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建筑物理 声学部分 《第1章:建筑声学基础知识》分析解析_图文

建筑物理

第1章 建筑声学

第三篇

建筑声学

? 建筑声学基本知识 ? 吸声材料和吸声结构 ? 建筑构件隔声 ? 环境噪声控制 ? 室内音质设计
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第1章 建筑声学

第 1 章 建筑声学基础知识
§1-1 声音的基本性质
§1-2 声音的计量

§1-3 人耳的听觉特性与声音评价 §1-4 声音在室内的传播和几何声学 §1-5 混响时间
§1-6 驻波与房间共振 §1-7 音质评价
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第1章 建筑声学

1.1 声音的基本性质
1.1.1 声音的产生与传播 ? 物体的振动产生声音,声音的传播需要介质。 这种振动会引起空气分子在平衡位置做来回振动, 振动能量以波的形式向前传播,且分子的振动方 向和声波的传播方向平行,所以声音是纵波。 ? 声波必须经过一定的介质才能向外传播。这 种介质既可以是气体,也可以是液体和固体。

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第1章 建筑声学

1.1.2 频率、周期、波长和速度
声波通过介质传播时,质点在平衡位置附近来回振 动。 周期:质点完成一次全振动所经历的时间称为周期, 用T表示。 频率:质点在1s内完成全振动的次数即为频率,用f 表示,单位(Hz)。 波长:相邻的两个同位相质点的距离。波长是一个周 期的时间所传播的距离。 频率是周期的倒数。介质振动的频率即为声源的频 率。频率和音调相关。 f ? 1
T

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第1章 建筑声学

人耳能接收到的频率范围是20-20000Hz,高于 20000Hz的为超声波;低于20Hz的是次声波。 一般建筑声学中考虑的频率范围是100-4000Hz, 声速:声音传播的速度。用C表示。声速与介质 有关。在空气中声速与温度的关系为:
t c ? 331.4 1 ? 273

15℃的室温下声速为340m/s 波长、频率、周期和声速之间的关系如下:
c ?? f

? ? cT
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第1章 建筑声学

1.1.3 声音的绕射和反射
1.波振面与声线

波振面:波在传播的过程中,任 意时刻波动到达的各点的包络面 称为波振面。根据波振面的形状 可以将波分为平面波和球面波。 声线:用来表示声音传播的方向 和路径。 声线和波振面相互垂直。

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第1章 建筑声学

2.声波的绕射(衍射) 当声波在传播过程中遇到小的障板时,并不像几何 光学光线那样直线传播,而是能绕到障板的背后继 续传播,改变原来的传播方向,这种现象称为绕射。

3.声波的反射 当声波在传播过程中遇到大尺寸的障板时,会发生反射。 (类似与光的反射。遵守反射定律,且有镜面反射和扩散 反射。)

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第1章 建筑声学

1.1.4 声音的透射、反射和吸收
当声波入射到建筑构件(如墙、天花)时,声能的一部 分被反射,一部分透过构件,还有一部分被构件吸收。 根据能量守恒定律,若入射总声能为E0,反射的声能 为Eρ,构件吸收的声能为Eα,透过构件的声能为Eτ, 则互相间有如下的关系:

E0=E ? 十Eα十E τ
反射系数: 透射系数: 吸收系数:
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??
??
E? E0
E? E0

原因

E ? E? ?? ? E0

透射声能和被吸收声能一 样是室内减少的声能。

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第1章 建筑声学

1.1.5 声音的频谱、音乐声和噪音 倍频带中:上限频率f2是下限频率f1的2倍,即f2=f1。

在简易测量中使用这种倍频带频谱。
1/3倍频带中:上限频率f2是下限频率f1的1.26倍。即
f 2 = 3 2f1

在较详细的测量中使用1/3倍频带频谱。
1.1.6 声音的指向性 声源的指向性是指声源向各个方向辐射声功率的相对 分布。频率越高指向性越强。
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第1章 建筑声学

1.2 声音的计量
1.2.1 声功率、声强和声压 1.声功率(W)
声源在辐射声波时对外作功。声功率是指声源在单位 时间内向外辐射的声能。记为W,单位为瓦(w)。 声功率是声源本身的一种特性。 2.声强( I ) 声强:在单位面积波振面上通过的声功率。记为I,单 位是w/㎡。 W
I? S

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第1章 建筑声学

对于球面波,声强与点 声源的声功率成正比, 而与到声源的距离平方 成反比。 W
I? 4?r 2

对于平面波,声线互相 平行,同一束声能通过 与声源距离不同的表面 时,声能没有聚集或离 散,即与距离无关,所 以声强不变。

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第1章 建筑声学

3.声压(P)

