料的聲音特性知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.1聲功率、聲強和聲壓4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加4.2.3響度和響度級4.2.4總聲級4.2.5聲源的指向性4.2.6倍頻程和頻譜4.2.7音調和音色4.2.8人耳的聽聞特性知識單元3室內聲場的變化過程4.3.1聲波在室內的反射4.3.2室內聲場的形成及變化過程知識單元4混響時間和室內聲壓級的計算4.4.1混響時間4.4.2室內聲壓級的計算知識單元5房間的共振和共振頻率知識單元1聲音的產生與傳播4.1.1聲音的產生聲音來源于物體的振動，其中振動的物體稱為聲源。產生聲音的兩個必要條件是聲源和傳聲介質。在空氣中傳播的聲音稱為空氣聲，在固體中傳播的聲音稱為固體聲，人耳最終聽到的聲音，一般是空氣聲。4.1.2波振面、波長和聲速4.1.2波振面、波長和聲速知識單元1聲音的產生與傳播介質類型鋼混凝土軟木橡皮玻璃淡水松木玄武巖聲速/(m/s)50503100500505200148133203140表4-10℃時聲波在不同介質中傳播速度室溫下空氣中的聲速約為340m/s，100Hz～400Hz的聲音，波長范圍大致在8.5m～3.4m之間。只有當聲波的頻率范圍大致在20Hz～20000Hz之間（空氣中波長17mm～17m）才能產生聲音的感覺，這個范圍的聲波稱為可聞聲。4.1.3聲音的傳播特性（1）聲音的反射和衍射聲音的反射與光反射非常相似，仍遵守反射定律：1）聲線的入射方向和反射方向與反射面的法線方向在同一個平面內；2）聲線的入射方向和反射方向分別在法線的兩側；3）聲線的入射角等于反射角。如果障礙物或孔洞的幾何尺寸比聲波波長小，聲波將繞過它們，而不出現聲影，這種現象稱為聲波的衍射。（2）聲音的折射和干涉聲波在遇到不同介質的分界面時，除了反射外，還會發生折射，從而改變聲波的傳播方向。白天聲音傳播方向向上彎曲；夜晚聲波的傳播方向向下彎曲，這也是在夜晚聲波傳播得比較遠的原因。此外，空氣中各處風速的不同也會改變聲波的傳播方向，聲波順風傳播時向下彎曲；逆風傳播時向上彎曲，并產生聲影區。知識單元1聲音的產生與傳播4.1.3聲音的傳播特性廳堂設計時，如采用成排的臺階式坐席，應使臺階升起坡度與聲波向上折射角度大致吻合。相同類型的波遇到一起時將發生干涉，聲波也不例外。當兩列聲波相遇時，介質中某些點的聲音可能被加強，某些點的聲音則可能減弱。但兩列聲波相交后，各自仍按原來的方向傳播。（3）聲音的透射與吸收當聲波遇到障礙物時，聲波疏密相間的壓力將推動障礙物發生相應的振動，其振動又引起另一側的傳聲介質隨之振動，這種聲音透過障礙物的現象稱為聲波的透射。聲波引起障礙物振動要消耗聲能。由于摩擦、碰撞，其中一部分聲能轉化為其他形式的能量（如熱能），聲能因而衰減，這種現象稱為聲波的吸收。知識單元1聲音的產生與傳播4.1.3聲音的傳播特性據能量守恒定律，總聲能Ｅ０是反射聲能Ｅr、透射聲能Ｅτ和吸收聲能Ｅα之和。即：Ｅo＝Ｅr＋Ｅτ＋Ｅα透射聲能Ｅτ與入射聲能Ｅ０之比稱為透射系數，記作τ；反射聲能Ｅr與入射聲能Ｅ０之比稱為反射系數，記作γ，即：知識單元1聲音的產生與傳播4.1.4建筑材料的聲音特性通常把τ值小的材料稱為隔聲材料，把γ值小的材料稱為吸聲材料。實際上障礙物吸收的聲能僅僅是Ｅα，但從入射波和反射波所在的空間考慮，常把除反射以外的部分都認為被吸收了，由此得出材料的吸聲系數α：在室內音質設計或進行噪聲控制時，必須了解各種材料的隔聲、吸聲特性，從而合理地選用材料。常用建筑材料及結構的吸聲系數見附錄E。知識單元1聲音的產生與傳播4.1.4建筑材料的聲音特性（1）聲功率聲功率指聲源在單位時間內向外輻射的聲音能量，記作W，單位為瓦（W）或微瓦（μW）。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.1聲功率、聲強和聲壓聲源種類噴氣飛機氣錘汽車鋼琴女高音對話聲功率10kW1W0.1W2mW1000～7200μW20μW表4-2幾種不同聲源的聲功率（2）聲強在聲波傳播的過程中，單位面積波振面上通過的聲功率稱為聲強，記為I，單位是W/m2。距離平方反比定律：知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.1聲功率、聲強和聲壓（3）聲壓對于正弦聲波，有效聲壓p等于瞬時聲壓的最大值pm除以

，即：自由聲場中，某點的聲強與該點聲壓的平方成正比，與介質的密度和聲速的乘積成反比。即：式中

