室内声学基础

1、第五章 室内(sh ni)声学基础共五十七页声音(shngyn)的吸收和反射扩声过程(guchng)很多情况下是发生在室内环境的，而房间会对声音产生影响在处理封闭空间的声性能是，必须对声波每次撞击到房间界面或房内物体时损失的能量进行估计当声音撞击到房间边界这样的大表面时，其能量一部分被反射，一部分被吸收，一部分穿过边界继续传播共五十七页反射： 对于平面波符合反射定律(fn sh dn l)，对于曲面则有声音扩散和聚焦现象。声音(shngyn)的吸收和反射厅堂中各方面的尺度应比入射波的波长大几倍或几十倍。声波所遇到的反射面、障碍物的尺寸要大于波长。共五十七页用吸声系数来计算声波每次撞击所引起的能

2、量损耗 含义：声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量（入射）的比例。标称的吸声系数是针对多个不同的频段给出的，一般每个频段为1个倍频程宽度，中心频率为125Hz，250Hz，500Hz，1kHz注意：一般所给的吸声系数是声波所有可能入射角的平均系数同一(tngy)吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同=(E总-E反）/ E总共五十七页通常用平均(pngjn)吸声系数来表示封闭空间的吸声情况例：某房间总表面积1000m2,200m2的吸声(x shn)系数为0.8,800m2的吸声系数为0.1,则平均吸声系数？共五十七页在某些(mu xi)特定频率和入射角下，0.2的吸声系数意味着有20%

3、的声波被吸收掉，而有80%的剩余声能被反射。10lg0.8=-0.97dB表示(biosh)由于吸声，声能衰减了0.97dB共五十七页常见(chn jin)的吸声材料吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。 吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面(biomin)处理制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。 在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。共五十七页多孔吸声材料纤维状颗粒状泡沫状共振吸声结构单个共振器穿孔板共振吸

4、声结构薄膜共振吸声结构薄板共振吸声结构特殊吸声结构空间吸声体吸声尖劈共五十七页多孔材料吸声的必要条件是 ：材料有大量空隙(kngx)，空隙(kngx)之间互相连通，孔隙深入材料内部。多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。 当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声多孔吸声(x shn)结构共五十七页错误认识一：表面粗糙的材料，如拉毛水泥等，具有(jyu)良好的吸声性能。 错误认识二：内部存在大量孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。共五十七页岩棉岩棉：天然岩石

5、及矿物等为原料制成的蓬松(pn sn)状短细纤维玻璃棉：熔融玻璃纤维化,形成棉状的材料,化学成分属玻璃(b l)类,是一种无机质纤维矿棉：冶金矿渣或粉煤灰为主要原料者称矿渣棉共五十七页共振(gngzhn)吸声结构单个共振器空腔(kn qin)共振吸收-亥姆霍兹共振器。当入射声波的频率和这个系统的固有频率一致时，共振器孔颈处的空气柱就激烈振动，孔颈部分的空气与颈壁摩擦阻尼，将声能转变为热能共五十七页共振吸声(x shn)结构穿孔(chunkng)板共振吸收结构在打孔的薄板后面设置一定深度的密闭空腔，组成穿孔板吸声结构，相当于单个共振器的并联组合。当入射声波频率和这一系统的固有频率一致时，穿孔部分

6、的空气就激烈振动，加强了吸收效应，出现吸收峰，使声能衰减。共五十七页共五十七页共振吸声(x shn)结构薄膜、薄板共振吸声(x shn)结构薄膜吸声结构：皮革、人造革、塑料薄膜于其背后封闭的空气层形成的共振系统。对中频（3001000Hz)有较好的吸收。薄板吸声结构：石膏板、胶合板、硬质纤维板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层构成振动系统。对低频（80-300Hz）有较好的吸收。共五十七页共五十七页特殊吸声结构空间吸声体。 尖劈强吸声结构（声阻逐渐加大）。吸声尖劈的吸声原理为当声波从尖端入射时，由于吸声层的逐渐过渡性质，材料的声阻抗与空气的声阻抗能较好地匹配(ppi)，使声波传入吸声

