第5章-建筑聲學(xué)基本知識2014.5.5

1、建筑聲學(xué)與材料,主講 戎志丹2014.5.5,2024年3月19日,建筑聲學(xué)2,本章內(nèi)容,建筑聲學(xué)發(fā)展簡史 建筑聲學(xué)基本知識 建筑聲學(xué)材料與結(jié)構(gòu) 噪聲控制,2024年3月19日,建筑聲學(xué)3,為創(chuàng)造安靜的環(huán)境，降低、隔絕和 控制不需要的聲音 -----― 噪聲控制,提供良好的聽聞環(huán)境，滿意的音質(zhì) -----― 音質(zhì)設(shè)計,2024年3月19日,建筑聲學(xué)4,主要是音樂廳、劇院、禮堂、報告廳、多功能廳、電影院等。設(shè)計得

2、好:音質(zhì)豐滿、渾厚、有感染力、為演出和集會創(chuàng)造良好效果。,設(shè)計得不好:嘈雜、聲音或干癟或渾濁，聽不清、聽不好、聽不見。,音質(zhì)設(shè)計,2024年3月19日,建筑聲學(xué)5,噪聲的判斷標(biāo)準(zhǔn)是什么？如何避免噪聲？如何解決噪聲？,主要針對有安靜要求的房間，如錄音室、演播室、旅館客房、居民住宅臥室，等,環(huán)境噪聲控制,2024年3月19日,建筑聲學(xué)6,噪聲控制的意義,保證居住者的健康 提高勞動生產(chǎn)率 保證工藝過程要求,2024年3月19日,建筑聲學(xué)7

3、,建筑聲學(xué)發(fā)展簡史,2024年3月19日,建筑聲學(xué)8,古羅馬的露天劇場,2024年3月19日,建筑聲學(xué)9,圜丘壇（天壇）,2024年3月19日,建筑聲學(xué)10,回音壁、三音石(皇穹宇),2024年3月19日,建筑聲學(xué)11,山西永濟鸛雀樓,2024年3月19日,建筑聲學(xué)12,中世紀(jì)教堂建筑,2024年3月19日,建筑聲學(xué)13,15世紀(jì)的劇場,2024年3月19日,建筑聲學(xué)14,17世紀(jì)的馬蹄形歌劇院,2024年3月19日,建筑聲學(xué)15,19

4、世紀(jì)的音樂廳,2024年3月19日,建筑聲學(xué)16,2024年3月19日,建筑聲學(xué)17,室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計的相關(guān)理論,(A) 馬歇爾的側(cè)向聲原理： 馬歇爾（A. H. Marshall）提出了“早期側(cè)向反射聲”對音質(zhì)起重要作用，認(rèn)為需要有較多的早期側(cè)向反射聲，使聽者有置身于音樂之中的一種“空間印象（spatial impression）”感覺，空間感對響度及與低音相關(guān)的溫暖感很重要。(B) IACC兩耳互相關(guān)函數(shù)

5、 日本聲學(xué)家安藤四一（Y. Ando）教授在70年代做了一系列模擬雙耳接收的“內(nèi)耳互相關(guān)”實驗研究，實驗表明音質(zhì)與反射聲的水平方向分布有關(guān)。定義了“雙耳聽覺互相關(guān)函數(shù)(IACC)”，它表示兩耳上的信號之間的相互關(guān)系，這種相互關(guān)系又是聲場空間感的量度。,2024年3月19日,建筑聲學(xué)18,現(xiàn)代的建筑聲學(xué),1930年以后出現(xiàn)了電影 聲學(xué)材料的大量生產(chǎn)和實驗室實驗 噪聲處理問題在現(xiàn)代社會中被重視,2024年3月19日,建

6、筑聲學(xué)19,音樂廳聲學(xué)設(shè)計理論的出現(xiàn),從十九世紀(jì)開始，在維也納、萊比錫、格拉斯哥和巴塞爾等城市，都建造了一些供演出的音樂廳，這些十九世紀(jì)建造的音樂廳已反映出聲學(xué)上的豐碩成果，直到今天仍然有參考價值。 到二十世紀(jì)，賽賓（Wallace Clement Sabine，1868-1919，哈佛大學(xué)物理學(xué)家、助教） 在1898年第一個提出對廳堂物理性質(zhì)作定量化計算的公式——混響時間公式，并確立了近代廳堂聲學(xué)，從此，廳堂音質(zhì)設(shè)計的