p——有效聲壓，單位為Pa；ρ0——空氣密度，單位為kg/m3,一般為1.225kg/m3；c——空氣中的聲速，單位為m/sρ0c——介質的特性阻抗，在20℃時其值為415N·s/m3在自由聲場中，如果測得聲壓p和測量點與聲源的距離r，即可算出該點的聲強I及聲源的聲功率W。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.1聲功率、聲強和聲壓（1）聽閾和痛閾人耳剛能感覺到其存在的聲音的聲壓稱為聽閾，聽閾對于不同頻率是不相同的。4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性人耳對1000Hz的聲音感覺最靈敏，其聽閾聲壓為P０＝2×10－５Pa（稱為基準聲壓）。對應的聲強為I０＝10-12W/m2（稱為基準聲強），對應的聲功率為W０＝10-12W（稱為基準聲功率）。使人產生疼痛感的上限聲壓聲為痛閾，對1000Hz的聲音為20Pa，相應聲強為1W/m2

，相應聲功率為1W。（2）聲強級、聲壓級和聲功率級常采用按對數方式分等分級的辦法來描述聲音，對聲音計量常用的單位是分貝（dB）。對應的物理量有聲強級、聲壓級和聲功率級三種。聲強級的公式為4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性式中——聲強級（dB）；——聲強（W/m2）；——基準聲強,I0=10-12W/m2。聲壓級的公式為4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加式中——聲壓級（dB）；——聲壓（Pa）；——基準聲壓,P0＝10-5Pa。在一定條件下，聲強級和聲功率級在數值上相等。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性聲功率級的公式為4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加式中——聲功率級（dB）；——聲功率（W）；——基準聲功率,W0＝10-12W。人耳的聽閾聲壓和痛閾聲壓用聲壓級表示，對應為0dB和120dB；聲壓級每增加1dB，約相當于聲壓變化12%；聲壓每增加1倍，聲壓級增加約6dB；聲壓每增大到原來的10倍，聲壓級增加20dB。一般情況下，聲壓級每增加10dB，人耳主觀聽聞的響度大致增加1倍。

表4-3給出了一些聲源聲物理量的大小。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加聲強/(W/m2)聲壓/Pa聲強級或聲壓級/dB相應的環境聲強/(W/m2)聲壓/Pa聲強級或聲壓級/dB相應的環境102200140離噴氣機處10-42×10-180-120120疼痛閾10-62×10-260相距處交談10-12110風動鉚釘機旁10-82×10-340安靜的室內10-22100織布機旁10-102×10-420-10-122×10-50人耳最低可聞閾表4-3一些聲源的聲物理量知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加（3）聲音疊加的相關運算由表中可知，兩個數值相等的聲壓級疊加，只比原來增加了3dB，而不是增加一倍。這也可經簡單計算求得。通常情況下，如兩個聲音的聲壓級相差超過15dB，則附加聲壓級很小，可忽略不計。[例4-1]測得某機器噪聲聲壓級如表4-5所示，試求這8個頻率的聲音的總聲壓級。LP1-LP200.10.20.30.40.50.60.70.80.903.03.02.92.92.82.82.72.72.62.612.52.52.52.42.42.32.32.32.22.222.12.12.12.02.01.91.91.91.81.831.81.71.71.71.61.61.61.51.51.541.51.41.41.41.41.31.31.31.21.251.21.21.21.11.11.11.11.01.01.061.01.00.90.90.90.90.90.80.80.870.80.80.80.70.70.80.70.70.70.780.60.60.60.60.60.60.60.60.50.590.50.50.50.50.50.50.50.40.40.4100.4---------110.3---------120.3---------130.2---------140.2---------150.1---------表4-4聲壓級差值與增值的關系（單位：dB）知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.2聲強級、聲壓級、聲功率級及其疊加倍頻程的中心頻率(Hz)631252505001000200040008000聲壓級(dB)90951009382757070表4-5某機器的噪聲頻帶聲壓級[解]

