[物理]01声学基本知识

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第,2,篇建筑声学,第章建筑声学基本知识,一、声音的产生与传播,（一）声波与振动,声音来源于物体的振动。,(,弹性介质的振动,),振动的物体是声源。,声源在空气中振动时，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播开来，当传到人耳时，引起耳膜产生振动，最后通过听觉神经产生声音感觉。,声音是以波的形式来传播的。,声音在空气中传播时，传播的只是振动的能量，空气质点并不会传到远处去。,在空气中传播的声波属于纵波。,（一）声波与振动,介质：,固体、液体、气体,声音的基本物理量,周期（,T,）：质点每完成一次振动所需的时间。单位,s,。,波长 ：声波在一个振动周期内传播的距离。单位,m,。,频率,f,：质点每秒钟振动的次数，单位,Hz(,赫兹）,声速,c,：声波在某一介质中,传播的速度。单位,m/s,。,在,0 ,时，,C,钢,=5000m/s,C,水,=1450m/s,在,15 ,时，,C,空气,=340m/s,（二）波阵面,声波从声源出发，在同一个介质中按一定的方向传播，在某一时刻，波动所到达的空间各点的包迹面称为“波阵面”。,波阵面为平面的波叫平面波。,波阵面为球面的波叫球面波。,点声源：尺寸比波长小很多,线声源,面声源,声线：表示声音传播,方向的射线,听觉范围,最高最低频率可听极限,一般地，青少年,20,20000Hz,中年,30,15000Hz,老年,100,10000Hz,。,次声波 可闻声 超声波,最大可听极限,人耳有一定的适应性，常人上限为,120dB,经常噪声暴露的人有可能达到,135,140dB,。痛阈,最小可辩阈,一般是,1dB,。,（三）声波的反射、折射、衍射和扩散,1,、,声波的反射,当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被,反射,。类似于光在镜子上的反射。,反射的规则：,1,）入射线、反射线法线在同一侧。,2,）入射线和反射线分别在法线两侧。,3,）入射角等于反射角。,平面的反射,曲面的反射,（,三,）声波的反射、折射、衍射和扩散,2,、,声波的衍射,声波在传播过程中遇到障碍物或孔洞的尺寸比波长小时，声波将绕过它们，这种现象叫,衍射,。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关，与原来的波形无关。,只闻其声不见其人、隔墙有耳,（三）声波的反射、折射、衍射和扩散,3,、,声波的折射,温度的影响（空气密度的影响）,（三）声波的反射、折射、衍射和扩散,4,、,声波的扩散：可促进声音在空间均匀分布。,表面凸出部分的,尺寸，最小需达到,入射波长的,1/7,，才,能起扩散作用。,（四）声波的透射与吸收,根据能量守恒定律，则有如下关系：,1,、,反射系数,2,、,透射系数,（四）声波的透射与吸收,3,、,吸声系数,把 值小的材料称为“隔声材料”，把 值小的称“吸声材料”,。,广义讲非反射部分均视作被吸收了,= 1 r ( r,为反射系数,) = 1 ,（,E,r,/ E,0,）,。,包含了透射的部分，则材料吸声系数,应为,:,= (,E,+,E,),/ E,0,理论上，,的变化从,0,（无声能被吸收）到,1.0(,所有入射声完全被吸收,),。,%,反射,%,吸收和透射,吸声系数,开窗,5cm,玻璃棉,24cm,砖墙,4,、吸声量,A,一个表面的吸声量,A,等于材料面积乘上它的吸声系数，单位为平方米（,m,2,）,，又称,等效吸声面积,。,开 窗,5cm,玻璃棉,24cm,砖墙,吸声系数,材料面积,S ( m,2,) 100 m,2,100 m,2,100 m,2,吸声量,A =S 100 m,2,80 m,2,2 m,2,( m,2,吸声单位,),如房间内具有下列三种材料的总吸声量，可由下表得出：,材料 面积,(m,2,),吸声系数,吸声量,A (m,2,),开窗,4 1.0 4,m,2,5cm,玻璃棉,m,2,24cm,砖墙,m,2,-,总吸声量,A m,2,5.,隔声量,R,( = 10,- R/10,),构件,(,墙、楼板,),的隔声量,R,随入射声波频率,f,而异,吸声、隔声的区别,这是两个概念，不可混淆。,声波入射到一个表面后，其不反射的声能部分（不论其去向），均视为吸声。这是指声源同一空间而言。,隔声则指两个空间由于中间隔断所引起的声阻挡作用，或称“透射损失”。,良好的吸声未必为良好的隔声，反之亦然。