第五章 建筑声环境.ppt

1、5 1,第5章 建筑声环境,掌握声学各物理参数基本概念和内在联系，并能描述声环境,知识要点：,掌握常用的噪声控制方法及设计原理,了解人与听觉环境的关联，掌握不同声环境评价及方法,掌握空调系统的噪声源形式、传播途径及一般的控制方式,-No.12,5 2,声音的度量,声音的传播特性,建筑声环境,声音的基本特性,声环境基本概念及特性,第5章 建筑声环境 知识框架,室内声学特性,环境噪声控制的基本方法,人的听觉特性及其对环境噪声的反应,环境噪声控制,人耳的听觉特征,室内环境噪声特征,噪声的危害,环境噪声评价,噪声控制的主要途径,吸声减噪,房间的隔声降噪,隔振与减振降噪,通风空调系统的噪声控制,消声降噪

2、,室内音质设计基础,掌握基本概念（声音的性质、特点和基本计算物理量），人体对声音环境的反应原理与噪声评价，声音传播与衰减的原理，材料与结构的声学性能，噪声控制与治理的基本方法,核心知识点,5 3,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.1 声音的基本特性,新建筑物理FIG3.1-1,大气压,声压,声波,从物理方面：声音是一种机械波，是机械震动在弹性介质中传播客观声音 从心理方面：上述物理波动现象而引起的听觉感觉 主观声音,声波在空气中对空气质点的膨胀压缩形成了空气的压力波动，压力的起伏变化依次作用人的耳膜，形成了声音的感觉。压力波的传递，非空气介质的传递， 与空气流动方向无关。,扬声器膜辐射的声

3、波,声音的分类：表5-1/固液气、表5-2/点线面体,1。声波的概念,31.25 Hz,5 4,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.1 声音的基本特性,2。声波的频率特性,声音按频率高低分类,5 5,单一频率的声音,研究方法：将频率分成带，即研究某一频率带范围内的声压（振动能量）情况。,纯音、音乐、噪声,频率杂乱无章组合的声波或主观不愿意接受或对人体有害的声音,5.1.1 声音的基本特性,2。声波的频率特性,按频率组成不同分类,谐音是泛音，但泛音并不一定是谐音，泛音不一定是基频的整数倍,思考：音乐与噪声在客观和主观感觉上的有何不同？,5 6,常用频谱,5 7,3。声音的频谱,基频为440Hz

4、的小提琴频谱图,普通声频谱一般为连续频谱，无单线谱图特征。,音乐为非连续频谱，只含有基频和谐频，而谐频是基频的整倍数。,连续谱图,单线谱与连续谱,5.1.1 声音的基本特性,5 8,理想气体中的声速： k 绝热指数，R 气体常数，T 绝对温度。 空气环境中的声速： 常温常压下：一般取c=340m/s,空气中的声速/与传播媒介温度：,固、液体中的声速（竟远大于空气中的声速） 钢： 5000 m/s 松木： 3320 m/s,水： 1450 m/s 软木： 500 m/s,5.1.1 声音的基本特性,4。声波的速度特性,声波的频率、波长和声速的关系为：,5 9,（1）声波每秒振动的次数音调 (频率

5、) 声音的高低频率 频率音调 （2）空气密度变化大小音量(响度) 声音的大小声压,声强 同样声源：音量传播距离 （3）频率的混合状态声音是由各种频率的声音混合而成，不同混合状态感觉不同音色(音质)。 声音的组合频谱,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.1 声音的基本特性,5。声音的三要素,5 10,声功率W/W：声源在单位时间内向外辐射的声音能量，即在全部可听范围所辐射的功率，也可特指在某个有限频率范围所辐射的功率，亦称频带声功率。,声源,声场,声压P/Pa：空气介质因声波作用产生挤压其静压强相对于无声波时的介质静压强（大气压值）的差值。 常指有效声压（瞬时声压的均方根）简谐声波： 声强 I

6、 /W/m2：声波传播方向上单位面积波面上通过的平均声功率。,三参数关系：,点声源-球状波面：,线声源-柱状波面：,面声源-平米波面：,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.2 声音的度量,1。基本参数,声源 声场,5 11,参数的对数转换（相对）值分贝（dB）,声压级,声功率级,声强级,闻阈值,可闻阈(听阈) 人耳刚能感受的声音， P0=210-5 Pa，I0=110-12 W/m2 痛阈 闻之人耳则痛，P=20 Pa，I=1W/m2,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.2 声音的度量,2。声学量的表示及运算,“级”概念的引出,5 12,总声功率、总声强代数和（能量守恒）总声压级,相应的相