7、經(jīng)驗主義時代結(jié)束了。,2024年3月19日,建筑聲學(xué)20,一、產(chǎn)生和傳播的條件聲音是如何產(chǎn)生的？ 結(jié)論：聲音是由物體振動產(chǎn)生的。聲音是如何傳播的？——人耳聽覺的產(chǎn)生聲源：由于振動正在發(fā)聲的物體 宋代學(xué)者言：“聲者，形氣相軋而成也” 形—振動的物體；氣－空氣媒介；相軋—相互作用。聲音產(chǎn)生和傳播的條件：（１）聲源 （２）傳播的媒介:介質(zhì)的彈性碰撞,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第一節(jié)　聲音的

8、產(chǎn)生和傳播,聲源,傳聲通道,聽者,2024年3月19日,建筑聲學(xué)21,二、波陣面、聲源的方向性、聲線聲線：自聲源發(fā)出代表能量傳播方向的曲線，聲的波動限制不計,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第一節(jié)　聲音的產(chǎn)生和傳播,2024年3月19日,建筑聲學(xué)22,1、波陣面：聲波從聲源發(fā)出，在某一介質(zhì)內(nèi)按同一方向傳播，在某一時間到達空間各點所包絡(luò)的面稱為波陣面。球面波：點聲源發(fā)出的波，波陣面為同心球面的波，聲線與波陣面垂直。如人、樂器發(fā)出的聲波。平

9、面波：波陣面為與傳播方向垂直的平行 平面，如多個線聲源或多個點聲源疊排。柱面波：波陣面為同軸柱面，如單個線 聲源發(fā)出的聲波。2、聲源的方向性：,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第一節(jié)　聲音的產(chǎn)生和傳播,2024年3月19日,建筑聲學(xué)23,三、聲速、波長、頻率 聲速C：聲波在某一介質(zhì)中傳播的速度。 單位：m/s c 是指聲源振動狀態(tài)傳播的速度，與介質(zhì)

10、特性有關(guān) 聲波在空氣中聲速： 在0oC時， C鋼=5000m/s, C水=1450m/s 在15oC時，C空氣=340m/s 波長?：在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點距離。 聲波完成一次振動所走的距離。單位：m,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第一節(jié)　聲音的產(chǎn)生和傳播,2024年3月19日,

11、建筑聲學(xué)24,頻率f:質(zhì)點在1秒鐘的時間內(nèi)完成振動的次數(shù)。單位：Hz 人耳可聽頻率范圍為20Hz～20KHz（聽覺范圍 ） 20KHz為超聲其中，人耳感覺最重要的部分約在100Hz～4000Hz,相應(yīng)的波長約3.4m～8.5cm 。參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f*? 或 ?=c/f,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第一節(jié)　聲音的產(chǎn)生和傳播,2024年3月19日,建筑聲學(xué)25,聲波是能量的一種傳播形式。人們常談到聲音的大小

12、或強弱，或一個聲音比另一個聲音響或不響，這就提出了聲音強弱的計量。一、 聲功率、聲強、聲壓1、聲功率W ：單位時間內(nèi)物體向外輻射的能量W。（瓦W或微瓦?W ）聲源聲功率包括全部可聽頻率范圍聲功率是聲源本身的一種重要屬性。相關(guān)聲源的聲功率： 人正常講話：50?W 100萬人同時講話50W,相當(dāng)于一個燈泡。訓(xùn)練有素的歌手：5000~10000 ?W。汽車?yán)? 0.1 W, 噴氣飛機: 10KW。

13、應(yīng)用：在廳堂設(shè)計中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問題。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,2024年3月19日,建筑聲學(xué)26,2、聲強：單位時間內(nèi)通過與聲波傳播方向垂直的單位面積波陣面上的聲能的多少。 符號：I 單位：w/m 2 可聽聲強范圍10 -12 w/m 2——1 w/m 2 對于點聲源有：

