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1建筑物理Ⅲ声一章基本知识82页_图文

建 筑物理Ⅲ( 声) 冷御寒
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2

一、建筑声学的任务
(1) 厅堂音质设计
给各种听音场所(厅堂)或露天场地提 供产生、传播和收听需要的声音的最佳条件,获 得优美的音质环境。
(2)噪声控制——去除不需要的声音
排除或减小噪声和振动的干扰,获得安 静的环境。
3

二、当前设计中存在的若干声学问题

(1) 求高
(2) 公等
(3) 用,
(4) 压缩

大量厅堂建筑的建造,建设量大,要

设计观念的转变,流动空间、开敞办

新型轻质材料的应用,预制构件的应

只注重结构轻质而忽视声学 室内本身噪声源增加,键盘、风扇、

机、冷却塔、吸尘器、碎纸机等

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三、使用教材和参考书

(1)《建筑物理》西安建筑科技大学,华南理工大学, 重庆大学,清华大学四校合编 西安建筑科技大学刘加平 主编

(2)《建筑物理》 东南大学

柳孝图 主编

(3)《建筑声学设计原理》 华南理工 吴硕贤 编著

(4)《建筑声环境》 清华大学 秦佑国 王炳磷 著

(5)《建筑环境声学》 L.L.多勒 著

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第1章 建筑声学基本知识
一、教学目的 了解建筑声学的研究对象,掌握声音的基本
特性和人耳的听觉特性,掌握声音的计量和声源 特性。 二、学时安排 总学时:6学时 学时分配:课堂讲授、作业,建筑声学简介——4
课堂讨论——2
6

三、教学方法
1、课程开始前的寒假布置作业:我身边的声 环境和声学基本知识预习报告,
2、第一堂课由学生讲授作业内容, 3、课堂讨论和老师讲授。 4、习题作业 四、声学基本知识要点 1、声波概念。 2、声线 3、声波的描述
波长、频率、声速的范围,以及它们之间的 关系。
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4、声音的计量—— 声功率、声强、声压、声功率级、
声强级、声压级、响度、总声级(重点是A声级)、
声压级的叠加。 5、频谱、倍频程的概念 6、声波的传播特点
声波的反射、绕射(衍射)(重点)、透射、声波 的聚焦、扩散及特点 7、人耳的听觉特性 声源的指向性、时差效应、双耳听闻效应、掩蔽效 应、音调和音色。
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第1节 声音的产生与传播
一、声波及其描述 1、声波:弹性介质中,机械振动由近及远的传播称为
声波。 2、声波存在条件: 1)声源: 不断振动的物体。 2)弹性介质:传播振动状态的媒质。
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3、声波的描述
1)物理量的描述: 波长入: 振动在一个周期的时间所传播的距离。
声波波长范围:1.7cm ------17m 频率 f :质点在单位时间作完全振动的次数。人耳所
能感觉到的频率大约在20——20000Hz之间 声速 C: 声波在单位时间所传播的距离。
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■ 声速的大小与介质的物理性质、温度有关。 空气中: C=331+0.6θ m/s
■ 通常室温下空气中的声速为340M/S.
■ 声波、波长和频率之间的关系: ? = c/f C = f ·?
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2)几何描述

声场:有声波存在的空间。

? 波阵面:声波从声源出发,在介质中按一定 方

向传播,在某时刻声波到达空间各点

之包迹面。

形状: 点声源——球面波

线声波——柱面波

面声源——平面波

波阵面

纵波——质点振动方向与声波的传播方向相平行;

横波——质点振动方向与声波的传播方向相垂直;
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声线:自声源发出代表声能传播方向的曲线,代表声 音传播的方向,垂直于波阵面。 仅在均匀、各向同性的介质中,声线是直线。
声线的意义: 声线代表了声传播的方向但不考虑波动性,因此声传 播问题得到了简化,它是一种研究声传播规律的简明 工具。 几何声学: 用声线来研究声传播的声学。
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14

3)、 声波与振动的区别

振动: 声波:

相 同点

不同 点

机械运动

质点平衡位置往返,

能量守恒

机械振动 若干质点,各自平衡位置往返 能量传递

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二、声波的传播特性
1、声的绕射(衍射)(补:惠更斯原理) 1)现象:隔障碍物可听到声音 2)定义:声波在经过障碍物时,其传播方向要发生改
变,能绕过障碍物继续前进的现象。 3)结论:障碍物尺度与声波波长相比足够大,该物体
对声传播才有影响,才能改变声的传播方 向。 特点:声波的频率越小,波长越长绕射的现象越明显。 举例:在建筑中由于声音的绕射造成的危害
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二、声波的传播特性 惠更斯原理: 在任一时刻,波阵面上的各点都可以 看作一个发射于波的新波源,在下一时刻,这些子波的 包迹面就是实际波源在此刻的新的波阵面。
17

18

2、声的反射
1)现象:在较大的障碍物前(如墙等)或封闭空间 中,听见的声音较旷野里大,甚至声源关闭 后,声音较长时间才消失。
2)定义:声波传到两个介质分界面时,部分声波从界 面返回原介质的现象。
3)反射条件: 障碍物—反射板的尺度充分大(大于波 长)。
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4)反射定律 a 反射线、入射线、 法线在同一平面。 b 反射线、入射线 在法线的两侧 c 反射角=入射角
5)典型反射面的应用 平面——镜象反射 凹面——形成声聚焦 凸面——声扩散 (尺度应与入比较)
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特点: 1、反射波就象从声波的映象---
O’发出似的。 O’------O 对称。 2、声线入射角等于反射角。
O i?
O
入射角i等于反射角?

O
反射 O
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3、声的透射 1)现象: 隔墙可以听到声音 2)定义: 声传播过程中,部
分声能被反射、部 分被吸收、部分透 过障碍物继续传播
本课程重点研究它的反面——不透声——隔声
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4、吸声概念
1)声传播的能量分配 Eo=Er+E?+E? 能量守恒
2)反射系数 r= Er/Eo 透射系数 ?= E?/Eo
3)吸声系数 ?= 1- r 概念:从入射声能所在空间考虑,除反射声以外,均不会
引起该空间声场的变化,故认为除去反射声的声能 以外,均视为被围护结构所“吸声”。 定义: ?=( Eo - Er )/ Eo= ( E? + Er )/ Eo 问题:窗洞的吸声系数多少?
吸声系数不等于吸收系数!!!
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5、声的干涉
1)现象 在同一空间中可能出现的随位置的不同声 能分布不均匀,声音从而随位置变大或变 小,甚至声音沉寂的区域。
2)定义:两种频率相同,相位相同或相位差固定的 两列波叠加,在重叠区域某些位置振动加 强,另一些位置声振动减弱的现象。
3)结果:使声场分布极不均匀。
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6、大气的影响 1)声折射 从地表到几十公里的高空,空气的温度与密度随高度而 变化,由于它们的不均匀性,从而大气层中的声速也是 随位置而变化的。由波的传播特性可知,声波将发生向 声速较小的介质层折射。
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问题:在设计露天剧场时可以如何利用此特性?
白天:在太阳的热辐射下,地表很热,空气的温 度随高度增加而逐渐减小,所以在白天地 面附近的空气层中声线向上弯曲,这样在 水平方向上声传播距离减小,听闻不佳。
夜间:地表向空中辐射能量(长波)迅速冷却, 从而空气的温度随高度的增加而增加。从 高空到地面声速随高度减小而减小,声线 向下弯曲。在水平方向上声传播距离增 大,听闻效果好。
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白天气温随高度增加而减小,直到约40Km高空,再向 上由于该层大气强烈吸收紫外线,而气温又上升,因 此在40公里以上高空由于气温的升高,又折向地面— —故出现异常听闻区域。 2)空气的吸收 由于空气分子间存在摩擦和热传导,使一部分声能转 化为热能被消耗,其宏观表现为空气的吸收。
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第一节 总结
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声源:振动的物体

声波的描述

波频 声 声 长率 速 线

声音

声波

振动在弹性介质中传播 声波的传播特性

的声 现波 象波 越长 明越

声 波 的 绕 射

声 波 的 吸 收

声 波 的 反 射

显长

。绕



吸 凹凸平

声 面面面

系 声声反

数 聚扩射

焦散

当声 于波 反的 射波 板长 的应 尺大 寸于 。或

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问题: 1、楼上楼下的住户之间传声,你认为是由
于存在孔洞声音通过绕射现象造成的还 是通过金属管由于金属传声很快造成的。 2、绕射现象会造成哪些危害?与建筑设计 有哪些联系? 3、反射现象会造成哪些危害?又有哪些好 处?与建筑环境设计有哪些联系? 4、每种材料都有吸声的特性,你认为这种特 性在建筑环境设计中会有哪些用途?
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D?D1?D2