声压:空气中由于声波作用而产生振动时所引起的大 气压力起伏称为声压。用p表示。单位:N/㎡,或Pa。
任一点的声压都是随时间而不断变化的,每一瞬 间的声压称瞬时声压,某段时间内瞬时声压的均 方根值称为有效声压。 如未说明,通常所指的声压即为有效声压。

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第1章 建筑声学

? 声压与声强有着密切的关系。在自由声场中, 某处的声强与该处声压的平方成正比而与介质 密度与声速的乘积成反比。
p2 I? ?0c
式中 p ——有效声压,Pa;

(W / m2 )

?0 ——介质密度,Kg/m3,一般空气取 1.225 Kg/m;
c ——介质中的声速,m/s。

? 0c 又称为介质的特性阻抗。

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第1章 建筑声学

1.2.2 声功率级、声强级和声压级 人耳刚能听见的下限声强为10-12w/m2,相应的声压为 2×10-5N/m2;使人感到疼痛的上限声强为1w/m 2,相 应的声压为20N/m2。所以用声强和声压计量声音很难。 1.声功率级( LW ) 声功率级是声功率与基准功率之比的对数的10倍。记为 LW W LW ? 10 lg (dB) W0

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2.声强级(LI ) 声强级是声强与基准声强之比的对数的10倍。记为 LI
I LI ? 10 lg I0

(dB)

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3.声压级(Lp) 声压级是声压与基准声压之比的对数的20倍。记为 Lp
p L p ? 20 lg (dB) p0

10?12 pa

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第1章 建筑声学

1.2.3 声级的叠加
当几个声音同时出现时,总声强是各个声强的代数和。
I ? I1 ? I 2 ? ? ? I n (W / m2 )

总声压是各个声压平方和的平方根。
2 2 2 2 P? P ? P ? ? ? P ( N / m ) 1 2 n

n个声压均为P的声音,叠加后的声压级是
np p Lp ? 20lg ? 20lg ? 10lg n p0 p0

声强级、声压叠加时,按照“级”的加法规律,采用对数运算法 则。

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第1章 建筑声学

1.3 人耳的听觉特性和声音评价
1.3.1 可听的频率和声压范围
一、最高和最低可听频率极限 对于可听频率的上限,不同人之间可有相当大的差异,而且 和声音的声压级也有关系。 一般青年人可听到20000Hz左右的声音,而中年人只能听到 12000~16000Hz的声音。可听频率的下限,通常是20Hz。 二、最大和最小的可听声压极限 人耳可接受的声音的声压变化范围是很大的。一般正常青 年人最小可听基准声压,即2×10-5 Pa(声压级为0dB),当 一个人最小可听极限提高时,可认为这听觉灵敏度降低了。

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第1章 建筑声学

1.3.2 响度级
人耳对响度的感觉取决于许多因素,其中最主要的是频率和 频谱。相同声压级的声音如果频率不同,人耳听起来是不一 样的,反之,不同频率的声音如要听起来一样响,它们的声 压级可能不同。

1.3.4 双耳听闻与声像定位(双耳效应)
声像定位(双耳效应):声源发出的声波到达双耳有一定的 时间差、强度差和相位差,人们可以据此来判断声源的方向 和远近,进行声像定位。 人耳辨别水平方向声源位置的能 量要比垂直方向好。

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第1章 建筑声学

1.3.5 时差效应和回声
声音对人听觉器官器官的作用效果不随着声音的消失 而立即消失,而会暂留一段时间,这种现象叫时差效 应。如果两个声音时间间隔小于50ms,人耳觉察不到 声音是断续的,但当两个声音时间间隔大于50ms时, 人耳就判别时候两个独立的声音。室内,人耳首先听 到的是直达声,然后是反射声,一般认为,直达声之 后50ms以内到达的反射声加强了直达声的感觉,50ms 以后到达的反射声会形成回声,干扰直达声的清晰度。 人耳对回声感觉的规律又叫哈斯效应。

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第1章 建筑声学

1.3.6 掩蔽效应
人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在 而降低的现象,称为掩蔽效应。存在干扰的声音叫做 掩蔽声。可听闻所提高的分贝数叫掩蔽量。 掩蔽量特点:1)低频声的掩蔽范围大。

2)高频声掩蔽范围小。
3)频率相近,掩蔽量大。

4 )掩蔽声压级高,掩蔽量大 。

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第1章 建筑声学

1.4 声音在室内的传播与几何声学
1.4.1 自由声场中声音的传播与声压级的计算
自由声场:是指没有边界的、媒质均匀且各向同性的声场。 声波以球面波的形式辐射。
自由声场中距离为r m处的声压级为:

Lp ? LW ? 20lg r ?11
式中:LP —— 空间某点的声压级,dB Lw —— 声源的声功率级,dB r —— 测点与声源的距离,m 半自由空间条件下,距离为r m处的声压级为:

Lp ? LW ? 20lg r ? 8
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第1章 建筑声学

1.4.2 室内声压级的计算

1.直达声、早期反射声及混响声。
1.直达声:是指声源直接到达接收点的声音。 2.早期反射声:一般指直达声到达以后,相对延 迟时间为50ms内到达的反射声。(对于音乐声可 放宽至80ms)。 3.混响声:在早期反射声之后陆续到达的,经过 多次反射后的声音统称为混响声。

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第1章 建筑声学

2.室内稳态声压级
? 声场达到稳态时室内声场分布: 假定声源是无指向性的,距接收点的距离为r,则室 内某点的声压级:

Q 4 L p ? LW ? 10 lg( ? ) 2 4?r R
式中:LW —— 声源的声功率级,dB S? R —— 房间常数:

(dB)

声源在房间中央, Q=1;在一墙或地 R? 面上,Q=2;在两 1?? 面墙的交界处, S ? ? S ? ? ?? ? S n? n Q=4;在三面墙的 ?? 1 1 2 2 S1 ? S 2 ? ?? ? S n 交界处,Q=8。

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第1章 建筑声学

3.混响半径
根据室内稳态声压级的计算公式,室内的声压级由两部分 构成:第一部分是直达声;第二部分是混响声。在直达声与 混响声的作用相等处,距声源的距离称作“混响半径”,或 称“临界半径”。用rc表示。混响半径处有:

Q 4 ? 2 R 4?rc

所以:

rc ?

RQ ? 0.14 RQ 16?

当噪声源和接收点的距离小于rc时,接受点主要受直达声 的影响,这是室内进行吸声处理对接受点的声能降低没有明 显效果。当接收点距声源距离超过混响半径rc时,室内吸声 量才会有明显效果。这就是吸声降噪。

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3.室内声场的特点和几何声学
室内声场的主要特点有:

? ? ? 弱; ④

声波在各个界面上引起一系列的反射、吸收和透射; 与自由声场相比有 不同的音质; 由于房间的共振可能引起某些频率的声音倍加强或减
声能的空间分布发生了变化。

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1.5 混响时间
混响时间是指:声源在室内持续发声时,当声场达到稳定 后,声源即停止发声,声音开始衰减,自此刻起声压级衰减 60dB所经历的时间,记作T60,或RT。

1.赛宾公式 赛宾发现混混响时间与房间容积和室内吸声量的函 数。即:
T60 KV 0.161 V ? ? A S?

(S )

式中:T60 ——混响时间,S; K—— 系数,一般取0.161;

V—— 房间容积,m3: 郑州华信学院

A—— 室内总吸声量,m2

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第1章 建筑声学

2.尹林公式
尹林在赛宾的基础上进行了修正,在工程上应用最普遍的尹 林公式:

60 0.161 V T60 ? ? D ? S ln(1 ? ? )

( s)

若考虑空气的吸声(取决于空气的湿度和温度的影 响)时:
0.161 V T? ? S ln(1 ? ? ) ? 4m V
( s)

4m —— 空气的吸收系数。表(1-4)
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1.6 驻波和房间共振
驻波是两列同频率、同振幅的声波相向传播叠加而成的。建 筑中由于反射面的存在,声波垂直入射时,入射声波和反射 声波形成驻波。 当两平行墙面间的距离L为半波长的整数倍时,声波在两墙面 中来回反射使波腹不断增大,即产生共振。

L?n

?
2

对于确定的两平行墙面,总有一系列频率的声波产生共振, 其共振频率为:

nc f ? 2L

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第1章 建筑声学

1.7 音质评价
1.7.1 音质主观评价
音质主观评价可分为对语言声的主观评价和对音乐声的主观 评价两类。对语言声主要有清晰度、可懂度、响度方面的要 求;对于音乐声除了清晰度和响度要求外,还有丰满度、平 衡感和空间感方面的要求。

1.7.2

音质客观评价

音质客观评价指用可以测量,并可以通过公式加以计算的物 理指标来评价厅堂的音质。目前,国际声学界常用的客观指 标主要有以下几项:1.混响时间和早期衰减时间;2.明晰度 C80; 3.声压级与强度指数 ; 4. 混响时间的频率特性

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