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1、第三篇 建筑聲學(xué),第3.1章 建筑聲學(xué)基本知識(shí),3.1.1 聲音 聲源的方向性 3.1.1.1 聲音 空氣中的聲波 聲音：人的聽覺器官對(duì)彈性介質(zhì)的振動(dòng)或壓力的迅速而微小的起伏變化的生理反應(yīng)。 聲音產(chǎn)生于振動(dòng)，振動(dòng)的物體是聲源。 聲波為縱波，介質(zhì)（空氣等）的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行聲波傳播方向（疏密變化）。 聲音與聲源的關(guān)系：振動(dòng)傳播人耳感知聲音 聲音傳播的實(shí)質(zhì)：能量的傳播，而非物質(zhì)的傳播,3.1.1.2 波陣面,聲波在同一時(shí)刻到達(dá)的球面稱為波陣面。,聲波的傳播方向可以用聲線表示。,聲源的類型：點(diǎn)聲源、線聲源、面聲源 波陣面 球面波 柱面波 平面波,聲音的三要素：聲調(diào)（由聲波的頻率決定的）

2、、音量（由聲能的密度決定的）、音色（由聲音的頻譜決定的）。 聲音的速度：聲速的大小取決與介質(zhì)本身的特性，與介質(zhì)的彈性、密度、溫度有關(guān)。常溫下是340m/s。空氣中聲速是溫度的單值函數(shù)。 聲音的頻帶： 人耳可聞?dòng)颍?020000（Hz） 低頻聲：20250 中頻聲：2501000 高頻聲：10001500 聲音的頻程（把聲音分為幾段）： 倍頻程：低：31.5、63 中：250、500、1000、800、1600、3200 具有倍數(shù)關(guān)系,3.1.2 聲功率 聲強(qiáng) 聲壓和分貝,3.1.2.1 聲功率 聲強(qiáng) 聲壓 （宏觀物理計(jì)量法、“級(jí)”的計(jì)量法） 聲功率W：聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能

3、（輸出功率），單位為W（瓦）。 聲強(qiáng)I：每單位面積波陣面上通過的聲功率稱為聲強(qiáng)，單位為W/m2，衡量聲音強(qiáng)弱的物理量。 平面聲波的波陣面都一樣大小，傳過的功率相同，所以聲強(qiáng)不變。 但球面波隨著與聲源的距離r而變，因此球面波的強(qiáng)度與距離平方成反比，越遠(yuǎn)越弱，這稱為平方反比定律。,聲強(qiáng)（聲場(chǎng)中某一點(diǎn)聲強(qiáng)）的計(jì)算： I=W/S （S為聲能通過的面積） 當(dāng)在無反射的自由聲場(chǎng)中，點(diǎn)聲源發(fā)出的球面波均勻向四周輻射聲能，因此距聲源中心為r的球面上的聲強(qiáng)：I=W/4r2，可見對(duì)球面波（點(diǎn)聲源）聲能與聲功率正比，與距離平方反比！ 而平面波（面聲源）的聲線互相平行，同一束聲能通過與聲源距離不同的波陣面時(shí)，聲能沒

4、有變化，所以聲強(qiáng)不變，與距離無關(guān)，也可以理解為S沒有變，故I不變。,聲壓P：空氣質(zhì)點(diǎn)因聲波作用而引起振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大氣壓力的微小起伏變化，即聲波的壓強(qiáng)與媒介的靜壓之差。 IP2/0c 0c=空氣密度空氣中的聲速 因此：在自由聲場(chǎng)中，測(cè)得聲壓和已知測(cè)點(diǎn)與聲源的距離就不難算出聲強(qiáng)和聲功率！ 常溫下空氣的密度：1.2kg/m3。,3.1.2.2 分貝 聲音的疊加,聽覺閾 可聞閾： 人耳剛剛能聽到的聲音， W01012W，I1012W/m2， P02105Pa。 痛閾： 聞之耳有疼痛感， Wmax1W，Pmax20Pa，Imax1W/m2。 聲音級(jí)的度量： 用“級(jí)”表征，用“分貝”標(biāo)度； 聲強(qiáng)級(jí)：