14、-------距離平方反比定律3、聲壓：指在某一瞬時壓強相對于無聲波時的壓強變化。符號P 單位N/m 2(牛頓/米2 ) 或Pa(帕斯卡）范圍2×10 -5N/m 2—20 N/m24、聲強與聲壓的關(guān)系：,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,2024年3月19日,建筑聲學(xué)27,二、聲壓級、聲功率級、分貝及其疊加“級”（level)的概念？“級”：聲學(xué)中被研究的聲學(xué)量與其同類基準(zhǔn)值之比的常用對數(shù)叫“級”

15、。實際應(yīng)用中，表示聲音強弱的單位并不采用聲壓或聲功率的絕對值，而采用相對單位——級（類似于風(fēng)級、地震級）。單位分貝(dB):是貝爾的十分之一 為什么要采用“級”的計量方法？1）聲壓對人耳感覺的變化非常大， 1000Hz的聲音，聽覺下限Po=2×10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。2）人耳對聲音強弱的變化的感受并不與聲壓成正比，而與聲壓的對數(shù)成正比，兩個同樣的聲源放在一起，感覺并不是響一倍。,第五章

16、建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,2024年3月19日,建筑聲學(xué)28,聽覺范圍——量級差非常大,可聞閾(聽閾) ——人耳剛能感受的聲音p0=2×10-5 PaI0=1×10-12 W/m2,疼痛閾 —— 聞之人耳則痛，p=200 Pa，I =100 W/m2,煩惱閾 ——聞之煩惱不安p0=20 Pa，I0=1W/m2,2024年3月19日,建筑聲學(xué)29,1、聲壓級(sound pressure

17、 level) ： Lp取參考聲壓為Po=2×10-5N/m2為基準(zhǔn)聲壓，任一聲壓P的Lp為： 聽覺下限：p=2×10-5N/m2 0dB 能量提高100倍的P=2×10-3N/m2 40dB聽覺上限： P=20N/m2

18、 120dB2、聲功率級(sound power level) : Lw 取Wo為10-12W， 任一聲功率W的聲功率級Lw3、聲強級(sound intensity level) LI,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,2024年3月19日,建筑聲學(xué)30,聲壓級的疊加 10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10d

19、B=? 答案分別是：13dB、3dB、10dB. 聲壓是各聲源貢獻的聲壓平方和的開根號。即：,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,?L = 3 dB,,,2024年3月19日,建筑聲學(xué)31,思考：1）兩個相同聲壓級的聲音加起來聲壓級是多少？多個相同聲壓級的聲音加起來聲壓級是多少？2）兩個或多個不同的聲壓級的聲音加起來聲壓級是多少？（見例題）3）70、81、81、84、87、90dB六個聲音加起來聲壓級是多少？例題1

20、 兩輛汽車聲壓級分別77dB和80dB，求總聲壓級例題2 車間總聲壓級92dB，停止運轉(zhuǎn)一臺設(shè)備，背景噪聲為88dB，求該設(shè)備運轉(zhuǎn)時的噪聲級。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第二節(jié)　聲音的計量,2024年3月19日,建筑聲學(xué)32,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,2024年3月19日,建筑聲學(xué)33,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,2024年3月19日,建筑聲學(xué)34,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　頻譜 、頻率、音樂和噪聲,一、現(xiàn)代信號處理技術(shù)證明：

21、理論上任何振動的波形都可以分解為若干單頻簡諧振動的合成。 分立譜：如弦振動產(chǎn)生的聲音。 連續(xù)譜：談話、機器的噪聲頻率和頻譜 頻譜——表示某種聲音 頻率成分及其聲壓級組成情況的圖形， 傅立葉理論及大多的自然聲。 頻譜通常根據(jù)需要分成若干個頻帶，帶寬（Band)可寬可窄。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。倍頻程：f2=2f1通常將可聞頻率范圍內(nèi)20~20Hz分

22、為十個倍頻帶，其中心頻率按2倍增長，共十一個，為：16 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K1/3倍頻程： f2=21/3f1將倍頻程再分成三個更窄的頻帶，使頻率劃分更加細(xì)化，其中心頻率按倍頻的1/3增長，為：12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...,2024年3月19日,建筑聲學(xué)35,第五

23、章 建筑聲學(xué)基本知識,二、音樂和噪聲： 音樂：由基因和諧音組成，其音符頻率組成有著明確的規(guī)律。 噪聲：聲音的組成沒有任何規(guī)律,2024年3月19日,建筑聲學(xué)36,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,2024年3月19日,建筑聲學(xué)37,聲波在室外空曠地帶的傳播規(guī)律隨與聲源距離的增加，聲能發(fā)生衰減。對于點聲源，有： Lp=LW-20lgr-11□ 對于無限長線聲源，單位長度內(nèi):I=W∕2 r