7、对值为：如声压级：,声级的叠加,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.2 声音的度量,2。声学量的表示及运算,声源声级叠加：非线性！,易记精确计算式：,简化计算：,声级叠加的实际应用,5.1.2 声音的度量,2。声学量的表示及运算,增加的声级数L/dB,两个不同声源叠加，差别超过1015 dB，可以忽略。,注意：1. 一般取n=2计算，逐次二二计算；2. 取较大者为LP1,5 14,Lp=4dB,声级叠加的实际应用,5.1.2 声音的度量,2。声学量的表示及运算,例5-1,图5-5,易记精确计算式：,排序：84dB、80dB、77dB,86.03dB,Lp=8.45dB,Lp23=85.45d

8、B,已知噪声源声压级77、80、84dB，求总声压级。,Lp14= Lp123 =86.02dB,L=1.45dB,L=0.57dB,5 15,风机噪声测定方法：,本底噪声：声源停止发声后，环境声压级的大小。 一般噪声测定是在一定环境中进行的，所测值是噪声源与本底噪声之和，欲求噪声源自身噪声级，采用分解便可求得。,例：现场实测空调机房（2台性能相同的机组）开机与停机时的声压级分别为77dB和70dB，试求空调机房该型号风机本身声压级。,声级分解及应用,5.1.2 声音的度量,2。声学量的表示及运算,设：A噪声源本身噪声；B 本底噪声；C 合成噪声,分析计算方案实施计算,5 16,1。声音遇到障

9、碍物时的传播特性,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.3 声音的传播特性,5 16,声反射,声反射系数：,声扩散,声聚焦,声扩散,声聚焦,平面,凸面,凹面,5 17,由能量守恒定律：E0=Er+ E+ E,材料的吸声系数：, =f（入射角， 频率，材料吸声特性）,材料的透射系数：,反映材料的吸声性能,反映材料的隔声性能, =1：全部吸收； 1：部分吸收,声吸收,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.3 声音的传播特性,声透射,1。声音遇到障碍物时的传播特性,5 18,5.1.3 声音的传播特性,AE 障碍物尺度与声波波长尺度比值由大至小的特点,声绕射与声衍射,声扩散 凸面,1。声音遇到障碍物

10、时的传播特性,5 19,2。声音的衰减,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.3 声音的传播特性,传播衰减,点声源,5 20,2。声音的衰减,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.3 声音的传播特性,山田FIG3.3-3.4,空气吸收衰减=f（温度，湿度） 绿色植被吸收 =f（林带宽度，高度，配置） 风速和温度梯度的影响,低温,高温,声源,声源,影,影,白天,晚上,影,声源,风,上空(密),地面(疎),上空(疎),地面(密),吸收衰减,日本研究：40m宽良好的植被可降低10-15dB,5 21,1。封闭空间的声特性及方向性,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,封闭空间的声特

11、性,特点：,1。非自由声场 2。回声等 3。声加强与减弱 4。混响现象,5 22,声辐射的指向性： 高频语言纵向集中，中低频语言较均匀,1。封闭空间的声特性及方向性,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,声辐射的方向性,为什么？,5 23,混响是围蔽空间里的声学现象。,2。混响与混响时间,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,混响概念,混响声源停止发声后，声场中还存在着来自各界面的迟到的反射声形成的“残留”现象,混响声是如何干扰人的听觉？,混响声有何听觉感效应？,5 24,新建筑物理FIG3.1-23,声音停止发声后，室内声能立即开始衰减，声音自稳态声压级衰

12、减60dB所需的时间称为混响时间 评价室内混响特性的参数。,混响时间T60/s,声压级LP/dB,声音开始,切断电源,稳态声级,2s,R,60dB,2。混响与混响时间,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,混响时间的定义,5 25,声能密度E(t)，J/m2,2。混响与混响时间,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,影响混响时间的主要因素,小者,大者,室内表面平均吸声系数,室内吸声量越大，衰减越快 房间容积越大，衰减越慢,A：房间的总吸 声量/m2；,空气吸收系数,3。混响时间的选用,5.1 声音的基本概念及特性 5.1.4 室内声学特性,教室和教堂的混响时

13、间不同的原因？,图5-18、表5-8,满足房间功能所需的混响时间的措施有哪些？,4。房间共振和共振频率,共振：房间固有频率 声音频率叠加产生共振,驻波：两种声波类似“共振”的振幅叠加（抵消）现象 振腹与振节,5 27,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.1 人耳的听觉特性,1。人耳的听觉范围,=f（年龄，）,最小可辨阈： 一般：Lp=1dB (在频率为：5010000Hz, Lp 50dB时),最低可听到的声音： 在10005000Hz,=f（年龄，）,5 28,大量听力试验,人耳声感/响度级=f (频率,声压),LN(phon/方),以1000Hz时各声压级的响度为基准，定义其

