建筑物理(声)冷御寒1 1绪 论2 2 （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3 3 （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4 4（）建筑物理西安建筑科技大学，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5 5一、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6 6三、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。7 74、声音的计量 声功率、声强、声压、声功率级、 声强级、声压级声压级、响度、总声级（重点是重点是A声级声级）、 声压级的叠加。5、频谱、倍频程倍频程的概念6、声波的传播特点 声波的反射、绕射（衍射）（重点）、透射、声波声波的反射、绕射（衍射）（重点）、透射、声波 的聚焦、扩散及特点的聚焦、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。8 8一、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9 93、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：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频率大约在2020000Hz2020000Hz之间之间声速 C： 声波在单位时间所传播的距离。 1010 声速的大小与介质的物理性质、温度有关。声速的大小与介质的物理性质、温度有关。空气中：空气中： C=331+0.6m/sC=331+0.6m/s 通常室温下空气中的声速为通常室温下空气中的声速为340M/S.340M/S. 声波、波长和频率之间的关系：声波、波长和频率之间的关系： =c/f=c/fC=fC=f 11112）几何描述声场声场声场声场：有声波存在的空间。：有声波存在的空间。：有声波存在的空间。：有声波存在的空间。l l波阵面波阵面波阵面波阵面：声波从声源出发，在介质中按一定：声波从声源出发，在介质中按一定：声波从声源出发，在介质中按一定：声波从声源出发，在介质中按一定 方方方方 向传播，在某时刻声波到达空间各点向传播，在某时刻声波到达空间各点向传播，在某时刻声波到达空间各点向传播，在某时刻声波到达空间各点 之包迹面。之包迹面。之包迹面。之包迹面。形状：形状：点声源点声源球面波球面波球面波球面波线声波线声波柱面波柱面波柱面波柱面波面声源面声源平面波平面波平面波平面波纵波纵波质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相平行平行平行平行；横波横波质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相质点振动方向与声波的传播方向相垂直垂直垂直垂直；波阵面1212声线声线：自声源发出代表声能传播方向的曲线，代表声代表声 音传播的方向，垂直于波阵面。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。13131414 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15151、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1616惠更斯原理：在任一时刻，波阵面上的各点都可以在任一时刻，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。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171718182、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）。19194）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）2020 O O反射入射角入射角i等于反射角等于反射角 i OO特点特点：1、反射波就象从声波的映象反射波就象从声波的映象- O发出似的。发出似的。 O-O 对称。对称。2、声线入射角等于反射角。、声线入射角等于反射角。212122223、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23234、吸声概念1）声传播的能量分配 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！吸声系数不等于吸收系数！24245、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：使声场分布极不均匀。25256、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。2626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？问题：在设计露天剧场时可以如何利用此特性？2727白天气温随高度增加而减小，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。2828第一节第一节 总结总结2929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波长长频频率率声速声声线线声声波波波波长长越越长长绕绕射射的的现现象象越越明明显显。声声波波的的波波长长应应大大于于或或相相当当于于反反射射板板的的尺尺寸寸。凹凹面面声声聚聚焦焦凸凸面面声声扩扩散散平平面面反反射射吸声系数点声源面声源3030问题：问题：1、楼上楼下的住户之间传声，你认为是由、楼上楼下的住户之间传声，你认为是由 于存在孔洞声音通过绕射现象造成的还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。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、绕射现象会造成哪些危害？与建筑设计 有哪些联系？有哪些联系？3、反射现象会造成哪些危害？又有哪些好、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？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、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？性在建筑环境设计中会有哪些用途？31311、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。声功率不等于电功率。1W声声功率是最大值。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P32322. 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。声强描述了声能在空间的分布。 点声源、自由声场点声源、自由声场：I=W/（4r 2 ）33333. 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 C空气特性阻抗，空气特性阻抗， C=415 N.s/mC=415 N.s/m3 334345）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35351. 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、声强级二、声功率级、声压级、声强级3636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声压不成正比例，人耳的感觉变化与声强和声压不成正比例， 而是近似地与他们的对数值成正比。而是近似地与他们的对数值成正比。 由此引入了“级级”的概念。级：主观与客观的结合。37371. 1.声功率级声功率级 ( (d dB)B)基准声强基准声强 I0=10 12 W 2. 2.声强级声强级( (d dB)B)基准声强基准声强 I0=10 12 W/m23. 3.声压级声压级 ( (d dB)B)基准声压基准声压 I0=210 5 N/m23838E、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。39394040 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：相同相加： 2、分贝平均： 3、分贝相减：41414、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？ 