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

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(xué)

(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(xué)問(wèn)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(xué)知識(shí)（物理學(xué)）

b、兩個(gè)范疇：室內(nèi)音質(zhì)建筑物聲學(xué)（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(xué)的新挑戰(zhàn)

4、聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史：公元前古希臘、羅馬的露天圓形劇場(chǎng)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(chǎng)：歌壇Ф20m，歌壇后部舞臺(tái)高3.5m，進(jìn)深3m，長(zhǎng)26.5m，12根壁柱作背景，扇形看臺(tái)利用自然山坡。2/5/20235建筑聲環(huán)境概述奧朗日劇場(chǎng)：半圓形樂(lè)隊(duì)席，舞臺(tái)上方修建斜反射頂棚將反射聲投向觀眾中世紀(jì)教堂：混響時(shí)間長(zhǎng)，音質(zhì)豐滿，語(yǔ)言清晰度差18世紀(jì)奧地利維也納的音樂(lè)廳，意大利米蘭歌劇院19世紀(jì)末20世紀(jì)初期美國(guó)聲學(xué)家賽賓（Sabine）的貢獻(xiàn)：Sabine對(duì)混響時(shí)間的研究—1900年發(fā)表《混響》1932努特生（knudsen)出版《建筑聲學(xué)》1936年莫爾斯《振動(dòng)與聲》標(biāo)志建筑聲學(xué)成為一門系統(tǒng)的學(xué)科中國(guó)古代劇場(chǎng)演變及設(shè)計(jì)成就公元前一千年殷代：“坎其擊鼓，宛丘之下”---《詩(shī)經(jīng)·陳風(fēng)》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(wèn)題2/5/20236建筑聲環(huán)境概述15世紀(jì)天壇的回音壁----利用回聲知識(shí)建造回音壁、三音石和圜丘。我國(guó)50年代初，中科院電子學(xué)研究所馬大猷教授開創(chuàng)建筑聲學(xué)系統(tǒng)；58年人民大會(huì)堂萬(wàn)人大禮堂（10000座）聲學(xué)設(shè)計(jì)成功；現(xiàn)代大都市電影院、劇場(chǎng)、音樂(lè)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(dòng)產(chǎn)生的。聲音是如何傳播的？——人耳聽覺(jué)的產(chǎn)生聲源：由于振動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)、聲速幾何聲學(xué)：聲線的觀點(diǎn)研究在封閉的空氣中傳播；物理聲學(xué)：用波動(dòng)的觀點(diǎn)研究聲學(xué)問(wèn)題聲線：自聲源發(fā)出代表能量傳播方向的曲線，聲的波動(dòng)限制不計(jì)第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第一節(jié)聲音的產(chǎn)生和傳播第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)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(shí)間到達(dá)空間各點(diǎn)所包絡(luò)的面稱為波陣面。球面波：點(diǎn)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(lè)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(gè)線聲源或多個(gè)點(diǎn)聲源疊排。柱面波：波陣面為同軸柱面，如單個(gè)線聲源發(fā)出的聲波。2、波長(zhǎng)：在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點(diǎn)距離。單位m(米)聲波完成一次振動(dòng)所走的距離。

f：頻率，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，單位Hz(赫茲）

T:完成一次全振動(dòng)所需的時(shí)間第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)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(dòng)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(shí)，C鋼=5000m/s,C水=1450m/s

在15oC時(shí)，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(jué)范圍）

<20Hz為次聲，>20KHz為超聲其中，人耳感覺(jué)最重要的部分約在100Hz~4000Hz,相應(yīng)的波長(zhǎng)約3.4m~8.5cm

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

當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波長(zhǎng)大得多的障礙時(shí)，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。∠i=∠

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

當(dāng)障礙物的尺寸與聲波相當(dāng)時(shí)，將不會(huì)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(xué)基本知識(shí)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(jiǎn)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。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)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(duì)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(jì)中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場(chǎng)。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(qiáng)弱，或一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音響或不響，這就提出了聲音強(qiáng)弱的計(jì)量。一、聲功率、聲強(qiáng)、聲壓1、聲功率W

：?jiǎn)挝粫r(shí)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(wàn)人同時(shí)講話50W,相當(dāng)于一個(gè)燈泡。

訓(xùn)練有素的歌手：5000~10000W。

汽車?yán)?0.1

W,

噴氣飛機(jī):10KW。

應(yīng)用：在廳堂設(shè)計(jì)中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問(wèn)題。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)量2/5/2023162、聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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(hào)：I單位：w/m

2

可聽聲強(qiáng)范圍10-12

w/m

2——1w/m

2

對(duì)于點(diǎn)聲源有：

-------距離平方反比定律3、聲壓：指在某一瞬時(shí)壓強(qiáng)相對(duì)于無(wú)聲波時(shí)的壓強(qiáng)變化。符號(hào)P

單位N/m2(牛頓/米2)或Pa(帕斯卡）范圍2×10-5N/m2—20N/m24、聲強(qiáng)與聲壓的關(guān)系：第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)量2/5/202317二、聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其疊加“級(jí)”（level)的概念？“級(jí)”：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(duì)數(shù)叫“級(jí)”。實(shí)際應(yīng)用中，表示聲音強(qiáng)弱的單位并不采用聲壓或聲功率的絕對(duì)值，而采用相對(duì)單位——級(jí)（類似于風(fēng)級(jí)、地震級(jí)）。單位分貝(dB):是貝爾的十分之一為什么要采用“級(jí)”的計(jì)量方法？1）聲壓對(duì)人耳感覺(jué)的變化非常大，1000Hz的聲音，聽覺(jué)下限Po=2×10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。2）人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的變化的感受并不與聲壓成正比，而與聲壓的對(duì)數(shù)成正比，兩個(gè)同樣的聲源放在一起，感覺(jué)并不是響一倍。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)量2/5/2023181、聲壓級(jí)(soundpressurelevel)：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(jué)下限：p=2×10-5N/m20dB