總聲聲壓級的大小依次為100dB、95dB、93dB、90dB、82dB…，利用表4-4依次疊加。計算至此，進行三次疊加后即得102dB，與其余聲壓級的差值均超過15dB，附加值很小，可見總聲壓級主要決定于前面4個數值。100dB95dB101.2dB93dB1.2dB101.8dB90dB0.6dB102.1dB≈102dB0.3dB知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.3響度和響度級為了描述人耳對聲音強弱的感覺，人們又引入了響度和響度級的概念。量度一個聲音比另一個聲音響多少的量稱為響度。圖4-1是純音的等響曲線。取等響曲線中參考音1000Hz的垂直線與等響曲線相交點的聲壓級定義為各等響曲線的級別，稱為響度級，單位是方（Phon）。圖4-1中，最下面的一條等響曲線為0Phon，表示人耳的聽閾。最上面一條為120Phon，表示人耳的痛閾。人耳可接受的聲壓級不能超過這兩條曲線所包括的范圍。在這個范圍內，響度級和響度之間接近線性關系。響度級約改變10phon，近似等于響度改變了一倍。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.3響度和響度級知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.4總聲級上述的響度級概念是按純音定義的，但通常情況下，聲音的頻率成分十分復雜。對復合聲不能直接使用純音的等響曲線，人們對其響度感覺的量值需通過測量或計算求得。目前工程中常采用聲級計進行某些簡單的聲音測量。聲級計的讀數稱為“聲級”，單位是dB。在聲級計中參考等響曲線設計有A、B、C三個計權網絡。C計權網絡是模擬人耳對85phon以上純音的響應，在整個可聽頻率范圍內，它讓所有的聲音近乎一樣通過，因此，它可代表總聲級。B計權網絡是模擬人耳對70phon純音的響應，它使接收聲通過時，低頻段有一定的衰減。A計權網絡是模擬人耳對40phon純音的響應，它使接收的聲音通過時，500Hz以下的低頻段有較大的衰減，所以，A網絡測得的聲級更適合描述人耳對聲音強弱的感覺。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.4總聲級用聲級計的A、B、C不同計權網絡測得的聲級，分別計作dB(A)、dB(B)和dB(C)。在音頻范圍內進行測量時，多使用A計權網絡，用A計權網絡測得的聲級通常稱為“A聲級”（A-weightedsoundpressurelevel）。4.2.5聲源的指向性頻率越高，聲波的波長越短，聲源正面的聲壓比背面的和側面的聲壓大得多，指向性越強；而低頻聲，聲源前后的聲壓變化不大，因而指向性差。4.2.6倍頻程和頻譜（1）倍頻程和1/3倍頻程知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.6倍頻程和頻譜在測量聲音時，常用到倍頻程的概念。倍頻程是指一系列相鄰頻率相差為2倍的多個頻率。例如，琴鍵的低音A的頻率是220Hz，中音A的頻率是440Hz，而高音A的頻率為880Hz，則稱220Hz和880Hz相差2個倍頻程。建筑聲學中還常用1/3倍頻程。在兩個相距為1倍頻程的頻率f、2f之間，插入兩個頻率為21/3f、22/3f使它們之間成比例為1：21/3：22/3：2，即為1/3倍頻程。目前聲學測量中常用的倍頻程和1/3倍頻程，它們的頻帶劃分和中心頻率見表4-6。中心頻率fc為上、下限截止頻率fU和fL的幾何平均值。即：知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.6倍頻程和頻譜倍頻帶1/3倍頻帶倍頻帶1/3倍頻帶中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率1611.2～22.412.5162011.2～14.114.1～17.817.8～22.41000710～140080010001250710～900900～11201120～140031.522.4～452531.54022.4～2828～35.535.5～4520001400～28001600200025001400～18001800～22402240～28006345～9050638045～5656～7171～9040001800～56003150400050002800～35503550～45004500～5600表4-6倍頻帶和1/3