建筑物理Ⅲ声一章基本知识.ppt

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1、1,建 筑物理(声)冷御寒,2,绪 论,3,（1）厅堂音质设计 给各种听音场所（厅堂）或露天场地提供产生、传播和收听需要的声音的最佳条件，获 得优美的音质环境。(2)噪声控制去除不需要的声音 排除或减小噪声和振动的干扰，获得安静的环境。,一、建筑声学的任务,4,（1）大量厅堂建筑的建造，建设量大，要求高（2）设计观念的转变，流动空间、开敞办公等（3）新型轻质材料的应用，预制构件的应用，只注重结构轻质而忽视声学（4）室内本身噪声源增加，键盘、风扇、压缩 机、冷却塔、吸尘器、碎纸机等（5）室外噪声源的增加，小汽车、轻轨、地铁、卡车和社会噪声等,二、当前设计中存在的若干声学问题,5,（）建筑物理西安

2、建筑科技大学，华南理工大学，重庆大学，清华大学四校合编 西安建筑科技大学刘加平 主编（）建筑物理东南大学 柳孝图 主编（）建筑声学设计原理华南理工吴硕贤编著（）建筑声环境清华大学秦佑国王炳磷著（）建筑环境声学.多勒 著,三、使用教材和参考书,6,一、教学目的 了解建筑声学的研究对象，掌握声音的基本特性和人耳的听觉特性，掌握声音的计量和声源特性。二、学时安排总学时：6学时学时分配：课堂讲授、作业，建筑声学简介4 课堂讨论2,第1章 建筑声学基本知识,7,三、教学方法1、课程开始前的寒假布置作业：我身边的声 环境和声学基本知识预习报告，2、第一堂课由学生讲授作业内容，3、课堂讨论和老师讲授。4、习

3、题作业四、声学基本知识要点1、声波概念。2、声线3、声波的描述 波长、频率、声速的范围，以及它们之间的 关系。,8,4、声音的计量 声功率、声强、声压、声功率级、声强级、声压级、响度、总声级（重点是A声级）、声压级的叠加。5、频谱、倍频程的概念6、声波的传播特点 声波的反射、绕射（衍射）（重点）、透射、声波 的聚焦、扩散及特点7、人耳的听觉特性 声源的指向性、时差效应、双耳听闻效应、掩蔽效 应、音调和音色。,9,一、声波及其描述1、声波：弹性介质中，机械振动由近及远的传播称为 声波。2、声波存在条件：1）声源：不断振动的物体。2）弹性介质：传播振动状态的媒质。,第1节 声音的产生与传播,10,

4、3、声波的描述1）物理量的描述：波长入：振动在一个周期的时间所传播的距离。声波波长范围：1.7cm-17m 频率 f：质点在单位时间作完全振动的次数。人耳所 能感觉到的频率大约在2020000Hz之间声速 C：声波在单位时间所传播的距离。,11,声速的大小与介质的物理性质、温度有关。空气中：C=331+0.6 m/s 通常室温下空气中的声速为340M/S.声波、波长和频率之间的关系：=c/f C=f,12,2）几何描述,声场：有声波存在的空间。波阵面：声波从声源出发，在介质中按一定 方 向传播，在某时刻声波到达空间各点 之包迹面。形状：点声源球面波 线声波柱面波 面声源平面波纵波质点振动方向与

5、声波的传播方向相平行；横波质点振动方向与声波的传播方向相垂直；,波阵面,13,声线：自声源发出代表声能传播方向的曲线，代表声 音传播的方向，垂直于波阵面。仅在均匀、各向同性的介质中，声线是直线。声线的意义：声线代表了声传播的方向但不考虑波动性，因此声传播问题得到了简化，它是一种研究声传播规律的简明工具。几何声学：用声线来研究声传播的声学。,14,15,相 同 点 不 同 点振动：机械运动 质点平衡位置往返，能量守恒声波：机械振动 若干质点，各自平衡位置往返 能量传递,3）、声波与振动的区别,16,1、声的绕射（衍射）（补：惠更斯原理）1）现象：隔障碍物可听到声音2）定义：声波在经过障碍物时，其