能量提高100倍的P=2×10-3N/m240dB

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

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

LI

第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)量2/5/2023193聲壓級(jí)的疊加

10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分別是：13dB、3dB、10dB.幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí)，某點(diǎn)的聲能是各個(gè)聲源貢獻(xiàn)的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻(xiàn)的聲壓平方和的開根號(hào)。即：第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)量2/5/202320思考：1）兩個(gè)相同聲壓級(jí)的聲音加起來(lái)聲壓級(jí)是多少？多個(gè)相同聲壓級(jí)的聲音加起來(lái)聲壓級(jí)是多少？2）兩個(gè)或多個(gè)不同的聲壓級(jí)的聲音加起來(lái)聲壓級(jí)是多少？（見例題）3）70、81、81、84、87、90dB六個(gè)聲音加起來(lái)聲壓級(jí)是多少？例題1兩輛汽車聲壓級(jí)分別77dB和80dB，求總聲壓級(jí)例題2車間總聲壓級(jí)92dB，停止運(yùn)轉(zhuǎn)一臺(tái)設(shè)備，背景噪聲為88dB，求該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲級(jí)。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第二節(jié)聲音的計(jì)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(jí)組成情況的圖形，傅立葉理論及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)證明：

理論上任何振動(dòng)的波形都可以分解為若干單頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。分立譜：如弦振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。連續(xù)譜：談話、機(jī)器的噪聲，大多的自然聲。頻譜通常根據(jù)需要分成若干個(gè)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?lì)l率范圍內(nèi)20~20Hz分為十個(gè)倍頻帶，其中心頻率按2倍增長(zhǎng)，共十一個(gè)，為：

1631.5631252505001K2K4K8K16K1/3倍頻程：f2=21/3f1將倍頻程再分成三個(gè)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(zhǎng)，為：

12.516202531.540506380100125160...第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的聽覺(jué)感覺(jué)2/5/202322第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)

在進(jìn)行聲音計(jì)量和頻譜表示時(shí)，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級(jí)值使用整個(gè)頻帶聲壓級(jí)的疊加。2/5/2023232/5/202324第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)2/5/202325B、聲源的指向性聲源發(fā)出的聲音在各個(gè)方向上分布不均勻，具有指向性。聲源尺寸比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看作點(diǎn)聲源，無(wú)指向性。聲源尺寸比波長(zhǎng)差不多或更大時(shí)，聲源不再是點(diǎn)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(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/2023262、人耳的主觀聽覺(jué)特性人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo)聽覺(jué)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(dá)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(jí)的變化能夠察覺(jué)：3dB以上有明顯感覺(jué)；頻率變化的察覺(jué)：一般是3%，低頻時(shí)3Hz。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/202327A聽覺(jué)定位人耳判斷聲源的遠(yuǎn)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(duì)時(shí)間差和強(qiáng)度差進(jìn)行判斷。人耳的水平方向感要強(qiáng)于豎直方向感。頻率高于1400Hz強(qiáng)度差起主要作用；低于1400Hz時(shí)，時(shí)間差起主要作用。這就是人為什么對(duì)蚊子的定位比較準(zhǔn)而對(duì)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(jué)暫留現(xiàn)象，人對(duì)聲音的感覺(jué)在聲音消失后會(huì)暫留一小段時(shí)間。如果到達(dá)人耳的兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔小于50ms，那么就不會(huì)覺(jué)得聲音是斷續(xù)的。直達(dá)聲到達(dá)后50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲會(huì)加強(qiáng)直達(dá)聲。直達(dá)聲到達(dá)后50ms后到達(dá)的“強(qiáng)”反射聲會(huì)產(chǎn)生“回聲”——哈斯效應(yīng)。根據(jù)哈斯效應(yīng)，延時(shí)越長(zhǎng)干擾大；聲壓級(jí)差小干擾大。頻率接近干擾大；低頻對(duì)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(dá)”的聲音。因此，劇場(chǎng)演出時(shí)，多揚(yáng)聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問(wèn)題。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/202328C、掩蔽效應(yīng)人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽覺(jué)靈敏度因另外一個(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩蔽效應(yīng)。一個(gè)聲音高于另一個(gè)聲音10dB,掩蔽效應(yīng)就很小。低頻聲對(duì)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(duì)不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對(duì)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(jí)的聲音，人聽起來(lái)的響度感覺(jué)不一樣。不同頻率,不同聲壓級(jí)的聲音,人聽起來(lái)的響度感覺(jué)有可能一樣。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/202329

3、等響曲線等響曲線:以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測(cè)聽起來(lái)和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級(jí)構(gòu)成一條曲線叫“等響曲線”。響度單位是“方”。隨著聲壓級(jí)的提高，對(duì)頻率的相對(duì)敏感度也不同

聲壓級(jí)高，相對(duì)變化感覺(jué)??；

聲壓級(jí)低，相對(duì)變化感覺(jué)大。第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/202330第十章建筑聲學(xué)基本知識(shí)第三節(jié)人的主觀聽覺(jué)感覺(jué)2/5/20233