《建筑物理( architectural physics) 》第1章-建筑声学基本知识

建筑物理(architecturalphysics)

（建筑物理环境）2/5/20231建筑物理概述2/5/20232第三篇建筑声学

(architecturalacoustics)（建筑声环境）2/5/20233概述：1、概念：研究与建筑环境有关的声学问题，包括厅堂音质和建筑环境噪声控制两部分，目的是创造符合听闻要求的环境。2、内容：a、声学知识（物理学）

b、两个范畴：室内音质建筑物声学（隔声、城市噪声）3、发展方向：生活水平—环境条件—厅堂及民用建筑要求—结构轻薄----工业发展设备增加——声环境恶化---交通拥挤

——建筑声学的新挑战

4、声学发展简史：公元前古希腊、罗马的露天圆形剧场建筑声环境概述2/5/20234建筑声环境概述埃比道拉斯剧场：歌坛Ф20m，歌坛后部舞台高3.5m，进深3m，长26.5m，12根壁柱作背景，扇形看台利用自然山坡。2/5/20235建筑声环境概述奥朗日剧场：半圆形乐队席，舞台上方修建斜反射顶棚将反射声投向观众中世纪教堂：混响时间长，音质丰满，语言清晰度差18世纪奥地利维也纳的音乐厅，意大利米兰歌剧院19世纪末20世纪初期美国声学家赛宾（Sabine）的贡献：Sabine对混响时间的研究—1900年发表《混响》1932努特生（knudsen)出版《建筑声学》1936年莫尔斯《振动与声》标志建筑声学成为一门系统的学科中国古代剧场演变及设计成就公元前一千年殷代：“坎其击鼓，宛丘之下”---《诗经·陈风》利用自然地形观看歌舞表演。“余音绕梁三日不绝”----《列子》已经注意到混响的问题2/5/20236建筑声环境概述15世纪天坛的回音壁----利用回声知识建造回音壁、三音石和圜丘。我国50年代初，中科院电子学研究所马大猷教授开创建筑声学系统；58年人民大会堂万人大礼堂（10000座）声学设计成功；现代大都市电影院、剧场、音乐厅、歌厅、演播室。2/5/20237一、产生和传播的条件声音是如何产生的？结论：声音是由物体振动产生的。声音是如何传播的？——人耳听觉的产生声源：由于振动正在发声的物体宋代学者言：“声者，形气相軋而成也”形—振动的物体；气－空气媒介；相軋—相互作用。声音产生和传播的条件：（１）声源（２）传播的媒介二、波阵面、波长、声速几何声学：声线的观点研究在封闭的空气中传播；物理声学：用波动的观点研究声学问题声线：自声源发出代表能量传播方向的曲线，声的波动限制不计第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播第十章建筑声学基本知识2/5/202381、波阵面：声波从声源发出，在某一介质内按同一方向传播，在某一时间到达空间各点所包络的面称为波阵面。球面波：点声源发出的波，波阵面为同心球面的波，声线与波阵面垂直。如人、乐器发出的声波。平面波：波阵面为与传播方向垂直的平行平面，如多个线声源或多个点声源叠排。柱面波：波阵面为同轴柱面，如单个线声源发出的声波。2、波长：在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m(米)声波完成一次振动所走的距离。

f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）

T:完成一次全振动所需的时间第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播2/5/202393、声速C：声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。

c是指声源振动状态传播的速度，与介质特性有关

声波在空气中声速：在0oC时，C钢=5000m/s,C水=1450m/s

在15oC时，C空气=340m/s

参数间存在如下关系：c=f*或=c/f人耳可听频率范围为20Hz~20KHz（听觉范围）

<20Hz为次声，>20KHz为超声其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm

。第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播2/5/202310三、声波的绕射、反射和散射、透射和吸收1、声波的绕射：由于媒质中的障碍物或其它不连续引起的波阵面畸变。

声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播2/5/2023112/5/2023122、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。反射的能量与反射面有关