第2节 声的计量与人的听觉特性
一、声功率W、声强I、声压P

1、声功率W:声源单位时间内声源向外辐射的声能 (W瓦,??W微瓦),声功率不等于电功率。1W声 功率是最大值。

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2. 声强I: 1)定义:单位时间通过垂直于声传播方向单位
面积的声能量。 2)符号:I 单位:W/m2 3)运算: I=W/S
声强描述了声能在空间的分布。 点声源、自由声场:I=W/(4?r 2 )
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3. 声压

1)定义:

声波存在时压强与无声波时压强间的差值。

p

声波通过时,大气压强的逾量值

符号: Ppa ?P?Po

单位:Pa,帕斯卡

2)特点:标量。 I
ID

? ??

Dp p2 C2 ? ?c c 2

D?D1 ?D2
3)分类(测量)瞬时、峰值、有效值 p2 ?p12?p22
p12 ? p2 ?p22

4)声强与声压的关系: p?

(p12 ? p22) 2

ρC——空气特性阻抗,

ρC=415

3 N.s/m

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5)运算: 由能量相加推导出声压运算规律

加法 减法

I=I1+I2

平均

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二、声功率级、声压级、声强级 1. 级的引入: 1)声压变化数值范围大 2)人耳对声的感觉特性
人对声的感觉量近似与声压值的对数成正比。
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声强的变化范围大约: 1万亿倍 声压的变化范围大约: 1百万倍
用声强、声压 计量很不方便
人耳的感觉变化与声强和声压不成正比例, 而是近似地与他们的对数值成正比。 由此引入了“级”的概念。
级:主观与客观的结合。
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1.声功率级 ?

????????L??W????

10lg

W W0

基准声强 I0=10 –12 W

??

?(dB)?

?

I

2.声强级

LI ? 10lg I0

(dB)?

?
基准声强

I =10 W/m –12

2 P0L?W2??110? l0 g5N WW/0 m2

0

? 3.声压级
?

Pp ? 20lg p p0

?(dB)?

基准声压 I0=2×10 –5 N/m2

?

?

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E、级的运算 实际问题中提出多个声源发声时相关的计量问题, 如70dB与70dB的声叠加问题。
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40

用声压运算 1、分贝相加:
相同相加: 2、分贝平均: 3、分贝相减:

按级的定义推导级的运算法则。
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4、运算特点:
1)不同声压级叠加,总声压级较其中大者的增加值≤3dB。 2)两个声压级间差值≥10dB(15dB)以上,总声压级较大
者的增值≤0.5dB。
实际问题中的意义是:较小声级可忽略不计。即对“干 扰
与不干扰问题。”的判断。 问题: 0分贝与0分贝相叠加,声压级为多少?
声压增加1倍,声压级增加多少分贝?
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声强与声功率的关系 I=W/S W: 声功率 S:波阵面面积 球面波 声强与距离的平方成反比→每倍距离衰减6dB。
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三、响度级、总声级和A声级 1、声音既是一个客观物理量又是一个主观量。
频率相同,强度(声压级)不同——响度不同 强度(声压级)相同,频率不同——响度不同 例:Lp = 40 dB f:1000Hz 响 〉 100Hz 判断:频率不同,声压级(强度)不同的两个
声音其响度一定不同吗?
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2、定义响度级 A、 选定标准声音:
1000Hz(纯音)——Lp=50dB B、f1(2000Hz)(待测)——Lp=48dB
f2(100Hz) (待测)——Lp=59dB 他们的响度级都是: 50方
定义:某频率声音的响度级等于根据听力正 常的听音的听音判断为等响的1KHz 纯音的声压级。
单位: 方 1KHz的声压级为响度级
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3、等响曲线