倍頻帶的劃分（單位：Hz）知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.6倍頻程和頻譜倍頻帶1/3倍頻帶倍頻帶1/3倍頻帶中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率中心頻率截止頻率12590～18010012516090～112112～1401401120063008000100005600～71007100～90009000～11200250180～355200250315180～244224～280280～3551600011200～12500160002000011200～1410014100～1780017800～500355～710400500630355～450450～560560～710表4-6倍頻帶和1/3倍頻帶的劃分（續表）

（單位：Hz）知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.6倍頻程和頻譜（2）頻譜建筑設計中，通常以頻率范圍（或稱頻帶范圍）為橫坐標，以對應的聲壓級為縱坐標表示某一聲音各組成頻率的聲壓級，這種圖形稱為聲源的頻譜。由一些離散頻率成分形成的頻譜稱為線狀譜，在一定頻率范圍內含有連續頻率成分的頻譜稱為連續譜。圖4-2為單簧管發聲的頻譜示意圖，圖4-3為幾種噪聲的頻譜。知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性4.2.6倍頻程和頻譜聲音的強弱、音調和音色稱為聲音的三要素。音調主要是由聲音的頻率決定的。單一頻率的聲音稱為純音。如被敲擊的音叉所發出的聲音。一個樂器發出的聲音，通常包含一系列頻率成分，其中一個最低頻率的聲音稱為基音，人們據基音辨別樂器的音調，其頻率稱為基頻。樂器發出的除基音之外的聲音稱為諧音。其頻率都是基頻的整數倍，稱為諧頻。如圖4-2所示?；艉椭C音的組合決定了聲音的音色和音質。借助于音色和音質，才能區別不同樂器所發出的聲音。4.2.7音調和音色知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性由于音樂聲（即樂音）只含有基頻和諧頻，所以音樂的頻譜是線狀譜，如圖4-2所示。管弦樂隊發出的聲音是由各種樂音混合而成的，頻率成分非常復雜。對于語言聲，其規律也是類似的，各人的聲音互不相同，各有特征。聲音通過電話后，許多諧音被削弱，但仍然可以在電話交談中辨別不同人的聲音特征。噪聲是頻率成分更復雜的聲音，甚至包含有可聞聲之外的頻率成分。人耳聽不出其中包含有任何諧音或是音調的特征，噪聲大多數是連續譜，如圖4-3所示。4.2.7音調和音色（1）時差效應與回聲感覺聲源在室內發聲后，直達聲和反射聲先后到達人耳，若時間相差在50ms以內，則人耳分辨不出是不同的聲音，似乎后面的聲音是前一個聲音的繼續，感覺到的僅是音色和響度的變化，這種現象稱為時差效應。4.2.8人耳的聽覺特性知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性在直達聲到達后約50ms之內到達的反射聲，可以加強直達聲，而在50ms之后到達的反射聲，不會加強直達聲，但如果它的強度比較大，人便能感覺到，形成“回聲”。（2）聽覺定位正常人在水平方向0°～60°的范圍內，可辨別聲源方位1°～3°的變化，具有良好的方位辨別力。對豎直方向，要在聲源方位變化10°～15°以上時才能辨別。室內音質設計必須考慮方位感的問題，避免使聽眾感覺到揚聲器發出的聲音與講演者的直達聲來自不同方向。如用單耳聽音，則失去方位感。用單個話筒在播音室內拾音，就相當于單耳聽音。人耳對聲源的定位還受視覺的影響。如人能看到聲源的位置，只要聲和像位置偏離不大，仍能感覺到視覺和聽覺是一致的。4.2.8人耳的聽覺特性知識單元2聲音計量與人耳的聽覺特性（3）掩蔽效應人在傾聽一個聲音時，如果存在其他的聲音（稱為掩蔽聲），對所聽聲音的聽閾就要提高，人耳的聽覺靈敏度降低，這種現象稱為掩蔽效應。聽閾所提高的分貝數稱為掩蔽量，提高后的聽閾稱為掩蔽閾。因此，在噪聲環境下，要想聽到一個聲音，該聲音的聲壓級必須大于掩蔽閾。一聲音對另一聲音的掩蔽量，主要取決于兩者的頻譜和聲壓級差。低音調（頻率較低）的聲音，當響度很大時，會對高音調（頻率高）的聲音產生顯著的掩蔽作用，而高音調的聲音對低音調的聲音只產生很小的掩蔽作用。掩蔽聲和被掩蔽聲的頻率越接近，掩蔽作用越大。在室內聲學中，往往需要避免噪聲對有用聲信號的掩蔽。但有時也可利用背景噪聲保證語言或通訊的私密度。4.2.8人耳的聽覺特性知識單元3室內聲場的變化過程4.3.1聲波在室內的反射知識單元3