《建筑物理( architectural physics) 》第1章-建筑聲學基本知識

建筑物理(architecturalphysics)

（建筑物理環(huán)境）2/5/20231建筑物理概述2/5/20232第三篇建筑聲學

(architecturalacoustics)（建筑聲環(huán)境）2/5/20233概述：1、概念：研究與建筑環(huán)境有關(guān)的聲學問題，包括廳堂音質(zhì)和建筑環(huán)境噪聲控制兩部分，目的是創(chuàng)造符合聽聞要求的環(huán)境。2、內(nèi)容：a、聲學知識（物理學）

b、兩個范疇：室內(nèi)音質(zhì)建筑物聲學（隔聲、城市噪聲）3、發(fā)展方向：生活水平—環(huán)境條件—廳堂及民用建筑要求—結(jié)構(gòu)輕薄----工業(yè)發(fā)展設(shè)備增加——聲環(huán)境惡化---交通擁擠

——建筑聲學的新挑戰(zhàn)

4、聲學發(fā)展簡史：公元前古希臘、羅馬的露天圓形劇場建筑聲環(huán)境概述2/5/20234建筑聲環(huán)境概述埃比道拉斯劇場：歌壇Ф20m，歌壇后部舞臺高3.5m，進深3m，長26.5m，12根壁柱作背景，扇形看臺利用自然山坡。2/5/20235建筑聲環(huán)境概述奧朗日劇場：半圓形樂隊席，舞臺上方修建斜反射頂棚將反射聲投向觀眾中世紀教堂：混響時間長，音質(zhì)豐滿，語言清晰度差18世紀奧地利維也納的音樂廳，意大利米蘭歌劇院19世紀末20世紀初期美國聲學家賽賓（Sabine）的貢獻：Sabine對混響時間的研究—1900年發(fā)表《混響》1932努特生（knudsen)出版《建筑聲學》1936年莫爾斯《振動與聲》標志建筑聲學成為一門系統(tǒng)的學科中國古代劇場演變及設(shè)計成就公元前一千年殷代：“坎其擊鼓，宛丘之下”---《詩經(jīng)·陳風》利用自然地形觀看歌舞表演?！坝嘁衾@梁三日不絕”----《列子》已經(jīng)注意到混響的問題2/5/20236建筑聲環(huán)境概述15世紀天壇的回音壁----利用回聲知識建造回音壁、三音石和圜丘。我國50年代初，中科院電子學研究所馬大猷教授開創(chuàng)建筑聲學系統(tǒng)；58年人民大會堂萬人大禮堂（10000座）聲學設(shè)計成功；現(xiàn)代大都市電影院、劇場、音樂廳、歌廳、演播室。2/5/20237一、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）傳播的媒介二、波陣面、波長、聲速幾何聲學：聲線的觀點研究在封閉的空氣中傳播；物理聲學：用波動的觀點研究聲學問題聲線：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十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播第十章建筑聲學基本知識2/5/202381、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、波長：在傳播途徑上，兩相鄰同相位質(zhì)點距離。單位m(米)聲波完成一次振動所走的距離。

f：頻率，每秒鐘振動的次數(shù)，單位Hz(赫茲）

T:完成一次全振動所需的時間第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播2/5/202393、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)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

參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f*或=c/f人耳可聽頻率范圍為20Hz~20KHz（聽覺范圍）

<20Hz為次聲，>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

。第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播2/5/202310三、聲波的繞射、反射和散射、透射和吸收1、聲波的繞射：由于媒質(zhì)中的障礙物或其它不連續(xù)引起的波陣面畸變。

聲波在傳播過程中遇到障礙或孔洞時將發(fā)生繞射。繞射的情況與聲波的波長和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播2/5/2023112/5/2023122、聲波的反射

當聲波遇到一塊尺寸比波長大得多的障礙時，聲波將被反射。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=∠

第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播2/5/2023133、聲波的散射

當障礙物的尺寸與聲波相當時，將不會形成定向反射，而以障礙物為一子波源，向不同方向發(fā)生不規(guī)則的反射、折射、繞射第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播2/5/2023144、聲波的透射與吸收聲波具有能量，簡稱聲能。當聲波碰到室內(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。第十章建筑聲學基本知識第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播透射系數(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。2/5/202315聲波是能量的一種傳播形式。人們常談到聲音的大小或強弱，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：50W100萬人同時講話50W,相當于一個燈泡。

訓練有素的歌手：5000~10000W。

汽車喇叭:0.1

W,

噴氣飛機:10KW。

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。第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/2023162、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——1w/m

2

對于點聲源有：

-------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/m2(牛頓/米2)或Pa(帕斯卡）范圍2×10-5N/m2—20N/m24、聲強與聲壓的關(guān)系：第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/202317二、聲壓級、聲功率級及其疊加“級”（level)的概念？“級”：聲學中被研究的聲學量與其同類基準值之比的常用對數(shù)叫“級”。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。第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/2023181、聲壓級(soundpressurelevel)：Lp取參考聲壓為Po=2×10-5N/m2為基準聲壓，任一聲壓P的Lp為：

聽覺下限：p=2×10-5N/m20dB

能量提高100倍的P=2×10-3N/m240dB

聽覺上限：P=20N/m2120dB2、聲功率級(soundpowerlevel):Lw

取Wo為10-12W，任一聲功率W的聲功率級Lw3、聲強級(soundintensitylevel)

LI

第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/2023193聲壓級的疊加

10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分別是：13dB、3dB、10dB.幾個聲源同時作用時，某點的聲能是各個聲源貢獻的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻的聲壓平方和的開根號。即：第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/202320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。第十章建筑聲學基本知識第二節(jié)聲音的計量2/5/2023211、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：

1631.5631252505001K2K4K8K16K1/3倍頻程：f2=21/3f1將倍頻程再分成三個更窄的頻帶，使頻率劃分更加細化，其中心頻率按倍頻的1/3增長，為：

12.516202531.540506380100125160...第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的聽覺感覺2/5/202322第十章建筑聲學基本知識第三節(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。2/5/2023232/5/202324第三節(jié)人的主觀聽覺感覺第十章建筑聲學基本知識2/5/202325B、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，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。第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/2023262、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。第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/202327A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。第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/202328C、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。第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/202329

3、等響曲線等響曲線:以1000Hz連續(xù)純音作基準，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?。?/p>

聲壓級低，相對變化感覺大。第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/202330第十章建筑聲學基本知識第三節(jié)人的主觀聽覺感覺2/5/20233