14、它Hz时的等响值，其连线即为等响度曲线。,问题：与1000Hz、30dB等响的100Hz声音的声压级是多少？,声压级/dB,频率/Hz,等响曲线（响度曲线）,等响度曲线,痛阈,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.1 人耳的听觉特性,2。响度和响度级,A声级,5 29,人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象,掩蔽量因掩蔽效应听阈提高的分贝数 f (两声音声压级差，及其到达人耳的时间和相位，),？举例说明生活中的掩蔽效应及应用,频率相近的纯音掩蔽效果显著； 掩蔽音的声压级越高，掩蔽量越大，掩蔽的频率范围越宽； 低频音对高频音掩蔽作用大，高频音对低频音掩蔽作用小；,

15、有利有弊,弊：听不清要听的内容，降低工作效率 利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.1 人耳的听觉特性,听阈引起最小听觉的声音强度,听阈老年人听阈年轻人,Sound Mask,3。掩蔽效应,特点：,5 30,大型敞开式办公室减少相互干扰的“声音香料”。 可利用适当的空调系统的背景噪声。,5.2.1 人耳的听觉特性,3。掩蔽效应,声音香料：,5 31,在允许范围内提高室内背景噪声（1530）， 可减少降低外部传入噪声控制的代价,低掩蔽噪声级,高掩蔽噪声级,70,5.2.1 人耳的听觉特性,3。掩蔽效应,减少隔声代价,5 32,4。方位感,5.2

16、人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.1 人耳的听觉特性,方位感/双耳效应=f（时间差，相位差，强度差）,低频声声音到达两耳的时间差（相位差） 高频声头部产生放射作用到达两耳的强度差 混响声最先（50ms内）到达两耳的时间差,人耳辨别方位的方法,反射声与直达声到达时间的不同,5 33,1。噪声的基本概念,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.2 室内环境噪声的特征,低频噪声：350Hz空气压缩机等 中频噪声： 3501000Hz高压风机等 高频噪声： 1000Hz锯子等,噪声的分类：,噪声的特征：,噪声频谱杂乱无章或不愿意听的声音或对人体有害的声音 噪声是一种物理污染,5 34

17、,2。室内噪声来源,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.2 室内环境噪声的特征,主要噪声,空调噪声,空调机房：风机 冷冻机房：冷冻机、水泵 室外： 冷却塔 管道系统：气流噪声、阀门的啸叫声,特征：以低频为主的噪声和振动,5 35,噪声对听觉器官的损害,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.3 噪声的危害,正常听力听觉疲劳噪声性耳聋轻度耳聋重度耳聋职业耳聋,听力损失,长期工作环境,90dB,句子可懂度下降13%； 句子+单音节词混合可懂度下降38%。,500/1000/2000Hz三个频率下的平均听力损失,使听阈上升,5 36,新建筑物理FIG3.1-28-30,对睡眠

18、很干扰,对音乐欣赏、交谈很干扰,对工作很干扰,对人体功能的影响： 记忆力衰退、反应迟钝等,噪声对生活工作的影响,5.2.3 噪声的危害,对健康的影响： 神经衰弱、消化不良、心脏病、高血压、动脉硬化等心血管疾病。,实验发现：开始影响人的噪声级为4045dBA,图5-21 不同年龄、不同频率时的听力损失17,5 37,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.4 环境噪声的评价,等响度曲线,声级计,模拟成仪器,A声级计模拟 40方（PHON）曲线： 500负修正、1000正修正工程噪声（dBA） 其他还有： B声级计（70方曲线）； C声级计（100 方曲线）； D声级计（航空噪声使用）。

19、,已被ISO推荐用于环境噪声评价,对不同噪声模拟人耳对不同频率的反应，加权计入总声压级，具有主观因素。,A计权修正值,考虑低频,1。A声级LA,单值评价,主观感受、计算p.250,No.13-1/2,5 38,1。A声级LA,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.4 环境噪声的评价,C声级/dBC,A声级并不能充分反应低频噪声对人的影响，而C声级可以较好地反应低频对人的影响。,5 39,5.2 人的听觉特征及其对环境噪声的反应 5.2.4 环境噪声的评价,2。语言干扰级SIL(Speech Interference Level),图5-21 交谈的语言声级与背景噪声(SIL)的关系