24、 Lp=LW-10lgr-8 對于有限長線聲源：距離近，同無限長線聲源規(guī)律相同 距離遠，同點聲源規(guī)律相同□ 對于面聲源，距離很遠，，聲壓級衰減3~6dB,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第四節(jié)　聲音在戶外的傳播,,,,2024年3月19日,建筑聲學(xué)38,一、 反射和衍射、擴散透射折射和吸收 一、聲波的反射當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波長大得多的障礙時，聲

25、波將被反射。類似于光在鏡子上的反射。反射的能量與反射面有關(guān)反射的規(guī)則： 1）入射線、反射線法線在同一側(cè)。 2）入射線和反射線分別在法線兩側(cè)。 3）入射角等于反射角?！蟟= ∠ ?,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第五節(jié)　反射和衍射、擴散透射折射和吸收,2024年3月19日,建筑聲學(xué)39,二 、聲波的衍射：當(dāng)聲波在傳播的過程中遇到障壁或者建筑部件（如墻角、梁、

26、柱）等，這些構(gòu)件尺度比波長大，在背后出現(xiàn)“聲影區(qū)”，也會出現(xiàn)聲音繞過障壁邊緣進入“聲影”繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，稱之為“衍射”現(xiàn)象。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,2024年3月19日,建筑聲學(xué)40,三、聲波的透射與吸收聲波具有能量，簡稱聲能。當(dāng)聲波碰到室內(nèi)某一界面后（如天花、墻），一部分聲能被反射，一部分被吸收（主要是轉(zhuǎn)化成熱能），一部分穿透到另一空間。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,透射系數(shù)：反射系數(shù)：吸聲系數(shù)：,應(yīng)用：不同材料，不同的

27、構(gòu)造對聲音具有不同的性能。在隔聲中希望用透射系數(shù)小的材料防止噪聲。在音質(zhì)設(shè)計中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場。,2024年3月19日,建筑聲學(xué)41,四、聲波的折射與擴散 □ 聲波的折射 □ 聲波的擴散,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,,,,,,,,,2024年3月19日,建筑聲學(xué)42,1、聲音的頻譜與聲源的指向性A、 聲音的頻譜 頻譜——表示某種聲音 頻率成分及其聲壓級組成情況的圖形， 傅立葉理

28、論及現(xiàn)代信號處理技術(shù)證明：理論上任何振動的波形都可以分解為若干單頻簡諧振動的合成。 分立譜：如弦振動產(chǎn)生的聲音。 連續(xù)譜：談話、機器的噪聲，大多的自然聲。 頻譜通常根據(jù)需要分成若干個頻帶，帶寬（Band)可寬可窄。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。倍頻程：f2=2f1通常將可聞頻率范圍內(nèi)20~20Hz分為十個倍頻帶，其中心頻率按2倍增長，共十一個，為：16

29、 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K1/3倍頻程： f2=21/3f1將倍頻程再分成三個更窄的頻帶，使頻率劃分更加細(xì)化，其中心頻率按倍頻的1/3增長，為：12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的聽覺感覺,2024年3月19日,建筑聲學(xué)43,第五章 建筑聲學(xué)基

30、本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,在進行聲音計量和頻譜表示時，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級值使用整個頻帶聲壓級的疊加。,2024年3月19日,建筑聲學(xué)44,2024年3月19日,建筑聲學(xué)45,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,2024年3月19日,建筑聲學(xué)46,B、聲源的指向性聲源發(fā)出的聲音在各個方向上分布不均勻，具有指向性。聲源尺寸比波長小得多時，可看作點聲源，無指向性。聲源尺寸比波長差不多或更大時，

31、聲源不再是點聲源，出現(xiàn)指向性。人們使用喇叭，目的是為了增加指向性。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,47,聲源的指向性,在距聲源中心等距離的不同方向的空間位置處的聲壓級不相等指向性指數(shù)DI——在離聲源相同距離r 處，某個方向的實際聲壓級Lp(r, θ, φ)與參考聲壓級Lp0(r)之差 指向性因數(shù)Q —— 實際聲強I (r, θ, φ)與參考聲強I0(r )的比值。Q與指向性指數(shù)DI的關(guān)系：DI = 10 lg

