第2章 室内声学原理1-4

1、第第2章章 室内声学原理室内声学原理 2.1 室内声场 2.2 室内稳态声压级计算 2.3 混响时间计算混响时间计算 2.4 房间共振房间共振 一、声音在室内、外的传播 二、声波在室内的反射与几何声学 2.1 室内声场 1、随与声源距离的增加，声能发生衰减。 1)无地面反射： 2)存在地面反射： 一、声音在室内、外的传播 （一）声音在室外的传播 11lg20rLL WP 2 4 r W I 8lg20rLL WP 2 2 r W I 点声源 【例】：在户外距离歌手10m处听到演唱的声压级为 86dB，在距离80m处的声压级为多少？ 解：室外声场自由声场；点声源，距离增加一倍， 减少6dB； 1

2、0m 86 20m 86-6=80 40m 80-6=74 80m74-6=68dB 2、特点：距离增加一倍，声压级减少6dB （二）声波在室内的传播 与室外情况不同，形成与室外情况不同，形成“复杂声场复杂声场”。 1、距声源同样的距离，室内比室外响些室内比室外响些。 2、室内声源停止发声后，声音不会马上消失，会有一个交混 回响过程。 3、房间较大，且表面形状变化复杂，会形成回声和声场分布 不均，有时出现声聚焦现象。 以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或扩射。以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或扩射。 （三）室内声学建筑声学 室内声学可采用几何声学、统计声学和波动声学几何声

3、学、统计声学和波动声学的理论 加以分析。 对建筑师而言，可少些关心复杂的理论分析和数学推 导，重要在于弄清楚一些声学基本原理，掌握一些必要的解 决实际问题的方法和计算公式。 1. 几何声学：声线法（虚声源法） 主要考虑声音的反射，特别是一、二次反 射。重点考虑 2. 波动声学： 利用声音的波动性解释一些声学现象，如声衍射 （绕射）、驻波。 3. 统计声学： 从能量角度分析室内声音的状况，增长、稳态和 衰减三个过程。 （一）声音在室内反射（一）声音在室内反射 声源在室内发声时，声波由声源到各接收点形成 复杂的声场。三个部分组成 （1）直达声：声源直接到达接收点的声音，不受室内 界面影响，遵循距离

4、平方反比定律。 （2）早期反射声：一般是指直达声到达后，相对延迟 时间50ms（音乐声可放宽到80ms）内到达的反射声， 对直达声起加强作用。前次反射声 二、声波在室内的反射与几何声学二、声波在室内的反射与几何声学 （3）混响声： 早期反射声后陆续到达，经多次反射后的声音。 有些场合直达声外到达的反射声统称为混响声。 比较 混响声与回声 混响声：有益反 射声 回声：强、短延时、 有害反射声 声音在房间内的反射 （二）室内声音反射的几种情况与几何声学 利用几何作图的方法主要研究一次或二次反射声 分布情况。 几何声学声线法研究声波在空间的传播 注意2点： 1）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸比声音

5、的波长 大得多。适合中、高频。 如：63125Hz低频声，相应的波长为5.42.7m，在一个 各个表面尺寸均小于声波波长的小房间，反射定律不适 用。通常大房间可用几何声学研究通常大房间可用几何声学研究 2）仅考虑反射，忽略波动性。 2.2 室内稳态声压级计算公式及混响半径室内稳态声压级计算公式及混响半径 一、一、 室内声音的增长、稳态和衰减室内声音的增长、稳态和衰减统计声学统计声学 从能量角度，考虑室内声源开始发声、持续发声、停止 等情况下声音形成和消失的过程。 当声功率级为Lw的点声源在室内连续发声，声场 达到稳态时，距声源为r米的某一点的稳态声压级，可 看作由直达声和混响声直达声和混响声两