20、,当SIL60dB时， 轻松交流的距离为多少?,反映环境背景噪声,课堂上教师一般的提高嗓音能使后座同学听清的SIL=?,单值评价,5 40,不稳态噪声环境评价,稳态噪声环境A声级/LA,当T时间内各N个A声级暴露时间等间距时，,例：某车间一个工作日中所测得噪声分布为：,定义：在T时间内各噪声的A声级LAi的暴露时间为Ti，则T时间内等效连续A声级为：,我国城市区域环境标准和工厂噪声标准引用,5.2.4 环境噪声的评价,3。等效连续A声级LAeq,单值评价,表5-16,5 41,分析基础：正态分布,LN与LAeq的关系可近视表示为：,随机性噪声环境评价（如交通噪声）,5.2.4 环境噪声的评价,

21、4。累计百分声级-统计声级,多值评价,L10峰值噪声，如：L10=75 dBA：在取样时间内有占10%时间的噪声超过该能级,L90背景噪声，如： L90=51 dBA：90%,L50平均噪声，如：L50=60 dBA：50%,LN=f ( L10 , L50 , L90 ),整个测量时间内或次数中出现时间或次数在N%以上的A声级,计算方法：将一段时间内随机采样测得的100个数据按从大到小排列，第10个数据即为L10；第50个数据为L50，第90个数据为L90。,单值A声级不能反映噪声的频谱特性。 NR曲线：中国、欧洲常用，ISO推荐 NR数以1000Hz的声压级定义 与声压级的换算：,5.2.

22、4 环境噪声的评价,LpabNR,与A声级的换算：,LA NR5,5。NR 噪声评价曲线(Noise Rating),5 42,NR曲线考虑因素： 1.听力损失 2.语言干扰 3.烦恼程度,多值(曲线)评价,5 43,设计应用：以NR曲线各点噪声允许数指标作为空调系统消声设计依据。 例如：某剧院设计标准：NR30 则各允许频率声压级的频谱为多少？ 它意味着什么？,5.2.4 环境噪声的评价,5。NR 噪声评价曲线(Noise Rating),多值(曲线)评价,校核应用：实测环境噪声频谱，以实测频谱曲线相切的最高NR值为NR数。 图中曲线为某剧院实测频谱，NR=? 说明了什么？,实测环境噪声频谱

23、,若标准为NR30，消声系统如何考虑？,5 44,NC曲线(Noise Criterion Curves)，Beranek于1957年提出，1968年开始实施。ISO推荐，英、美、日常用。 对低频的要求比NR曲线苛刻 LA NC+10 dBA NC NR5,5.2.4 环境噪声的评价,6。NC(PNC) 噪声评价曲线,多值(曲线)评价,NC噪声评价曲线(Noise Criterion Curves),1200-2400,5 45,5.2.4 环境噪声的评价,7。噪声允许标准,法规标准：表5-15表5-18 采用标准时应注意对象的噪声特性：稳定？不稳定？随机？选用标准时注意相互的转换 洁净厂房设

24、计规范 GB50073-2013 ： 空态：(净化设备运行,无工艺设备及人员)： 乱流洁净室60dBA,层流洁净室65dBA； 一般车间（根据不同用途）NR或LA：NR45-70。,5 46,校验： 图5-26,设计,5 47,5.3.2 噪声控制的主要途径,噪声源的控制：,1.改革工艺和操作方法: 如：高压蒸汽排气热回收降温减压低压 低噪声风机,2.降低噪声源的激振力： 如：增加风管壁厚减少噪声引起的振动 弯管导流片,3.降低噪声辐射部件对激振力的响应： 如：选择与系统声源频率不同的噪声辐射部件,5 48,5.3.2 噪声控制的主要途径,噪声源的控制：,5 49,5.3.2 噪声控制的主要途

25、径,声波传播途径上的噪声控制：,5 50,人与室内环境FIG2-11,建筑声学设计FIG3-7,耳塞、耳套对声音的衰减能力,护耳器,1.使用合适的设备。如耳塞、耳套等 2.减少噪声暴露时间。目前各国劳动防护对噪声的暴露时间都有规定。,图中两条曲线是不同样式的实验所得,5.3.2 噪声控制的主要途径,接受点的常规处理：,掩蔽作用的降低噪声,5 51,5.3 建筑环境降噪方法 5.3.3 吸声减噪,1。吸声减噪原理,直达声 1次反射声 145,无吸声材料(r=1)：,有吸声材料(=0.55)：,直达声1次反射声 200,吸声减噪是降低声源侧环境噪声。 吸声能消除直达声的强度吗？,100%,5 52