32、 Q,48,S0為聲源面積，f 為頻率，I～IV是聲源的4種位置,指向性因數(shù)Q,聲源尺寸比波長大得越多，指向性就越強 指向性與邊界對聲波自由擴散的阻礙有關(guān) 處于喇叭狀角落，指向性最強,2024年3月19日,建筑聲學(xué)49,2、人耳的主觀聽覺特性人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo)聽覺范圍：最高最低頻率可聽極限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。最小最大可聽極限人耳有一定的適應(yīng)性，常

33、人上限為120dB,經(jīng)常噪聲暴露的人有可能達到135~140dB。下限頻率與頻率有關(guān)。最小可辯閾（差閾）一般情況1dB聲壓級的變化能夠察覺：3dB以上有明顯感覺； 頻率變化的察覺：一般是3%，低頻時3Hz。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,2024年3月19日,建筑聲學(xué)50,A 聽覺定位人耳判斷聲源的遠近比較差，但確定聲源的方向比較準(zhǔn)確。水平方向10—30可辯人耳判斷聲源的方位主要靠雙耳定位，對時間差和強度

34、差進行判斷。人耳的水平方向感要強于豎直方向感。頻率高于1400Hz強度差起主要作用；低于1400Hz時，時間差起主要作用。這就是人為什么對蚊子的定位比較準(zhǔn)而對電話鈴聲的定位比較差的原因。B、哈斯(Hass)效應(yīng)人耳有聲覺暫留現(xiàn)象，人對聲音的感覺在聲音消失后會暫留一小段時間。如果到達人耳的兩個聲音的時間間隔小于50ms，那么就不會覺得聲音是斷續(xù)的。直達聲到達后50ms以內(nèi)到達的反射聲會加強直達聲。直達聲到達后50ms后到達

35、 的“強”反射聲會產(chǎn)生“回聲”——哈斯效應(yīng)。根據(jù)哈斯效應(yīng)，延時越長干擾大；聲壓級差小干擾大。頻率接近干擾大；低頻對高頻干擾大。人耳在多聲源發(fā)聲內(nèi)容相同的情況下，判斷聲源位置主要是根據(jù)“第一次到達”的聲音。因此，劇場演出時，多揚聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問題。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,2024年3月19日,建筑聲學(xué)51,C、掩蔽效應(yīng)人耳對一個聲音的聽覺靈敏度因另外一個聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩

36、蔽效應(yīng)。一個聲音高于另一個聲音10dB,掩蔽效應(yīng)就很小。低頻聲對高頻聲的掩蔽作用大。何謂掩蔽量?掩蔽閾?D、響度與等響曲線人耳對不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對于低于1000Hz和高于4000Hz的聲音，靈敏度降低。不同頻率，相同聲壓級的聲音，人聽起來的響度感覺不一樣。不同頻率,不同聲壓級的聲音,人聽起來的響度感覺有可能一樣。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,52,掩蔽效應(yīng),一種聲音存在提高了另一種

37、聲音的可聞閾 頻率相近則掩蔽作用顯著；對高頻掩蔽作用比對低頻掩蔽作用大 有利有弊 弊：聽不清要聽的內(nèi)容，降低工作效率 利：避免一些噪聲的干擾，提高工作效率,53,掩蔽效應(yīng),適合的掩蔽背景聲的特點 無表達含義 響度不大 連續(xù) 無方位感 掩蔽背景聲 低響度的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲往往是很好的掩蔽背景聲 輕微的音樂聲 隱約的語言聲,54,日本辦公樓噪聲干擾感覺的調(diào)查,,,2024年3月19日,建筑聲學(xué)55,3、 等響曲線等

38、響曲線:以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測聽起來和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級構(gòu)成一條曲線叫“等響曲線”。響度單位是“方”。隨著聲壓級的提高，對頻率的相對敏感度也不同聲壓級高，相對變化感覺??；聲壓級低，相對變化感覺大。,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,2024年3月19日,建筑聲學(xué)56,第五章 建筑聲學(xué)基本知識,第三節(jié)　人的主觀聽覺感覺,2024年3月19日,建筑聲學(xué)57,A 聲級A 聲級是使用40方