7、体，并被高效地吸收。共五十七页共五十七页大部分吸声材料都是疏松的。声音在穿过材料时，被空气流中的阻力所衰减，其中一部分变成热能。当这种疏松材料直接固定(gdng)在连续的刚性表面上时，空气不流动，因此材料界面无吸收共五十七页声波垂直入射到一界面上时，沿着反方向反射回去的能量与后面持续(chx)到达的声波相结合形成驻波。在界面分界面和距离界面1/2处粒子速度很小，距界面1/4 处粒子速度最大。吸引材料的厚度需要比1/4 大的多，否则吸声效果不好。当疏松材料与分界面隔开放置时，吸声性能能明显增大。在距离墙壁正好1/4 处放置吸声材料，吸声效果成倍增长共五十七页房间(fngjin)中声场的建立和衰减

8、如果声源保持打开，并继续以稳定的比率辐射声音，则房间内部的能量的建立会一直持续下去，直到达到平衡状态为止(wizh)，即声源辐射的声能与吸收和透过边界传输的声能完全平衡共五十七页房间中声场(shn chn)的建立和衰减统计结果表明，强度和方向变化的各个声束可以进行(jnxng)平均，在不靠近声源或任一边界表面的房间各点上，存在着均匀扩散声场。扩散场 diffuse field 能量密度均匀、在各个传播方向作无规分布的声场。在此声场中任何一点所接收到的各个方向的声能将是相等的。封闭空间中，理想声场的建立和衰减横轴代表的是时间，纵轴代表的是封闭房间中的总声能。 声音的建立或者衰减曲线都是按指数形式

9、变化的。共五十七页以分贝来描述这个声场的建立和衰减过程。建立是非常快的，而衰减变为直线。线的斜率代表(dibio)的是衰减比率，单位是分贝每秒dB/s。共五十七页中心频率为125Hz的信号，稳态声压级上有很大的波动，并且在声能下降时也存在类似的波动。 线的斜率表明(biomng)声压以每0.27s、30dB的比率衰减。这说明衰减比率为111dB/s。实测声音(shngyn)衰减图衰减比率111dB/s共五十七页中心频率为4Hz的信号，声压级的波动(bdng)不再明显。声压以0.2s、30dB的比率衰减，此时它的衰减比率为150dB/s。衰减(shui jin)比率150dB/s共五十七页混响(

10、hn xin)和混响(hn xin)时间定义：声音衰减60dB所需要的时间。在实际应用中，在整个60dB的范围(fnwi)上测量声音的衰减比率很难。因此，一般通过测试信号关闭后最初30dB衰减测量的斜率来定义平均衰减比率，并由此推得混响时间。共五十七页计算混响时间如果房间中的声场是处于扩散场的状态，可以计算出声音在撞击到某一边界表面所走的距离。也就是室内(sh ni)声音在两次反射间自由传播距离的平均值典型房间的MFP MFP=4V/S V是空间体积，S表面积平均自由程 mean free path 室内(sh ni)声音在两次反射间自由传播距离的平均值共五十七页计算(j sun)混响时间例：

11、房间尺寸为5m 6m 3m，计算以1kHz为中心的倍频程带宽时的衰减(shui jin)比率和混响时间。每次反射导致0.2的能量被衰减，则反射波一定会存在0.8的能量。这就相当于每次反射都要损耗0.97dB，约等于1dB。共五十七页混响时间计算公式共五十七页混响时间图表(tbio)由于混响时间与平均(pngjn)自由程成比例，所以应当能尽可能准确地计算后者。共五十七页混响时间计算的影响因素(yn s) 平均自由程，平均吸声系数，空气的吸收对混响时间的影响单一的一块大材料的总吸声量是小于将同样量的材料分成多个小块分散放置的吸声量。而且(r qi)在较高频率下空气的吸收会使得混响时间减少。共五十七

12、页混响时间T60推荐混响时间短，声音清晰度高，但声音沉闷、枯燥，发干；混响时间过长，清晰度降低。混响时间的推荐值：电影院 1.0-1.2S演讲(ynjing)、戏剧 1.0-1.4S歌剧、音乐会 1.5-1.8S多功能会堂 1.5S多功能体育馆 2S共五十七页直达声和混响(hn xin)声声场声源辐射时，室内声能由两部分组成：直达声能 声波受第一次反射以前(yqin)的声能混响声能 包括第一次反射以后所有声波能量的叠加共五十七页当声源开始稳定的辐射声波时，直达声能的一部分被壁面与媒质所吸收，另一部分用来不断的增加室内混响声场的平均能量密度，所以声源开始发声后的一段时间内，房间(fngjin)的