6、传播方向要发生改 变，能绕过障碍物继续前进的现象。3）结论：障碍物尺度与声波波长相比足够大，该物体 对声传播才有影响，才能改变声的传播方 向。特点：声波的频率越小，波长越长绕射的现象越明显。举例：在建筑中由于声音的绕射造成的危害,二、声波的传播特性,17,惠更斯原理：在任一时刻，波阵面上的各点都可以看作一个发射于波的新波源，在下一时刻，这些子波的包迹面就是实际波源在此刻的新的波阵面。,二、声波的传播特性,18,19,2、声的反射1）现象：在较大的障碍物前（如墙等）或封闭空间 中，听见的声音较旷野里大，甚至声源关闭 后，声音较长时间才消失。2）定义：声波传到两个介质分界面时，部分声波从界 面返回

7、原介质的现象。3)反射条件：障碍物反射板的尺度充分大（大于波 长）。,20,4）反射定律 a 反射线、入射线、法线在同一平面。b 反射线、入射线 在法线的两侧 c 反射角=入射角5）典型反射面的应用平面镜象反射凹面形成声聚焦凸面声扩散（尺度应与入比较）,21,O,O,反射,入射角i等于反射角,i,O,O,特点：1、反射波就象从声波的映象-O发出似的。O-O 对称。2、声线入射角等于反射角。,22,23,3、声的透射1）现象：隔墙可以听到声音2）定义：声传播过程中，部 分声能被反射、部 分被吸收、部分透 过障碍物继续传播 本课程重点研究它的反面不透声隔声,24,4、吸声概念1）声传播的能量分配

8、Eo=Er+E+E 能量守恒2）反射系数 r=Er/Eo 透射系数=E/Eo3）吸声系数=1-r概念：从入射声能所在空间考虑，除反射声以外，均不会 引起该空间声场的变化，故认为除去反射声的声能 以外，均视为被围护结构所“吸声”。定义：=（Eo-Er）/Eo=（E+Er）/Eo问题：窗洞的吸声系数多少？吸声系数不等于吸收系数！,25,5、声的干涉1）现象 在同一空间中可能出现的随位置的不同声 能分布不均匀，声音从而随位置变大或变 小，甚至声音沉寂的区域。2）定义：两种频率相同，相位相同或相位差固定的 两列波叠加，在重叠区域某些位置振动加 强，另一些位置声振动减弱的现象。3）结果：使声场分布极不均

9、匀。,26,6、大气的影响1）声折射从地表到几十公里的高空，空气的温度与密度随高度而变化，由于它们的不均匀性，从而大气层中的声速也是随位置而变化的。由波的传播特性可知，声波将发生向声速较小的介质层折射。,27,白天：在太阳的热辐射下，地表很热，空气的温 度随高度增加而逐渐减小，所以在白天地 面附近的空气层中声线向上弯曲，这样在 水平方向上声传播距离减小，听闻不佳。夜间：地表向空中辐射能量（长波）迅速冷却，从而空气的温度随高度的增加而增加。从 高空到地面声速随高度减小而减小，声线 向下弯曲。在水平方向上声传播距离增 大，听闻效果好。,问题：在设计露天剧场时可以如何利用此特性？,28,白天气温随高

10、度增加而减小，直到约40Km高空，再向上由于该层大气强烈吸收紫外线，而气温又上升，因此在40公里以上高空由于气温的升高，又折向地面故出现异常听闻区域。2）空气的吸收由于空气分子间存在摩擦和热传导，使一部分声能转化为热能被消耗，其宏观表现为空气的吸收。,29,第一节 总结,30,声波,声音,振动在弹性介质中传播,声源：振动的物体,声波的描述,声波的传播特性,声波的绕射,声波的吸收,声波的反射,波长,频率,声速,声线,声波波长越长绕射的现象越明显。,声波的波长应大于或相当于反射板的尺寸。,凹面声聚焦,凸面声扩散,平面反射,吸声系数,点声源,面声源,31,问题：1、楼上楼下的住户之间传声，你认为是由

