第二篇 建筑声学ARCHITECTURAL ACOUSTICS声学原理噪 声吸声材料与建筑隔声室内音质设计第五章 声学原理本章提要:物体围绕平衡位置所作的往复运动称为机械振动，单位时间内往返运动 的次数称为频率，其单位为赫兹Hz，频率在20-20，000HZ之间的振动称为 声振动，其传播过程能引起人的听觉，形成声波，也称声音或声。 理解声音的物理本质及其效果； 学会运用声学及其测量的基本术语； 了解声音的传播和改变过程； 理解声音对于人类听觉的影响； 了解声音损耗的原因和机理。5.1 声音的产生与描述5.1.1 声音的产生任何物体发生振动时均会迫使周围的媒质发生相应振动，使该振动在媒质中由近及远地 传播，产生波动。没有扰动的空气振源被压缩的区域被稀薄的区域在声波中不同的空气压强 这种声振动在媒质（空气）中的传播称为声波，也称声音；产生声振动的物体称为声源。产生声波必备的两个条件： A. 要有能产生声振动的物体； B.要有能传播声振动的载体（媒质）。根据传播媒质的不同，声音可分为：A. 空气声：通过空气传播的声音。B. 固体声：通过固体（如地板、钢铁等）传播的声音。5.1.2 声波的描述 声波的几何描述声波存在的空间称为声场，某一时刻声波到达的空间各点的包迹面称为声波面；处在最 前面的声波面称为声波前，声波面有无数个，声波前只有一个。波面为平面的声波称为平面声波，波面为球面的声波称为球面波。点声源产生的声波为 球面声波，在离声源足够远的局部范围内则可以近似地视为平面声波。声波的传播方向称为声波线（简称波线），在空气中，波线恒与波面垂直。平面波的波 线为一系列垂直于波面的平行射线，球面波的波线为一系列沿半径方向的射线。波前波面波线(a)平面波(b)球面波声波的波前、波面与波线描述声波的物理量 A 周期与频率 物体完成一次完全振动所需的时间称为周期（T），单位为秒（S）。 每秒钟完成的振动次数称为频率（f），单位为赫兹（Hz）。 周期与频率的关系：T=1/f声波的周期与频率与声振动的周期与频率相同，它们是声波时间周期性的反映，即每经过 T 时 间，空间就传播了一个完整的声波。B 波长 声波在一个周期内所传播的距离，即在波动上任意两个最近距离的相同波相的点之 间的距离称为声音的波长（），单位为米（m）。C 声速 单位时间内，声波在媒质中的传播距离称为声速（c&u），单位为米/秒（m/s）。 声速的大小与媒质的物理特性有关：媒质不同，声速也不相同。一般而言，声波在固体中的传播速度最快，液体次之，空气中最慢。 对于同种媒质，如果温度不同，其声速也不相同。空气传声会随着温度的增加而增加，在标准大 气压下，声速 c0=331m/s 。在常温下（即200c），c=340m/s。以上三个物理量之间的关系：c=/T= f橡皮（00C） 50m/s 空气（00C） 331m/s 空气（200C） 340m/s 软木（00C） 500m/s 水（00C） 1，481m/s 水（250C） 5，200m/s 钢（00C） 5，050m/s 钢（250C） 5，300m/s混凝土（00C） 3，100m/s 花岗岩（00C） 3，100m/s松木（00C） 3，140m/s 玻璃（00C） 3，320m/s一些常见媒质中的声速5.2 声波的特性5.2.1 声波的能量声强声波具有能量，其大小即与声波的频率、波幅有关，又与时间与声波通过的面 积有关。 反映声波能量传播特性的物理量为声波强度，简称声强。定义：单位时间内通过垂直于传播方向上每单位面积上的声能。符号：I单位：瓦/米2（W/m2）表达式：I=(1/2)A22c媒质的密度，单位kg/m3；=2f称为圆频率，单位Hz；A 波幅（同振幅），单位m；c 声速，单位m/s.其实质是声功率密度。5.2.2 声波的反射与衍射 声波的反射声波在传播过程中遇到尺度比其波长大得多的障碍物时将有部分声波被反射回 原媒质，这种现象称为声反射。声波反射定律： A. 入射声波与反射声波分居法线的两侧； B. 入射角等于反射角。 回声与混响A. 回声 回声是一种特殊的反射声，在某些情况下，当传到人耳的入射声与从较远的 障碍物反射回来的反射声的时差大于 50ms 时，便可以清楚地听到两种非常相似 的声音原声与反射声，这样的反射声称为回声。产生回声的条件： （1）要有足够的时间差，即传到人耳的原声与反射声的时间差必须大于 50ms ； （2）要有足够的声压级差，即某个反射声的声压级必须要比其他反射声的声压级大。B. 混响混响（声）是回声以外的其他反射声之总和（叠加）。C. 最佳混响时间声源停止发声后，室内声强便开始衰减，声强减至原声强的百万分之一，即 衰减 60dB 所经历的时间称为混响时间，用 T60 表示，单位秒（s）。