5、 L110lgI/I0 聲壓級(jí)： LP20lgp/p0 聲功率級(jí)： Lw10lgW/W0,聲源聲級(jí)的疊加：非線性，按對(duì)數(shù)運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行。,當(dāng)幾個(gè)非相干的聲源同時(shí)作用時(shí)，某處的聲強(qiáng)為各個(gè)聲強(qiáng)的代數(shù)和：I=I1+I2++Ii；聲壓為各聲壓的均方根 ； 但聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)疊加不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算，而是按對(duì)數(shù)運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行。 如果兩個(gè)聲源的聲壓相等，則疊加后的總聲壓級(jí)為： 在分貝標(biāo)度中，聲壓每加1倍，聲壓級(jí)增加6dB；聲壓每乘10，聲壓級(jí)增加20dB；聲壓級(jí)每增加10dB，人耳主觀聽聞的響度大致增加1倍。,3.1.3 頻率和頻譜 音樂 噪聲,3.1.3.1 頻率和頻譜 f：頻率：質(zhì)點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)的完全振動(dòng)

6、次數(shù)，單位Hz(赫茲）。頻率決定聲音的音調(diào)，高頻聲音是高音調(diào)，低頻聲音是低音調(diào)。 ：波長(zhǎng)：聲波在每次完全振動(dòng)周期所傳播的距離，單位m聲波完成一次振動(dòng)所走的距離。 C：聲速：聲波在某一介質(zhì)中傳播的速度。單位m/s。,在0oC時(shí)，C鋼=5000m/s, C水=1450m/s 在15oC時(shí)，C空氣=340m/s 參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f 或 =c/f,user: 聲源、介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、聲接收點(diǎn)的振動(dòng)頻率相同；傳播的是振動(dòng)形式而非質(zhì)點(diǎn)。,聲音的頻譜頻譜表示某種聲音 頻率成分及其聲壓級(jí)組成情況的圖形傅立葉理論及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)證明： 理論上，任何振動(dòng)的波形都可以分解為若干單頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。,分立譜：如弦振

7、動(dòng)產(chǎn)生的聲音。 連續(xù)譜：談話、機(jī)器的噪聲，大多數(shù)的自然聲。,如何獲得聲音的頻譜： 使用帶通濾波器進(jìn)行測(cè)量或使用傅立葉數(shù)學(xué)分解。頻譜通常根據(jù)需要分成若干個(gè)頻帶，帶寬（Band)可寬可窄，是人為取定的。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。,在進(jìn)行聲音計(jì)量和頻譜表示時(shí)，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級(jí)值使用整個(gè)頻帶聲壓級(jí)的疊加。,倍頻程：通常將可聞?lì)l率范圍內(nèi)2020Hz分為十個(gè)倍頻帶，其中心頻率按2倍增長(zhǎng)，共十一個(gè)，為：16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K 1/3倍頻程：將倍頻程再分成三個(gè)更窄的頻帶，使頻率劃分更加細(xì)化，其中心頻率按倍頻的1/3增長(zhǎng)，為：12.5

8、 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...,聲源的指向性,聲源發(fā)出的聲音在各個(gè)方向上分布不均勻，具有指向性。 聲源尺寸比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看作點(diǎn)聲源，無指向性。 聲源尺寸比波長(zhǎng)差不多或更大時(shí)，聲源不再是點(diǎn)聲源，出現(xiàn)指向性。人們使用喇叭，目的是為了增加指向性。,人耳可聽頻率范圍（聽域）為20Hz20KHz, 20KHz為超聲。其中，人耳感覺最重要的部分約在100Hz4000Hz,相應(yīng)的波長(zhǎng)約3.4m8.5cm,3.1.3.2 音樂,純音：?jiǎn)我活l率的聲音。 基音：最低頻率的聲音，人們據(jù)以辨別其音調(diào)，該頻率稱為基頻。 諧音：其頻率是基音的整數(shù)倍，把諧音組合在一

9、起則決定了聲音的音色和音質(zhì)。 由于音樂聲只含有基頻和諧頻，所以音樂的頻譜是線譜。,3.1.3.3 噪聲,3.1.4 聲音在戶外的傳播,3.1.4.1 點(diǎn)聲源隨距離的衰減 3.1.4.2 線聲源隨距離的衰減 （1）無限長(zhǎng)線聲源 （2）有限長(zhǎng)線聲源 3.1.4.3 面聲源隨距離的衰減,3.1.5 聲波的反射 折射 衍射 擴(kuò)散 吸收和透射,聲波作為機(jī)械波，具有機(jī)械波的所有特征。有繞射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。,3.1.5.1 聲反射 聲折射 聲衍射和聲擴(kuò)散,（1）平面的反射 （2）曲面的反射 反射的規(guī)則： 1）入射線、反射線法線在同一側(cè)。2）入射線和反射線分別在法線兩側(cè)。3）入射角等于反