11、 于存在孔洞声音通过绕射现象造成的还 是通过金属管由于金属传声很快造成的。2、绕射现象会造成哪些危害？与建筑设计 有哪些联系？3、反射现象会造成哪些危害？又有哪些好 处？与建筑环境设计有哪些联系？4、每种材料都有吸声的特性，你认为这种特 性在建筑环境设计中会有哪些用途？,32,1、声功率W：声源单位时间内声源向外辐射的声能（W瓦，W微瓦），声功率不等于电功率。1W声功率是最大值。,第2节 声的计量与人的听觉特性一、声功率W、声强I、声压P,33,2.声强I：1）定义：单位时间通过垂直于声传播方向单位 面积的声能量。2）符号：I 单位：W/m2 3）运算：I=W/S声强描述了声能在空间的分布。点

12、声源、自由声场：I=W/（4r 2）,34,3.声压 1）定义：声波存在时压强与无声波时压强间的差值。声波通过时，大气压强的逾量值 符号：单位：Pa,帕斯卡 2）特点：标量。3）分类（测量）瞬时、峰值、有效值4）声强与声压的关系：,C空气特性阻抗，C=415 N.s/m3,35,5）运算：由能量相加推导出声压运算规律加法 I=I1+I2减法平均,36,1.级的引入：1）声压变化数值范围大2)人耳对声的感觉特性 人对声的感觉量近似与声压值的对数成正比。,二、声功率级、声压级、声强级,37,声强的变化范围大约:1万亿倍声压的变化范围大约:1百万倍 用声强、声压 计量很不方便 人耳的感觉变化与声强和

13、声压不成正比例，而是近似地与他们的对数值成正比。由此引入了“级”的概念。级：主观与客观的结合。,38,1.声功率级(dB)基准声强 I0=10 12 W 2.声强级(dB)基准声强 I0=10 12 W/m23.声压级(dB)基准声压 I0=210 5 N/m2,39,E、级的运算 实际问题中提出多个声源发声时相关的计量问题，如70dB与70dB的声叠加问题。,40,41,用声压运算 按级的定义推导级的运算法则。1、分贝相加：相同相加：2、分贝平均：3、分贝相减：,42,4、运算特点：1）不同声压级叠加，总声压级较其中大者的增加值3dB。2）两个声压级间差值10dB（15dB）以上，总声压级较

14、大 者的增值0.5dB。实际问题中的意义是：较小声级可忽略不计。即对“干扰 与不干扰问题。”的判断。问题：0分贝与0分贝相叠加，声压级为多少？声压增加1倍，声压级增加多少分贝？,43,声强与声功率的关系I=W/S W:声功率 S：波阵面面积球面波声强与距离的平方成反比每倍距离衰减6dB。,44,1、声音既是一个客观物理量又是一个主观量。频率相同，强度（声压级）不同响度不同 强度（声压级）相同，频率不同响度不同例：Lp=40 dB f：1000Hz 响 100Hz判断：频率不同，声压级（强度）不同的两个 声音其响度一定不同吗？,三、响度级、总声级和A声级,45,2、定义响度级A、选定标准声音：1

15、000Hz（纯音）Lp=50dBB、f1(2000Hz)（待测）48 f2(100Hz)(待测）59 他们的响度级都是：50方定义：某频率声音的响度级等于根据听力正 常的听音的听音判断为等响的1KHz 纯音的声压级。单位：方 1KHz的声压级为响度级,46,3、等响曲线1）现象：人耳对不同频率的声音，同频率声压级强 度不同的声音均有不同的感觉。这说明“耳”的主观性极大。测定：a 对象 1825岁大量听力正常的青年 b 环境 声学消声室 c 方法 听音者对声源，用两耳同时听，比较试听声音 与1KHz的对照声，调节试听声与1KHZ的对照 声，调节试听声使二者“等响”。然后测量听者 不在时，其耳朵所