1)现象:人耳对不同频率的声音,同频率声压级强

度不同的声音均有不同的感觉。这说明

“耳”的主观性极大。

测定:

a 对象 18~25岁大量听力正常的青年

b 环境 声学消声室

c 方法

①听音者对声源,用两耳同时听,比较试听声音

与1KHz的对照声,调节试听声与1KHZ的对照 声,调节试听声使二者“等响”。然后测量听



不在时,其耳朵所在位 置2种声音的声压级,

取得一个等响点。

46

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②每个听者对若干频率和各声压级重复多次确定。 ③大量听者重复多次,然后统计平均。 d 将等响点连接就得到等响曲线。 2)定义:听者认为响度相同纯音的声压级与频率间关
系曲线。 3)意义:利用等响曲线可以判断不同频率的声音,在
“响”这个特征上的差别。
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从等响曲线上能总结出何种规律?
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特点: a、 人耳对低频声较为迟钝,对高频声较为敏 感。 b、 低响度级曲线上,相应的各频率声压级变化 较大。高响度级曲线上,相应各频率的Lp差 别小,曲线较平直。 c、 响度级差10方,能量不一定差10倍,低频声 更明显。

50

d 、可听阈不在1KHz 0dB处,经准确测量— —平均 听阈 1KHz是4.2dB处。即4.2方曲 线为可听阈曲线。
e、 人耳对低频声的变化敏感。
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4、 总声级
1)、复合声评价 a 对各种复合声应有反映“人”主观感觉响度的 大
小,量度方法。 b 由等响曲线知不同频率的纯音对人耳刺激量的
贡献不同,而且在高声级与低声级时有差异。 高声压级时——不同f对响度的贡献相近 低声压级时——不同f对响度的贡献差异大 因此 既要考虑声压级大小,也要考虑f。
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2)总声级——复合声所有频率的声音的总响度级 计量(每个频率的声音响度级按一 定的规律相加)
声级计——响度级计量仪器 (1)线性声级(线性网络或总声压级):
对任何频率的声音均无衰减,是各个频率 声压级的迭加总和,基本上是一客观的物 理量。
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5.A声级
(1)A声级(A计权网络):在各个频率的声 压级进行迭加时对500Hz以下的声音作了 较大衰减后进行迭 加,衰减比例参考了 40 方的等响曲线(倒立形状),这符合人 耳的听觉特性,与人耳所感觉的响度相近 似,对人有影响的噪音测量用A声级。
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55

(2)B声级(B计权网络):模拟70方等响曲 线倒立形状,对低频段500Hz以下的声音 有一定的衰减。
(3)C网络:摸拟85方以上的等响曲线倒立后 的形状,整个频率衰减不多,接近线形。
(4)D声级:它主要用于测量航空噪音。
56

经过50多年,特别是近20年来的实践, 认为三段划分的意义不大,公认A计权 表达复合声最合适,与人的感觉更符合, 因 此,各种声音的评价中使用A声级
57

例: 测的31.5~16KHz10个倍频带声压级均为80dB, 求总声压级与A声级
解: 1)总声压级(线性声压级) Lp=80dB+10lg10=90dB
58

2)A声级 先求计权,后求各频带的有效值
31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K -39.4 -26.2 -16.1 -8.6 -3.2 0 1.2 1.0 -1.1 -6.6 40.6 53.8 63.9 71.4 76.8 80 81.2 81 78.9 73.4
按照迭加公式,得 87.2dB 声级迭加中注意 当仅为2个迭加,其中一个较小10dB以上 可忽略 较小10dB的声级有多个时,则视情况而定。
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四、声源的指向性
当声源尺寸L和声波波长之间的关系为: 1、L《入时:
无方向性,声源可看作点声源,球面波。 2、L ? 入时:
有方向性,声源已不是点声源。 L比入大得越多,指向性越强。
频率越高、波长越短,方向性越强; 频率越低、波长越长,方向性越差。
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五、 频谱
1、问题的提出 1)音质设计中要控制厅堂对不同频率的反应。 2)噪声控制中需分析其声级的部分相应频率以便有针
对地进行处理。 2、纯音与复合声
纯音:单一频率的声音,又称单频声 复合声:若干纯音的组合。
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3、频谱的表示
1)定义:组成复合声的所有频率或频带声压级表示 为频率的函数分布图形或列表。
2)种类: 线状谱:若干纯音组成(乐音) 连续谱:由所有频率的声音组成。
3)乐音组成: 基频:复合声中最低的频率,又称主频 分音:复合声中除基频以外的其他纯音 谐音:频率为基频整数倍的分音。
62