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。∠i=∠

第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播2/5/2023133、声波的散射

当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，向不同方向发生不规则的反射、折射、绕射第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播2/5/2023144、声波的透射与吸收声波具有能量，简称声能。当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。第十章建筑声学基本知识第一节声音的产生和传播透射系数：反射系数：吸声系数：应用：不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。2/5/202315声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。一、声功率、声强、声压1、声功率W

：单位时间内物体向外辐射的能量W。（瓦W或微瓦W

）声源声功率包括全部可听频率范围

声功率是声源本身的一种重要属性。相关声源的声功率：人正常讲话：50W100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。

训练有素的歌手：5000~10000W。

汽车喇叭:0.1

W,

喷气飞机:10KW。

应用：在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/2023162、声强：单位时间内通过与声波传播方向垂直的单位面积波阵面上的声能的多少。符号：I单位：w/m

2

可听声强范围10-12

w/m

2——1w/m

2

对于点声源有：

-------距离平方反比定律3、声压：指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化。符号P

单位N/m2(牛顿/米2)或Pa(帕斯卡）范围2×10-5N/m2—20N/m24、声强与声压的关系：第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/202317二、声压级、声功率级及其叠加“级”（level)的概念？“级”：声学中被研究的声学量与其同类基准值之比的常用对数叫“级”。实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）。单位分贝(dB):是贝尔的十分之一为什么要采用“级”的计量方法？1）声压对人耳感觉的变化非常大，1000Hz的声音，听觉下限Po=2×10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/2023181、声压级(soundpressurelevel)：Lp取参考声压为Po=2×10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：

听觉下限：p=2×10-5N/m20dB

能量提高100倍的P=2×10-3N/m240dB

听觉上限：P=20N/m2120dB2、声功率级(soundpowerlevel):Lw

取Wo为10-12W，任一声功率W的声功率级Lw3、声强级(soundintensitylevel)

LI

第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/2023193声压级的叠加

10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分别是：13dB、3dB、10dB.几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即：第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/202320思考：1）两个相同声压级的声音加起来声压级是多少？多个相同声压级的声音加起来声压级是多少？2）两个或多个不同的声压级的声音加起来声压级是多少？（见例题）3）70、81、81、84、87、90dB六个声音加起来声压级是多少？例题1两辆汽车声压级分别77dB和80dB，求总声压级例题2车间总声压级92dB，停止运转一台设备，背景噪声为88dB，求该设备运转时的噪声级。第十章建筑声学基本知识第二节声音的计量2/5/2023211、声音的频谱与声源的指向性A、声音的频谱频谱——表示某种声音频率成分及其声压级组成情况的图形，傅立叶理论及现代信号处理技术证明：

理论上任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。分立谱：如弦振动产生的声音。连续谱：谈话、机器的噪声，大多的自然声。频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄。最常用的有倍频带和1/3倍频带。倍频程：f2=2f1通常将可闻频率范围内20~20Hz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：

1631.5631252505001K2K4K8K16K1/3倍频程：f2=21/3f1将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：

12.516202531.540506380100125160...第十章建筑声学基本知识第三节人的听觉感觉2/5/202322第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉

在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。2/5/2023232/5/202324第三节人的主观听觉感觉第十章建筑声学基本知识2/5/202325B、声源的指向性声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/2023262、人耳的主观听觉特性人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导听觉范围：最高最低频率可听极限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。最小最大可听极限

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。下限频率与频率有关。最小可辩阈（差阈）

一般情况1dB声压级的变化能够察觉：3dB以上有明显感觉；频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/202327A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。

水平方向10—30可辩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。人耳的水平方向感要强于竖直方向感。频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。B、哈斯(Hass)效应人耳有声觉暂留现象，人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”——哈斯效应。根据哈斯效应，延时越长干扰大；声压级差小干扰大。频率接近干扰大；低频对高频干扰大。人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/202328C、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。何谓掩蔽量?掩蔽阈?D、响度与等响曲线人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。不同频率,不同声压级的声音,人听起来的响度感觉有可能一样。第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/202329

3、等响曲线等响曲线:以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。响度单位是“方”。随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同

声压级高，相对变化感觉小；

声压级低，相对变化感觉大。第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/202330第十章建筑声学基本知识第三节人的主观听觉感觉2/5/20233