声学混响和材料

四、房间共振和混响时间1、波的干涉和驻波

干涉：具有相同频率、相同相位的二个波源所发出的波相叠加时，在波重叠的区域内某些点处，振动始终彼此加强，面在另一些位置，振动始终互相削弱或抵消，这种现象叫做波的干涉。干涉现象总是出现在波程差为2n(λ/2)和(2n+1)(λ/2)处。

驻波：当两列相同的波在同一直线上相向传播时，叠加后产生的波称之为“驻波”。平面波垂直入射到全反射的壁面时，入射波与反射波的叠加也产生了驻波现象。2、房间共振

声音在传播过程中遇到反射物形成反射声波，入射声波与反射声波发生叠加，特别是当声波在两片平行的墙壁体传播时，这种叠加可能使声压达到最大时，这种现象称为共振。

房间是一个由建筑材料的共振系统，对矩形房间，发生共振的频率3、混响（1）概念：当声源在一封闭空间内开始辐射声能时，声波即同时在空间内开始传播。当入射到某一界面时，部分声能被吸收，其余部分则被反射。在声波继续传播中，又第二次、第三次以至多次地被吸收和反射。这样，在空间内就形成了一定的声能密度。随着声源不断供给能量，室内声能密度将随时间增加面增加，达到一个稳定状态（即维持不变的状态）。

当声音达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接收点上的声音并不会立即消失，而要有一个过程。首先直达声消失，反射声则将继续下去；每反射一次，声能被吸收一部分。因此，室内声能密度将逐渐减弱，直至完全消失。把这一衰减过程称为“混响过程”或简称混响。（2）混响时间混响可能影响人的听觉清晰度，也可能使声音听起来更丰富。

特别当声源停止发声后，声音衰减60dB所经历的时间，对室内音质和听闻有重要意义。称为混响时间。在室内混响研究中，最为重要的是室内声音在达到稳定状态后声源停止发声后声压级衰减60dB所经历的时间T60，称为房间混响时间，其计算有下面公式：（塞宾公式）其中：T60——为混响时间(s)V——为房间容积(m3)Sα——房间的总吸声量（m2）

在工程中更多用的是伊林公式：

——为平均吸声系数，其计算式为：

S1、S2、…Sn——室内界面不同材料的表面积（m2）

α1、α2、…αn——不同材料的吸声系数。室内声压级的计算：室内声场的分布决定于房间的形状、各界面材料和家具、设备等的吸声特性及声源的性质和位置等，计算室内某点声压级的公式：其中：W---声源声功率Q---声源指向性因数。无方向性声源放在中心Q=1r-----计算点到声源的距离R---房间常数S----房间总表面积２、人耳的几个听觉效应Ａ、双耳听闻效应由于人耳位于头部两侧，约距20cm，声音到达双耳有微小的时间差，强度差和相位差，使人能辨别声音的方向，确定声源的位置。人耳对水平方向方位的辨别能力强于垂直方向。立体声也是根据双耳效应发展起来的。Ｂ、掩蔽效应噪声对语言的妨害程度，在声学上称为“掩蔽效应”，它不但取决于噪声的总声压级的大小，而且还与频率的成份和频谱分布有关

有下面规律：

a、低音调的声音，特别当响度相当大时，对高音调的声音产生较显著的掩蔽作用；

b、高音调的声音对低音调的声音只产生很小的掩蔽作用；

c、掩蔽和被掩蔽的音的频率越接近，掩蔽作用越大，当频率相同时，一个声音对另一个声音的掩蔽作用最大。Ｃ、哈斯效应——回声感

当声源传来的声音和以一次反射回来的声音，相继到达人耳，其延迟时间小于30ms时，人耳不能区分出来，当两个声音的时差达到50ms时（声程差达到17m），人耳就能区分出它们来自不同的方向，这后一个声音就有可能成为回声。回声妨碍语言和音乐的良好听闻，必须加以控制。六、声环境对人体的影响

1、噪声对健康的影响2、噪声对各种语言活动的干扰3、噪声对工作效率的影响第十一章吸声材料和隔声材料（构造）吸声和隔声是创造良好声环境的基本工程措施，材料在工程措施中起着重要的作用。有不同种类吸声材料和构造，它们的作用可由下表看出：一、吸声材料（构造）1、多孔吸声材料

多孔材料是主要的吸声材料，其构造特征是在材料中有许多小间隙和连续气泡，这样当声音入射到多孔材料时，引起小孔和间隙中空气振动，而振动的空气在靠近孔壁附近的空气质点与孔壁磨擦，使声能变为热能而被吸收。

影响多孔材料吸声特性的主要因素：

(1)材料的空气流阻：当少量空气流稳定地流过材料时，材料两边的静压差和空气流动速度之比定义为单位面积流阻，其数值通过实测确定。空气粘性越大、多孔材料越厚、越密实，流阻就越大，说明透气性越小，因此流阻不能过大。但流阻也不能太小，否则克服摩擦力、粘滞阻力而使声能转化为热能的效率就太低。所以存在最佳流阻。

(2)孔隙率：是指材料中连通的孔隙体积和材料总体积之比。多孔吸声材料的孔隙率一般在70％~80％，(3)材料的厚度；一般来说，增加多孔吸声材料的厚度可以提高其吸声系数，尤其是对吸声系数低的中低频提高得比较显。(4)材料背后的条件：当多孔吸声材料背后留有空气层时，与该空气层用同样的材料填满的效果近似，所以利用空气层，既提高中低频声音的吸声系数又节省吸声材料,空气层厚度一般为10~20cm。（5）材料的密度对吸量也有影响。同时，材料饰面、入射声波频率和入射条件、吸湿、吸水也对材料的吸声特性也有影响影响。2、共振吸声结构（1）薄膜（薄板）吸声结构A、吸声原理：薄膜（薄板）结构在声波的作用下产生振动，振动薄板与龙骨间磨擦，将声能转化成热能而达到吸声。薄板（膜）具吸收低频声音的特性。