16、在位 置2种声音的声压级，取得一个等响点。,47,48,每个听者对若干频率和各声压级重复多次确定。大量听者重复多次，然后统计平均。d 将等响点连接就得到等响曲线。2）定义：听者认为响度相同纯音的声压级与频率间关 系曲线。3）意义：利用等响曲线可以判断不同频率的声音，在“响”这个特征上的差别。,49,从等响曲线上能总结出何种规律？,50,特点：a、人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏 感。b、低响度级曲线上，相应的各频率声压级变化 较大。高响度级曲线上，相应各频率的Lp差 别小，曲线较平直。c、响度级差10方，能量不一定差10倍，低频声 更明显。,51,d、可听阈不在1KHz 0dB处，经准确测

17、量 平均 听阈 1KHz是4.2dB处。即4.2方曲 线为可听阈曲线。e、人耳对低频声的变化敏感。,52,4、总声级1）、复合声评价a 对各种复合声应有反映“人”主观感觉响度的大 小，量度方法。b 由等响曲线知不同频率的纯音对人耳刺激量的 贡献不同，而且在高声级与低声级时有差异。高声压级时不同f对响度的贡献相近 低声压级时不同f对响度的贡献差异大 因此 既要考虑声压级大小，也要考虑f。,53,2）总声级复合声所有频率的声音的总响度级 计量（每个频率的声音响度级按一定的规律相加）声级计响度级计量仪器（1）线性声级（线性网络或总声压级）：对任何频率的声音均无衰减，是各个频率 声压级的迭加总和，基本

18、上是一客观的物 理量。,54,(1)A声级（A计权网络）：在各个频率的声 压级进行迭加时对500Hz以下的声音作了 较大衰减后进行迭 加，衰减比例参考了40 方的等响曲线（倒立形状），这符合人耳的听觉特性，与人耳所感觉的响度相近 似，对人有影响的噪音测量用A声级。,5.A声级,55,56,（2）B声级（B计权网络）：模拟70方等响曲 线倒立形状，对低频段500Hz以下的声音 有一定的衰减。（3）C网络：摸拟85方以上的等响曲线倒立后 的形状，整个频率衰减不多，接近线形。（4）D声级：它主要用于测量航空噪音。,57,经过50多年，特别是近20年来的实践，认为三段划分的意义不大，公认A计权表达复合

19、声最合适，与人的感觉更符合，因 此，各种声音的评价中使用A声级,58,例：测的31.516KHz10个倍频带声压级均为80dB，求总声压级与A声级 解：1）总声压级（线性声压级）Lp=80dB+10lg10=90dB,59,2）A声级 先求计权，后求各频带的有效值 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K-39.4-26.2-16.1-8.6-3.2 0 1.2 1.0-1.1-6.6 40.6 53.8 63.9 71.4 76.8 80 81.2 81 78.9 73.4 按照迭加公式，得 87.2dB 声级迭加中注意 当仅为2个迭加，其中一个较小10dB以上

20、 可忽略 较小10dB的声级有多个时，则视情况而定。,60,当声源尺寸L和声波波长之间的关系为：1、L入时：无方向性，声源可看作点声源，球面波。2、L 入时：有方向性，声源已不是点声源。L比入大得越多，指向性越强。频率越高、波长越短，方向性越强；频率越低、波长越长，方向性越差。,四、声源的指向性,61,1、问题的提出1）音质设计中要控制厅堂对不同频率的反应。2）噪声控制中需分析其声级的部分相应频率以便有针 对地进行处理。2、纯音与复合声 纯音：单一频率的声音，又称单频声 复合声：若干纯音的组合。,五、频谱,62,1）定义：组成复合声的所有频率或频带声压级表示 为频率的函数分布图形或列表。2）种