4242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。 43431、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）不同频率相同，强度（声压级）不同响度不同响度不同 强度（声压级）相同，频率不同强度（声压级）相同，频率不同响度不同响度不同例：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？声音其响度一定不同吗？ 三、响度级、总声级和A声级44442、定义响度级、定义响度级A、 选定标准声音：选定标准声音： 1000Hz（纯音）纯音）Lp=50dBB、f1(2000Hz)（待测）待测）48 f2(100Hz) (待测）待测）59 他们的响度级都是：他们的响度级都是： 50方方定义：某频率声音的响度级等于根据听力正定义：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常的听音的听音判断为等响的1KHz 纯音的声压级。纯音的声压级。 单位：单位： 方方 1KHz的声压级为响度级的声压级为响度级45453、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，其耳朵所在位 置2种声音的声压级， 取得一个等响点。46464747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。 4848从等响曲线上能总结出何种规律？从等响曲线上能总结出何种规律？4949 特点： a、 人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏人耳对低频声较为迟钝，对高频声较为敏 感。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。5050d 、可听阈不在1KHz 0dB处，经准确测量 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。51514、 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。52522）总声级）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）：）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，基本上是一客观的物声压级的迭加总和，基本上是一客观的物 理量。理量。 5353 (1)A声级（声级（A计权网络）：在各个频率的声计权网络）：在各个频率的声 压级进行迭加时对压级进行迭加时对500Hz以下的声音作了以下的声音作了 较大衰减后进行迭较大衰减后进行迭 加，衰减比例参考了加，衰减比例参考了40 方的等响曲线（倒立形状），这符合人方的等响曲线（倒立形状），这符合人耳的听觉特性，与耳的听觉特性，与人耳所感觉的响度相近人耳所感觉的响度相近 似，对人有影响的噪音测量用似，对人有影响的噪音测量用A声级声级。5.A声级声级54545555（2）B声级（声级（B计权网络）：模拟计权网络）：模拟70方等响曲方等响曲 线倒立形状，对低频段线倒立形状，对低频段500Hz以下的声音以下的声音 有一定的衰减。有一定的衰减。（3）C网络：摸拟网络：摸拟85方以上的等响曲线倒立后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。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。声级：它主要用于测量航空噪音。5656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 5757 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 58582）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 可忽略 较小10dB的声级有多个时，则视情况而定。5959当声源尺寸当声源尺寸L L和声波波长之间的关系为：和声波波长之间的关系为：1 1、L L入时：入时：无方向性，声源可看作点声源，球面波。无方向性，声源可看作点声源，球面波。2 2、L L 入时：入时：有方向性，声源已不是点声源。有方向性，声源已不是点声源。L L比入大得越多，指向性越强。比入大得越多，指向性越强。频率越高、波长越短，方向性越强；频率越高、波长越短，方向性越强；频率越低、波长越长，方向性越差。频率越低、波长越长，方向性越差。四、声源的指向性四、声源的指向性60601、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61611）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626263636464线谱表示线谱表示：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？连续谱表示连续谱表示：用每一倍频程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为中心频率，常用它代表该倍频带 。 4、频谱的表示65651/3倍频程：n=1/3时： 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。66662）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67674）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：一般： 125 250 500 1K 2K 4K125 250 500 1K 2K 4K 六个倍频带音乐：音乐：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K63 125 250 500 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686869697070声音的频谱特性声音的频谱特性、线谱、线谱、连续谱、连续谱频谱的划分频谱的划分倍频程倍频程音质设计主要研究范围：一般：一般： 125 250 500 1K 2K 4K六个倍频带音乐：音乐：63 125 250 500 1K 2K 4K 8K八个倍频带7171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？ 这些现象对我们的建筑环境有影响吗？7272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、音调和音色六、音调和音色73733）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。747475751. 反射声反射声直达声时间差直达声时间差 50毫秒毫秒 人耳可能听出两个声音人耳可能听出两个声音可能形可能形 成成回声。回声。直达声反射声声源七七、时差效应（哈斯效应）时差效应（哈斯效应）7676根据两只耳朵听到的 可以判断声源的 声音强度差、声音强度差、 方向、方向、 到达到达 的时间差的时间差 确定其位置。确定其位置。 相位差相位差 八、双耳听闻效应八、双耳听闻效应7777特点：双耳分辨能力：特点：双耳分辨能力： 左右水平方向左右水平方向远大于远大于上下垂直方向上下垂直方向 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。问题问题：由于双耳听闻效应可能会导致扬声器由于双耳听闻效应可能会导致扬声器 和发和发 声者之间产生声者之间产生声源异位现象。声源异位现象。应用：厅堂中扬声器的布置方式7878 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、掩蔽作用九、掩蔽作用7979噪声对人干扰的因素：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。8080作业作业1：要加强声源的指向性，可如何处理声：要加强声源的指向性，可如何处理声 源？源？作业作业2：由于方位感特性，在厅堂中布置扬声器：由于方位感特性，在厅堂中布置扬声器 时，可能会时，可能会 出现什么问题，应如何避出现什么问题，应如何避 免，扬声器布在什么方向比较合适？免，扬声器布在什么方向比较合适？作业作业3 3：预习下一章室内声学原理，并写出预：预习下一章室内声学原理，并写出预 习报告习报告8181