63

64

4、频谱的表示
线谱表示:用每一个分音的频率和与之对应的 声压级表示
问题:对于连续谱,要象线谱那样分成若干分,你 首先会想到用什么方法划分?
连续谱表示:用每一倍频程和与之对应的声压级表示
1倍频程:两频率之比为2:1的频带。 fu / fl =2, fn / fx = 2n , fc = (fu . Fl)1/2 , n = log 2 ( fn / fx)
fc为中心频率,常用它代表该倍频带 。 65

1/3倍频程: n=1/3时:
称两频率相距1个1/3倍频程 n=K·1/3称为K个1/3倍频程 显然3×1/3=1,则3个1/3倍频程=1个倍频程 的距离。
66

2)倍频程意义 倍频程,1/3倍频程均仅表示频率划分时两个频率 之间的距离。显然1/3倍频程较倍频程细。
3)倍频带,1/3倍频带 1倍频程或1/3倍频程所包含的所有频率带 当f上,f下满足1倍频程时为1倍频带 当f上,f下满足1/3倍频程时为1/3倍频带 其中心频率f中2=f上·f下
67

4)倍频带划分标准
倍频带、1/3倍频带及其中心频率划分采用ISO所 规定的标准。 音质设计主要研究范围 一般: 125 250 500 1K 2K 4K
六个倍频带 音乐:63 125 250 500 1K 2K 4K 8K
八个倍频带 实验室精细研究: 125 ~ 4K 18个1/3倍频带 63 ~ 8K 24个1/3倍频带
68

69

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声音的频谱特性
1、线谱
2、连续谱
频谱的划分——倍频程 音质设计主要研究范围:
一般: 125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带
音乐:63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 八个倍频带
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作 业: 1、在声音的物理计量中采用“级”,有什么使用意义? 2、某居住区与工厂相邻。该工厂10台同样机器运转时的噪
声级为54dB,如果夜间的噪声允许值为50dB,问夜间只 能有几台机器同时运转? 3、绕射(或衍射)和反射与频率有关吗?有什么关系? 这些现象对我们的建筑环境有影响吗?
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六、音调和音色
声音的三要素 1)响度 听觉判断声音强弱的属性
响度反映了由声音入射到鼓膜,听音所获 得的感觉量, 它主要依赖于引起听觉的声压和频率 2)音调 听觉判断声音高低的属性。 音调由该复合声的基频所决定,另外其强 度,波形,时间长短也有一定影响。
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3)音色:人在声觉上区别具有同样响度和音调的两个 声音所以不同的特性。主要由刺激的频谱决 定,由谐波的多少、成分等有关。
74

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七、时差效应(哈斯效应)

声源

直达声

反射声

1. 反射声——直达声时间差< 50毫秒 人耳分辨不出是不同的声音, 后面的声音是前一个声音的连续, 人们能感到的仅是音色和响度的变化
2. 反射声——直达声时间差> 50毫秒 人耳可能听出两个声音——可能形 成回声。
76

八、双耳听闻效应

根据两只耳朵听到的 声音强度差、 到达 的时间差 相位差

可以判断声源的 方向、
确定其位置。

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特点:双耳分辨能力: 左右水平方向远大于上下垂直方向 通常可辨别: 水平方向500——1500的变化, 垂直方向有时要达到660才能分辨。
问题:由于双耳听闻效应可能会导致扬声器 和发 声者之间产生声源异位现象。
应用:厅堂中扬声器的布置方式
78

九、掩蔽作用
掩蔽效应——人耳对一个声音的听觉灵敏 度因另一个声音的存在而降低的现象。 掩蔽特点: 1、掩蔽声和被掩蔽声的频率相近时,掩蔽量 最大; 2、掩蔽量的声压级越大掩蔽量也越大,对高 频声的掩蔽越显著; 3、低频声对高频声的掩蔽作用大,高频声对 低频声的掩蔽作用较小。
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噪声对人干扰的因素: 1、声压级或声级,强度大干扰大; 2、声音的持续时间,持续时间长干扰大; 3、声音的变化情况,变化大干扰大; 4、复合声的频谱成分,低频噪音的干扰比声级
相等的高频声小。可以清楚辨别的峰值超过 平均噪音级10分贝左右的噪音,使人感到特 别刺耳。
80

作业1:要加强声源的指向性,可如何处理声 源?
作业2:由于方位感特性,在厅堂中布置扬声 器
时,可能会 出现什么问题,应如何避 免,扬声器布在什么方向比较合适? 作业3:预习下一章室内声学原理,并写出预 习报告
81

Thank you


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