6、部分组成。 直达声强度与距离直达声强度与距离r的平方成反比，而混响声强度的平方成反比，而混响声强度 则主要取决于室内吸声情况。则主要取决于室内吸声情况。 二、稳态声压级计算公式二、稳态声压级计算公式 1、计算公式： 当室内声源声功率一定时，稳态时，室内距离为r的某点稳 态声压级计算公式： 公式应用前提： 1）点声源 2）连续发声 3）声场分布均匀 指向性因数：Q Q=1（房间中心自由空间）； 2（壁面中心半自由空间）； 4（两壁面交线1/4自由空间）； 8（角落上1/8自由空间） 1 S R R：房间常数 由直达声场和 混响声场组成 3、意义： 通过计算室内声压级，可预测所大厅内能否能达到 满

7、意的声压级及声场分布是否均匀，如果采用电声系统， 还可计算扬声器所需功率。 4、应用 （1）求指定位置LP ； （2）保证指定位置LP ，求W； （3） 吸声降噪的理论依据吸声降噪的理论依据。 120 4 4 lg10lg10 2 Rr Q WL p R 变形式 【例题】 某观众厅体积为20000m，室内总表面积为 6527m。已知500Hz的平均吸声系数为0.232，演员声功率 为340微瓦。在舞台上发声，求距声源39m处（观众席最后 一排座位）的声压级。 解： 求得： 而一般要求 基本满足要求，不需电声设备。 2 1890 232. 01 232. 06257 1 m S R 120 4

8、4 lg10lg10 2 Rr Q WLp 2 6257mS mr39 WW 6 10340 dBLP8 .58 1Q dBLP60 三、混响半径三、混响半径rc 1、当r较小（靠近声源），直达声大于混响声，以直达声场为 主随着距离r的增大，混响声作用逐渐加强 2、当r较大（远离声源），直达声小于混响声，以混响声场为 主声压级大小主要决定于室内吸声量大小，与距离无关 3、直达声与混响声作用相等处距声源距离称 “混响半径”rc 。 Rr Q4 4 2 讨论稳态声压级计算公式3种情况 引入混响半径 4、意义 降低室内噪声时： 1）若接收点在rc 之内，由于接收到的主要是直达声， 用增加房间吸声量的

9、方法没有效果； 2）如果接收点在rc 之外，即远离声源，接收到的主 要是反射声，用增加房间吸声量的方法能明显降噪。 QRrc14. 0 吸声降 噪依据 【例题】位于房间中部一个无方向性声源在频率500Hz的声功率级 为105dB，房间总表面积为400m2，对频率为500Hz声音的平均 吸声系数为0.1。求： （1）在与声源距离3m处的声压级？ （2）混响半径是多少？ 解 （1）该声源的指向性因数Q=1，将各已知数据带入公式， 得： （2）由公式 ) 4 4 lg(10 2 R r Q LL wP dB LP 95 )09. 00088. 0lg(10105 ) ) 1 . 01/(1 . 04

10、00 4 34 1 lg(10105 2 R r Q c 4 4 2 m r rc c 94. 0885. 0 9 . 0/1 . 0400 4 4 1 2 2.3 混响时间的计算公式混响时间的计算公式 一、混响过程： 声源在室内发声后，由于界面反射与吸收的作用，使室内声 场经历逐渐增长稳态； 若声源停止发声，声音不会立即消失，而要经历逐渐衰减的 过程混响过程。 二、混响时间 Reverberation TimeRT 1、定义：可从两方面、定义：可从两方面 （1）室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级）室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级 将按线性规律衰减。衰减将按线性规

11、律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间所经历的时间叫混响时间T60， 单位单位s。 （2）声能密度衰减到原来的百万分之一所经历的时间叫混响 时间T60。 音质设计中，用混响时间作为控制室内 混响过程长短的定量指标。 混响时间长，将增加音质丰满度，但过长，会影响听音清 晰度。 混响时间短，有利于清晰度，但过短，会使声音显得 干。根据厅堂用途来选择合适混响时间 专业英语关于混响时间的定义： The time it takes for an initial sound to fade out is called reverberation time。 2、计算公式 （1）赛宾公式 A V T 1