26、,5.3 建筑环境降噪方法 5.3.3 吸声降噪,2。吸声材料及应用,不同吸声材料的吸声特性,高频,低频,特定频率,吸声机理与 频率的关系？,5 53,判断重要依据： 孔隙率,吸声系数=f（频率） 吸声特性频谱分析,1）声波在行进过程中反射折射等挤压空气质点摩擦 声能热能 吸声 2）空气与壁面摩擦声能热能 吸声 特性： 1）空气流动阻力（v） 2）孔隙率一般：吸声材料孔隙率70% 3）厚度路径 4）材料容重孔隙率 5）背后增加空气层（低频） 6）饰面（光滑面：油漆） 7）材料的纵横特性不同=f（入射角） 8）含水率孔隙率,5.3 建筑环境降噪方法 5.3.3 吸声降噪,2。吸声材料及应用,多孔

27、吸声材料吸声机理：,5 54,共振结构在声波激发下振动，振动的结构由于本身的内摩擦和与空气间的摩擦把部分振动能量转变为热能而损耗。因此振动的结构消耗声能，产生吸声效果。 适应频带：中、低频 共鸣 共振！ 共鸣：机械能激发物体振动向空气辐射声能 共振：空气中传播的声能激发物体机械振动,5.3 建筑环境降噪方法 5.3.3 吸声降噪,2。吸声材料及应用,薄板和薄膜共振吸声结构吸声机理：,5 55,不透气薄膜薄板与板壁间有一空气夹层，薄膜、薄板振动消耗声能。,5.3.3 吸声降噪,2。吸声材料及应用,薄板和薄膜共振吸声结构吸声结构：,薄板,多孔吸声材料,共振消声器,5 56,2。吸声材料及应用,汇总

28、比较,5.3.3 吸声降噪,5 57,100%,100%,混响声:145%,混响声:200%,计算参数：吸声量、降噪量,设房间的平均吸声系数为 定义吸声量为：,设吸声降噪前后房间的平 均系数分别为： 、 则降噪量为：,使用 原则：, 效果好；,如果要求,该方法不合适；以消除直达声为主时，不起作用。,例5-7,房间平均吸声系数：,3。吸声减噪计算及应用,5.3.3 吸声降噪,5 58,建筑环境声学FIG16-4,装有吸声砌块,未作吸声处理的管道,噪声源,噪声源,隔声障板,顶棚抹灰,隔声降噪原理,5.3.4 建筑隔声降噪,吸声(材料)与隔声(材料)区别,5 59,两室实际隔声降噪量：,墙体隔声量R

29、=45dB,室内声压级L1,室内声压级L2,室内总吸声量A2,内贴吸声材料,隔声墙体隔声量与透射系数关系：,组合墙体透射系数（面积加权）：,两种材料组合可提供隔声量：,隔声设计所需隔声量为：,Si,且,安全裕量一般取3-5dB,室内容许标准,1。隔声降噪计算,5.3.4 建筑隔声降噪,房间吸声量,5 60,0.595,0.14,吸声、隔声组合应用,5.3 建筑环境降噪方法 5.3.4 建筑隔声降噪,2。隔声措施及应用,5 61,空气声声源直接激发空气震动产生的声波，并通过空气作传声媒质噪声。,固体声声源直接激发结构振动所产生的噪声振动，它以弹性波形式在墙体、楼板等构件中传播，同时向空气辐射噪声

30、。,隔振措施： 积极隔振隔离 或过程的声传递工艺方案设计时考虑 消极隔振减弱 或过程的声传递工程设计时考虑,传递方式：,5.4 室内环境降噪工程方法 5.4.1 隔振与减振降噪,振动的传递,1。振动的传递及其危害,5 62,山田3-12,不同类型振动及敏感振动频率/Hz,除了被人耳感受为声音的振动外，人体的许多部位对振动有反应。,频率/Hz,一般乘车振动感觉,日常居室感受的振动,振动感觉界限,振动量级概念,5.4.1 隔振与减振降噪,1。振动的传递及其危害,人对20Hz所辐射的噪声无听觉，但却能感受20Hz的振动。,5.4 室内环境降噪工程方法 5.4.1 隔振与减振降噪,5 63,当振动频率与人体器官内某部位的固有频率相同吻合时，产生共振，可以危及健康乃至生命。 一般打桩的频率为310Hz，人体对垂直震动最敏感的频率为48Hz，这正是人对打桩声非常反感的原因之一。 人对振动反应的敏感度按频率和振幅大小可