,（五）声功率、声强、声压和分贝,声功率,w,：单位时间内声源发出的声能，瓦（,w,）。,声强,I,：单位面积波阵面上通过的声功率，,W/m,2,。,平面波的声强；球面波的声强。,声压,p,：空气质点由于声波的作用而产生振动时所引起的大,气压起伏。单位：帕（,1Pa= 1N/m,2,）,瞬时声压；有效声压,声强与声压的关系：,2,听阈：,人耳刚能感觉到的声音。,不同频率声音的听阈不同。,1000Hz,，听阈声压,P,0,=210,-5,Pa,，称为,基准声压；,声强,I,0,=,110,-12,W /m,2,，称为,基准声强；,声功率,W,0,=110,-12,W,，称为,基准声功率。,痛阈：,使人产生疼痛感的上限声音。,1000,Hz,声音的,痛阈声压,为,20,Pa,，试推导：,痛阈声强,痛阈声功率,（五）声功率、声强、声压和分贝,用以计量声音强弱的物理量。常用对数方式分级描述。,分贝,：声音计量单位（,dB,）。,声强级：,声压级：,声功率级：,细声交谈：50dB,铃： 65dB,风 钻： 95dB,喷气飞机：120dB,（五）声功率、声强、声压和分贝,声音的叠加,1,、点声源的声功率和声强：,声音球面扩散,声强可以直接叠加：,总声压：,声压相等的两个声源的,总声压级,：,两个数值相等的声压级叠加，,总声压级比单个的声压级增加,3dB,。,多个声压级不同的声音叠加，总声压级的计算（,P80,表,4-4,）,2,2,2,例,1,、已知某车间总声压级是,100,分贝，当某设备停运后背景噪音的声压级是,93,分贝，求该设备在运行时的声压级是多少？,解：二者声压级差为,7,分贝，查表可知须在总声压级上减,1,分贝，即该设备运行时的声压级为,99,分贝。,（六）人耳的主观听觉特性,1.,响度,（主观感觉）,响度是人们听觉判断声音强弱的属性。响度主要决定于引起听觉的声压，但是也和声音的频率和波形有关。,在建筑中为了有效处理噪音问题，只是,1,2dB,的改进不可能有明显的降噪效果。,（六）人耳的主观听觉特性,2,、,响度级、声级计、,A,声级,分贝是个客观的量，没有和人耳的主观感觉联系起来，因此，用来表达声音怎样响亮的标度，我们称之为,响度级,(,响度的量化,),。,响度级的单位,为,“方（,Phon,）”,。,听阈：,0,方,痛阈：,120,方,响度级和响度成,近线性关系。,（六）人耳的主观听觉特性,2,、,响度级、声级计、,A,声级,声级计,对于复合声音，不能用纯音的等响曲线来描述其响度。需通过测量或计算求得。,通常,测量工具,为,声级计,声级计的读数称为 “,声级,”，单位“,dB,”,。,A,声级,A,计权网络,测得值称为“,A,声级”，记作“,L,A,”,。（,40,方）,B,计权网络,介于二者之间。（,70,方）,C,计权网络,测得值代表总声级，记作“,L,C,”,。（,85,方）,（六）人耳的主观听觉特性,3,、听觉定位,人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。,人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对,时间差,和,强度差,进行判断。（有声源发出的声波到达两耳可以产生时间差和强度差）,人耳的水平方向感要强于竖直方向感。,（六）人耳的主观听觉特性,4,、哈斯效应,当两个强度相等而其中一个经过延迟的声音同时到聆听者耳中时，,如果延迟在,30ms,以内，听觉上将感到声音好像只来自未延迟的声源，并不感到经延迟的声源存在。,当延迟时间超过,30ms,而未达到,50ms,时，则听觉上可以识别出已延迟的声源存在，但仍感到声音来自未经延迟的声源。,只有当延迟时间超过,50ms,以后，听觉上才感到延迟声成为一个清晰的回声。,这种现象称为哈斯效应，有时也称为时差效应。,5,、掩蔽效应,人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。,一个声音高于另一个声音,10dB,掩蔽效应就很小。,低频声对高频声的掩蔽作用大,。,（七）频谱、音乐和噪音,1.,频谱：声音频率与能量的关系用频谱表示。这,种以频率范围为横坐标与其相应的声压级为纵坐标所组成的图形成为,声源的频谱图,。,音乐与普通声响的区别,音乐,为非连续频谱，只含,有基频和谐频，谐频是基频,的整数倍。,普通声响,频谱一般为连续,的频谱，无上述特征。,人耳可以听见范围为,2020000Hz,（七）频谱、音乐和噪音,2.,音调和音色（音质）,声音三要素：强弱、音调、音色。,音调主要由声音的频率决定。频率越高音调越高；频率越低音调越低。