T60 越大，说明混响时间越强；反之，混响越弱。 声波的衍射A. 衍射 如果声波在传播过程中遇到障碍物（或洞口）的尺寸较之波长为小，声波将会 绕过障碍物而向其后的“ 阴影区 ”传播，使阴影区的声强不为零，这种现象称为声 衍射。一般而言，波长越长（或障碍物尺寸越小），其衍射越显著。声波的衍射B. 声透射当声波遇到障碍物时，其疏密相间的运动（振动）压力会推动障碍物内部也发 生相应振动，进而带动另一侧的媒质发生振动，使声波透过障碍物而传播，这种现 象称为声透射，其强度与障碍物的物理特性有关。C. 声吸收由于振动在障碍物中传播时会伴随有摩擦、碰撞等过程发生，导致部分声能转 化成其他形式的能量（如热能）而耗散，致使经过障碍物后的声能衰减，这种现象 称为声吸收，其强度也与障碍物的物理性能有关。声反射、声透射与声吸收的关系：E0=E+E+E声波的这三种性质的强弱，与障碍物（即材料）的性质有关。5.2.3 声波的干涉与声驻波的形成 声波的干涉当两列同频率、同振动方向且相位差恒定的声波在同一媒质中传播时，会在相 遇区域的某些固定点始终产生振动相长（彼此加强）的效果，而在另一些固定点始 终产生振动相消（彼此减弱）的效果，这种现象称为声波的干涉，满足这种相干条 件的声波称为相干声波。 声驻波如果两列相干声波的振幅相等，且传播方向相反（入射声波及其反射波在空间 相遇就会出现这种的情况），则它们在空间的叠加便会生成驻波，称为声驻波。5.3 声音大小的度量5.3.1 声压与声压级 声压声波是由空气分子振动形成的疏密波，如果空气中不存在声波，则空气的压强即为大气 压；如果空气中有声波传播，则声场中的空气将作周期性的疏密变化，使空气中的压强在大 气压附近变化，相当于在原大气压的基础上，在附加了一个随时间而变化的附加压强，这个 附加压强成为声压（P)，单位：Pa（帕）。有效声压：声振动随时间变化，声压也随时间而变化，当声压变化呈周期性时，其大小常用周期内 声压作用力的方均根值来表示，这样的声压称为有效声压。表达式：P = Pm/2基准声压（闻阈或声压下限 P0 ) 对大多数听力正常的人而言，频率为1，000赫兹的声音对听觉的感受最灵敏，在这样 的频率下，声压为210-5 Pa 的声音恰好能听见（低于此的声音则听不见），这样的声压 称为闻阈。痛阈（声压上限）声压超过 20Pa ，会使耳朵感到疼痛，这一声压称为痛阈（声压上限）。 声压级人对声音的感觉并不与声压大小成正比（即声压增加1倍，但人感觉的声音大小却并未比原 来的声音增强1倍），而是与声压的对数成正比，所以声学中常用声压与基准声压的比的对数来 表示声音的大小，其值称为声压级（Lp）。表达式： Lp = 20lg P/P0P0 基准声压： 210-5 Pa 此时，闻阈的声压级为 0dB，痛阈的声压级为 120dB；每当声压增加 1 倍时，声压级就增加 6dB。 声压与声压级声压的物理实质为单位面积上的受力，因此：当几个声音叠加在一起时： P总2= P1 2 P2 2 P3 2 Pn 2几个声压相等的声音叠加，其P总2 = nP2Lp = 20lg nP2/ P0 = 20lg P/P010lg n所以，当两个声压相等的声音叠加时，其声压级仅比单个声音的声压级高出约 3dB。 两两合成法 A. 计算两个声波的声级差； B. 利用对数修正值找出修正量； C. 将修正量加到较高的声压级上，即为所求。一些常见声音的声压与声压级声 音声 压（Pa）声压级（dB）火箭、导弹、飞船发动5m远处喷气式飞机发动大炮痛阈1m远处汽车喇叭、摇滚音乐发电站、通风机房载重汽车一般车间一般谈话（1m远距）大商店内部一般民宅内部影剧院演出时观众席中轻声耳语手表摆动呼吸闻阈623 200 63 20 6.3 2 0.63 0.2 0.063 0.02 6.310-3 210-3 6.310-4 210-4 6.310-5 210-5150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 05.3.2 声功率级与声强级 声功率与声功率级A. 声功率单位时间内声源所辐射的声能称为声功率（W），单位瓦（W）。自然界中感知的声功率范围在 10-12W 到 108W 之间。 B. 声功率级声功率W与基准声功率W0（=10 -12W ）之比的对数称为声功率级（Lw），单位dB（分贝）。Lw=10lg W/ W0几种常见声源的声功率及其声功率级声 源 声功率 声功率级轻声耳语 1.010-9 30低声交谈 1.010-8 40一般交谈 1.010-5 70大声喊叫 1.010-3 9075KW电动机 1.010-2 100覆带式拖拉机 1.010-1 110小型飞机巡逻 1.0102 140喷气发动机 1.0104 160大型火箭发动机