21、类：线状谱：若干纯音组成（乐音）连续谱：由所有频率的声音组成。3）乐音组成：基频：复合声中最低的频率，又称主频 分音：复合声中除基频以外的其他纯音 谐音：频率为基频整数倍的分音。,3、频谱的表示,63,64,65,线谱表示：用每一个分音的频率和与之对应的 声压级表示问题:对于连续谱，要象线谱那样分成若干分，你 首先会想到用什么方法划分？连续谱表示：用每一倍频程和与之对应的声压级表示 1倍频程：两频率之比为2：1的频带。fu/fl=2，fn/fx=2n，fc=(fu.Fl)1/2,n=log 2(fn/fx)fc为中心频率，常用它代表该倍频带。,4、频谱的表示,66,1/3倍频程：n=1/3时：

22、称两频率相距1个1/3倍频程 n=K1/3称为K个1/3倍频程 显然31/3=1，则3个1/3倍频程=1个倍频程 的距离。,67,2）倍频程意义 倍频程，1/3倍频程均仅表示频率划分时两个频率 之间的距离。显然1/3倍频程较倍频程细。3)倍频带，1/3倍频带 1倍频程或1/3倍频程所包含的所有频率带 当f上，f下满足1倍频程时为1倍频带 当f上，f下满足1/3倍频程时为1/3倍频带 其中心频率f中2=f上f下,68,4）倍频带划分标准 倍频带、1/3倍频带及其中心频率划分采用ISO所 规定的标准。音质设计主要研究范围一般：125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带音乐：63 125

23、250 500 1K 2K 4K 8K 八个倍频带实验室精细研究：125 4K 18个1/3倍频带63 8K 24个1/3倍频带,69,70,71,声音的频谱特性、线谱、连续谱频谱的划分倍频程音质设计主要研究范围：一般：125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带音乐：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 八个倍频带,72,作 业：1、在声音的物理计量中采用“级”，有什么使用意义？2、某居住区与工厂相邻。该工厂10台同样机器运转时的噪 声级为54dB，如果夜间的噪声允许值为50dB，问夜间只 能有几台机器同时运转？3、绕射（或衍射）和反射与频率有关吗？有什么关系？这些现

24、象对我们的建筑环境有影响吗？,73,声音的三要素1）响度 听觉判断声音强弱的属性 响度反映了由声音入射到鼓膜，听音所获 得的感觉量，它主要依赖于引起听觉的声压和频率2）音调 听觉判断声音高低的属性。音调由该复合声的基频所决定，另外其强 度，波形，时间长短也有一定影响。,六、音调和音色,74,3）音色：人在声觉上区别具有同样响度和音调的两个 声音所以不同的特性。主要由刺激的频谱决 定，由谐波的多少、成分等有关。,75,76,1.反射声直达声时间差 50毫秒 人耳可能听出两个声音可能形 成回声。,直达声,反射声,声源,七、时差效应（哈斯效应）,77,根据两只耳朵听到的 可以判断声源的 声音强度差、

25、方向、到达 的时间差 确定其位置。相位差,八、双耳听闻效应,78,特点：双耳分辨能力：左右水平方向远大于上下垂直方向 通常可辨别：水平方向5001500的变化，垂直方向有时要达到660才能分辨。问题：由于双耳听闻效应可能会导致扬声器 和发 声者之间产生声源异位现象。应用：厅堂中扬声器的布置方式,79,掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏 度因另一个声音的存在而降低的现象。掩蔽特点：1、掩蔽声和被掩蔽声的频率相近时，掩蔽量 最大；2、掩蔽量的声压级越大掩蔽量也越大，对高 频声的掩蔽越显著；3、低频声对高频声的掩蔽作用大，高频声对 低频声的掩蔽作用较小。,九、掩蔽作用,80,噪声对人干扰的因素：1、声压级或声级，强度大干扰大；2、声音的持续时间，持续时间长干扰大；3、声音的变化情况，变化大干扰大；4、复合声的频谱成分，低频噪音的干扰比声级 相等的高频声小。可以清楚辨别的峰值超过 平均噪音级10分贝左右的噪音，使人感到特 别刺耳。,81,作业1：要加强声源的指向性，可如何处理声 源？作业2：由于方位感特性，在厅堂中布置扬声器 时，可能会 出现什么问题，应如何避 免，扬声器布在什么方向比较合适？作业3：预习下一章室内声学原理，并写出预 习报告,