13、总平均声能密度随混响平均声能密度的增长而不断增长混响平均能量密度越大，被壁面和媒质吸收的就越多。最后，由声源每秒钟提供给混响声场的能量将正好补偿被壁面和媒质所吸收的能量，室内混响声平均能量密度达到动态平衡。共五十七页直达声和混响(hn xin)声声场在封闭房间中，仅对直达声而言，平方反比定律(dngl)是正确的声源附近，直达声声场占主要地位随着距离声源距离增大，黑点越来越少而稀疏混响在整个封闭空间中的间隔是均匀的距声源某一距离处，白点黑点相等，此距离被称为临界距离共五十七页临界距离临界距离（Dc）：从声源的声学中心算起，沿着指定的轴向，到达直达声和混响声声场密度相等的点的距离(jl)临界距离受

14、声源指向性的影响共五十七页临界距离临界距离受房间边界的吸声(x shn)系数的影响混响声场比较强；边界向声源方向(fngxing)推进强吸收的消声室；边界远离声源方向共五十七页设声源的平均辐射功率为W，房间平均吸声系数为第一次反射中被壁面等吸收的平均功率为？ W 由声源提供给混响声场的平均功率为？ W（1- ）设稳态混响平均声能密度为则室内(sh ni)每秒钟被吸收掉的声能为？根据动态平衡条件共五十七页因此室内叠加声场的总平均能量密度应等于(dngy)所以总声压共五十七页室内(sh ni)总稳态声压级临界距离共五十七页当声源(shn yun)为有指向性时，引入指向性因数Q共五十七页共五十七页临

15、界距离处测得的总体平均声压比单独由直达声声场或混响(hn xin)声声场产生的大3dB临界距离共五十七页临界距离相对声压级与距声源距离(jl)的关系在1/2临界距离处，混响声场开始发挥作用，整个(zhngg)声场的声压比直达声场单独产生的声压大1dB在2倍临界距离处，总声压比混响声场单独产生声压大1dB共五十七页房间常数房间常数（R）：房间总体吸声(x shn)量的变化值。小的房间常数表示房间非常活跃大的房间常数说明房间吸声量很大共五十七页共五十七页共五十七页对于(duy)指向性声源指向性增加(zngji)6dB，对于临界距离增加1倍通常假定谈话人的Q值为2共五十七页统计模型(mxng)与实际

16、情况的关系对于(duy)房间的统计模型，有10%左右的偏差容限可信度。但是，对于平均吸声系数大于0.2的房间，实际情况与统计模型之间存在差距，主要原因是之前假设那种扩散式的混响声场不存在了。共五十七页在低混响时间和低天花板场合，对临界距离Dc之外的衰减曲线的斜率进行了修正代表的是临界距离之外，每增加两倍的距离，所产生(chnshng)的附加衰减的分贝数。V是房间的容积，h是天花板的高度，T60是混响时间。共五十七页房间共振(gngzhn)与声染色声源发声，激发(jf)房间某些固有频率（简正频率）的声音，即出现共振，声源中的某些频率被特别的加强，从而出现“声染色”现象共五十七页房间(fngjin

17、)的共振频率 如果两平行面间的距离为l，产生(chnshng)轴向共振的条件为，由此可得出相应之轴向共振频率为 切向共振斜向共振在一矩形房间内，计算房间共振频率（包括轴向、切向、斜向三种共振）的普遍公式为 共五十七页在已知房间尺寸的矩形房间内，由最低共振频率至任一频率 的范围内，该房间的共振频率总数(zngsh)N由下式确定 ：在 范围(fnwi)内简正振动的总数 共五十七页例：计算8m,8m,8m和6m,7m,8m的矩形(jxng)房间的10种最低振动方式的共振频率共五十七页简正频率“简并化” 从简正波的角度考虑，要使房间的声学性质较优良就应该保证：（1）简正方式要尽可能的多；（2）各简正频率尽可能均匀(jnyn)地分布在所需频率范围内，应尽量避免简并化；（3）各类简正波的混响时间要尽可能地相同。 简并化的结果很可能在某一频率范围(fnwi)内没有简正频率，而在另一频率范围(fnwi)内却有很多简振频率，造成简正频率分布不均，从而使声场起伏较大，分布不均不同的简正波具有相同的简正频率共五十七页影响房间(fngjin)共振的因素房间体积以及长、宽、高比例是影响房间共振的一个重要(zhngyo)因素。选择房间的长，宽、高的比值为无理数时，可克服共振频率的简并化。 室内表面的处理对于房间共振的形成以及共振频率均匀分布也有一定的影响。 共五十七页内容摘要第五章 室内声学基础。声波