12、61. 0 60 美国物理学家，发现混响时间近似与房间体 积成正比，与总吸声量成反比，并提出计算公式。 讨论：T60V，T601/A 当趋近于1时，T600.161V=C（常数） 而实际物理过程，趋近于1时，T60=0 适用于平均适用于平均0.2，规划阶段使用规划阶段使用 SSS SSS n nn 21 2211 T60 混响时间（s）； V 房间容积（m3）； A 房间总吸声量（m2）； 房间平均吸声系数； S1 、S2 Sn 室内各界面不同材料的表面积（m2）； 1 、2 n 不同材料的吸声系数（m2）。 赛宾公式 观众吸声： A观=nAj单个座椅吸声 （2）伊林公式）伊林公式 )1ln(

13、 161. 0 60 s V T 讨论： 当 趋近于1时，ln（1 ）趋向于，使T60 趋向 于零， 与实际物理过程相符，故 无限制适用 于方案设计阶段。 仅考虑室内吸声 mVs V T 4)1ln( 161. 0 60 （3）改进的伊林公式适用于施工图阶段适用于施工图阶段 4m：空气吸收系数 相对湿 度 倍频程中心频率（Hz） 5001k2k4k 600.00250.00440.00850.0234 计算RT时，频率一般取125、250、500、1k、2k、4k 六个倍频程 考虑空气吸声 3、混响时间计算的局限性 1）室内条件与假设条件并不完全一致。 （1）室内吸声分布不均匀； （2）室内形

14、状，高宽比例过大 ； 造成声场分布 不均匀，扩散不完全。 以扩散声场为假设条件： 1）声能密度在室内均匀分布。即在室内各点上，声能密度处处 相等； 2）室内任一点，来自各个方向声强都相同。 2）计算用材料吸声系数与实际情况有误差，一般误差 在10%15%。 混响室模拟扩散声场的实验室 4、计算RT的意义： 1）“控制性”地指导材料的选择与布置； 2）预测建筑室内的声学效果； 3）分析现有的音质问题。 【例题】：据测定，某大厅内稳态声场衰 减35d所经历时间为1.0s，根据混响时间定义， 可知该厅混响时间为多少秒？ 解：/35T6060 T601.7s 2.4 房间共振房间共振 引入：引入： 音

15、乐学院琴房音乐学院琴房 不规则形状不规则形状 录播音室 不规则平面 无法用几何声学解释波动声学波动声学 什么样的房间出现共振现象 一、共振一、共振 1、定义：当某一频率与房间本身固有频率（共振频率或简 正频率）相等时，该频率处发生共振现象振动加强振动加强 2、驻波：干涉（干涉（由两列同频率、同振幅的声波相向传播叠 加）同一直线入射波、反射波相向传播入射波、反射波相向传播，入射波、反射 波叠加后形成的波 驻波形成 竖线处，振幅为零零波节波节 两波节间中点处，振幅达最最 大大波腹波腹 振动加强振动加强共振共振 固定的波腹与波节 驻波 两平行墙面间产生共振 相距为L的两平行墙面间产生驻波的条件：L=

16、n/2 切向振动 斜向振动 轴向振动 矩形房间 共振 只要nx 、ny 、 nz不全为零，就对应一组振动方式。一个 房间有无限个共振频率；其值与房间几何尺寸有关。 计算尺寸为7m7m 7m的矩形房间的十个最低共振 频率： 矩形房间产生一维、二维、三维空间上 的驻波共振 共振频率相同共振频率相同 共振频率相同 1、简并简并现象 不同共振方式的共振频率相同时，共振频率出现重叠重叠 （不均匀或分布集中）。 2、声染色 简并出现时，共振频率声音被大大加强共振频率声音被大大加强，形成频率特性失 真，低频低频会产生翁声，频率畸变“声染色”。 小房间：录音室、播音室。小房间：录音室、播音室。 二、共振频率的简并 矩形小房间小房间正方体正方体声学最不利最易出现简并现象 低频声染色 共振频率分布特点： 房间越大，个数越多，易均匀； 房间越小