频率增加一倍，声学中称为增加一个“,倍频程,”，音乐上叫“提高一个八度,”,。,单一频率的声音称为,纯音,。,3.,音乐,乐器声常包含许多频率的声音，频率最低的声音称为,基音,，该频率称为,基频,；另一些则称为,谐音,，其频率都是基频的整数倍，称为,谐频,。谐音的音量一般比基音的弱。,音乐声（乐音）只含有基频和谐频，其频谱是,线状谱,。,4.,噪音,频率结构更复杂的声音。大多是,连续谱。,（七）频谱、音乐和噪音,倍频程：,每个频带范围的上限频率是下限频率的两倍。用倍频带测量可以获得有关声源的足够信息。,1/3,倍频程：,一个倍频程中插入两个频率，使它们之间比例为,1,:,2,1/3,:,2,2/3,:,2,。（见,P83,表,4-6,）,（八）声音在户外的传播,1,、点声源随距离的衰减：,与声源的距离每增加,1,倍，声压级降低,6dB,。,2,、线声源随距离的衰减：,与有限长线声源的距离每增加,1,倍，声压级降低,6dB,；,与无限长线声源的距离每增加,1,倍，声压级降低,3dB,。,3,、面声源随距离的衰减：,无变化或声压级降低,36dB,。,例,2,、在户外距离歌手,10m,远处听到演唱的声压级为,86dB,，在距离为,80m,远处听到的声压级为多少？,解：与声源的距离每增加,1,倍，声压级降低,6dB,。所以可知声压级为,68,分贝。,（九）室内声场的变化过程,1.,声波在室内的反射,见,P85,图,4-4,、图,4-5,2.,室内声场的形成及变化,室内声场由三部分构成：直达声、近次反射声（,50ms,内）、混响声。,室内声音的变化过程：增长过程、稳态过程、混响过程。,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,1,、,混响时间,声源停止发生后，室内的声能立即开始衰减，声音自稳态声压衰减,60dB,所经过的时间。,赛宾公式,A:,房间的总吸声量，,V:,房间的容积。,适用于平均吸声系数时。,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,1,、,混响时间,伊林公式,（,P87,）,比赛宾公式更接近实际情况。,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,1,、,混响时间,混响声和回声的异同点,都是反射的产物。,混响声的反射时间短，回声的反射时间长。,回声比混响声听得清楚。,混响声阻碍语言声音清晰度，但是有助音乐的和谐。,回声与原声听起来就是两个声音了。,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,2,、,稳态声压级,离声源不同距离处的声压级：,2,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,3,、,驻波,具有相同频率，相同相位的二个波相遇叠加时，在波重叠的区域内某些点处，振动始终彼此加强，而在另一些位置，振动始终相互削弱或低消的现象，此叠加后产生的波称为“驻波”。,（十）混响时间、稳态声压级、驻波和房间共振,3,、,驻波,房间共振,防止原则：使共振频率分布尽可能均匀。,选择合适的房间尺寸、比例和形状；,将房间的墙或天花板做成不规则形状；,将吸声材料不规则的分布在房间的界面上。,房间共振频率,2,2,2,L,x,、,L,y,、,L,z,分别为房间的三个边长。,本章重点：,1,、声音的叠加计算；,2,、混响时间计算；,3,、人耳的听觉特征。,1,、当声音达到稳态后，如果声源停止发声，室内接收点上的声音并不马上消失，而是有一个逐渐衰减的过程。在这个过程中（ ）。,A.,直达声首先消失,B.,反射声首先消失,C.,直达声继续下去,D.,反射声继续下去,2,、声波在室内传播遇到不同形状表面后会出现哪些现象？,答：声音遇到光滑表面会产生声反射，遇到不同介质的分界面会产生声折射，遇到障壁或建筑构件会产生声衍射，遇到大于入射波长,1/7,的凸形界面会产生声扩散。,思考题：,1.,已知下列各种声源的功率，以及基准功率,W,0,=110,-12,W,，求各声源的声功率级。,（,1,）,200W,（锅炉）,（,2,）,12W,（交响乐队）,（,3,）（响的扬声器）,（,4,）（响的嗓音）,2.,某工厂内装有,10,台同样的风机，当只有,1,台风机运转时，室内平均噪声声压级是,55dB,。当有,2,台、,4,台及,10,台同时开启时，室内平均噪声声压级各为多少？,3.,某居住区与工厂相邻。该工厂,10,台同样的机器运转时的噪声声压级为,54dB,。如果夜间的噪声级允许值为,50dB,，问夜间只能有几台机器同时运转？,