B、薄膜的共振频率计算：其中：f0——共振频率（Hz）m——薄膜的单位面积重量（kg/m2）L­——背后封闭空气层的厚度（cm）

薄板的共振频率的计算：

其中：f0——共振频率（Hz）m——薄板的单位面积重量（kg/m2）L­——背后封闭空气层的厚度（cm）

Ｃ、应注意的几个问题：1）较薄的板（膜）能提供更多声吸收；2）吸声系数的峰值偏向于低频,薄膜吸收频率:200~1000Hz,吸声系数:α=0.3~0.4薄板吸收频率:80Hz~300Hz,α=0.2~0.5；3）薄板背后多放多孔材料，将增加吸声系数的峰值；4）薄板涂层对吸声性能有较大的影响。

（2）穿孔板吸声结构原理：利用穿孔板后背的空气层组成共振结构，其共振频率为：

其中：f0——共振频率（Hz）c——声速取340m/st——穿孔板厚度（kg/m2）d——孔径

P——穿孔率，穿孔面积与总面积之比

其中D为孔距L­——背后封闭空气层的厚度（cm）3、其它吸声构造（1）空间吸声体（2）吸声尖劈

二、声音在围护结构中的传播（1）空气直接传播（2）经由围护结构的振动传播（3）固体的撞击和振动

三、隔声材料和构造当声波在空气中传播到围护结构时，入射的大部分声音被反射，只有一小部分声能透过结构传至另一个空间。设建筑构件的透射系数为τ，在工程在实际中，建筑构件的隔声量用R来表示。建筑构件的隔声量R（dB）与透射系数τ有下列关系：注：开口的透射系数为1.平均透射系数

1、单层匀质密实墙的空气隔声量计算A、隔声质量定律：

其中R——墙体的隔声量(dB)f——入射的声音频率(Hz)m——墙的面密度（kg/m2）

2、双层匀质密实墙的隔声双层墙构成质量——弹性——质量系统，其固有振动频率为

其中:f0——为墙体的固有振动频率(Hz)m1、m2——分别为每层墙体的面密度（kg/m2）L——空气间层的厚度当入射声波频率与双层墙的固有频率相同时，墙体将产生共振，隔声效果最差。

3、轻质墙体隔声

轻质隔墙由于质量轻，其隔声效果较差，必须采取措施来提高隔声效果。有如下措施：

（1）设空气间层，间层厚度要大，如厚度小于4cm，隔声效果提高不大，如果

空气间层达到7.5cm，隔声量可增加到8—10dB。（2）以多孔材料填充轻质墙体间的空气间层，可以大地提高隔声效果。（3）增加轻质墙的层数，可以提高隔声量。3、门窗隔声构造

主要是设置空气间层和增加门窗的密闭性。四、噪声控制（一）噪声的危害１、损害听觉器官２、引起多种疾病３、影响正常生活４、降低劳动生产率５、损坏建筑物（二）噪声允许标准（三）城市噪声控制１、城市噪声（１）噪声是频率结构声音，其频率可以在人的可听范围以外，一般其频率表现为较为连续的频谱特性。（２）城市噪声主要是交通噪声、建筑施工噪声，工业区主要是工业噪声，主要是夜班生产发出的噪声对居住区的严重干扰。２、城市噪声的控制（１）控制原则和步骤

原则：控制噪声应从噪声源、传播途径和接受噪声方面入手，采取适用合理的技术进行控制。对噪声源主要是控制操作时间和使用功率，传播途径主要采用阻隔措施，主要从规划、建筑布局来控制，噪声受体主要从建筑吸、隔声处理等措施来进行控制。

步骤：

a.调查噪声现状，确定噪声的声压级，了解噪声产生的原因，周围环境状况。b.根据区域的噪声允许标准，确定所需降低的噪声声压级的数值。c.采取综合措施来降低噪声。

措施：城市规划方面：

合理进行空间布局，解决好对外交通用地、工业用地、商业用地与居住用地等的空间分布。

完善城区的道路交通系统，合理布置路网，处理好城市快速路、主干道、次干道和支路网的关系，从空间资源配置上阻隔噪声源。

建筑布局:在建筑布局上，根据建筑的不同用途，来合理布置建筑物，对建筑物本身，将次要房间布置在噪声传播来的方向等。控制城市噪声的主要措施:

与噪声源保持必要的距离利用屏障降低噪声利用绿化减弱噪声五、室内吸声减噪

１、吸声减噪原理在建筑物内安置吸声材料，来改善室内的听音条件和减少噪声的干扰。２、吸声减噪量的确定

安装吸声材料后的吸量可用下式确定：

ΔLp——室内两种吸条件的混响声声压级差值（dB）

A1——室内原有条件的总吸声量（m2）

A2——室内增加吸声材料持的总吸声量（m2）

吸声减噪只能降低混响声,不能降低直达声,吸声减噪可使噪声降低6~10dB。

六、建筑隔声１、围护结构的隔声可用下式进行计算

对于由不同隔声能力的建筑构件组合成的结构的隔声量，可以先求出各组成构