10、射角。Li=L,（3）聲折射 聲波在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)，除了反射外，還會(huì)發(fā)生折射，從而改變聲波的傳播方向。即使在空氣中傳播，隨著離地面高度不同而存在的氣溫變化，也會(huì)改變聲波的傳播方向。 （4）聲衍射 聲音繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)傳播的現(xiàn)象。其發(fā)生的可能與程度取決于聲波波長(zhǎng)和障礙物的尺寸的比擬；當(dāng)聲波波長(zhǎng)障礙物的尺寸時(shí)，發(fā)生衍射。,聲波在傳播過程中遇到障礙或孔洞時(shí)將發(fā)生衍射。衍射的情況與聲波的波長(zhǎng)和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。,（5）聲擴(kuò)散 當(dāng)障礙物的尺寸與聲波相當(dāng)時(shí)，將不會(huì)形成定向反射，而以障礙物為一子波源，形成擴(kuò)散。,3.1.5.2 聲吸收和透射,聲波在空氣中傳播時(shí)，由于振動(dòng)的空氣

11、質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦而使一小部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，常稱為空氣對(duì)聲能的吸收。 當(dāng)聲波碰到室內(nèi)某一界面后（如天花、墻），一部分聲能被反射，一部分被吸收（主要是轉(zhuǎn)化成熱能），一部分穿透到另一空間。,透射系數(shù)： 反射系數(shù)： 吸聲系數(shù)：,不同材料，不同的構(gòu)造對(duì)聲音具有不同的性能。在隔聲中希望用透射系數(shù)小的材料防止噪聲。在音質(zhì)設(shè)計(jì)中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場(chǎng)。,3.1.6 駐波和房間共振 混響時(shí)間 室內(nèi)聲壓級(jí),3.1.6.1 駐波和房間共振 駐波是駐定的聲壓起伏。 聲音強(qiáng)度的變化取決于人們的聽聞位置，對(duì)于較高頻率的聲音，僅僅是聽者頭部的移動(dòng)，就能感覺到聲音響度的變化。 3.1.6.2 混響時(shí)間 室內(nèi)聽聞點(diǎn)接收

12、到的聲波有兩部分：直達(dá)聲、反射聲； 混響：聲音在室內(nèi)自穩(wěn)態(tài)開始衰減的過程； 混響時(shí)間：聲音自穩(wěn)態(tài)衰減至原有音聲萬分之一所經(jīng)歷的時(shí)間，即聲音自穩(wěn)態(tài)衰減60dB所經(jīng)歷的時(shí)間。,混響時(shí)間的計(jì)算,混響理論與賽賓 （適用與室內(nèi)平均吸聲系數(shù) 小于0.2的情況）： T60f (V.A)K.(V/A) A室內(nèi)總吸聲量，室內(nèi)總表面積S平均吸聲系數(shù)； V房間容積； K常數(shù)，多取0.161； 伊林公式（本式只考慮了室內(nèi)表面的吸聲作用) 不足：當(dāng)室內(nèi)空間較大，聲音頻率較高（2000Hz），需要考慮空氣吸聲時(shí)，將產(chǎn)生較大的偏差，那就出現(xiàn)了哈里斯公式！ 哈里斯公式（本式考慮了空氣的吸聲作用）： 空氣吸聲量：

13、將相應(yīng)之吸聲系數(shù)（4m值）房間容積V。,混響時(shí)間計(jì)算的假設(shè)：,室內(nèi)聲場(chǎng)是充分?jǐn)U散的，即室內(nèi)任一點(diǎn)的聲音強(qiáng)度一樣，而且在任何方向上的強(qiáng)度一樣； 室內(nèi)聲能按同樣的比例被各表面吸收，即吸收是均勻的。,3.1.6.3 室內(nèi)聲壓級(jí),在室內(nèi)距離聲源r處的聲壓級(jí)可按下式計(jì)算：,Q：指向性因素，取決于聲源與接收點(diǎn)的相對(duì)位置；Q取值有1、2、4、8 R：房間常數(shù),,,,,平均吸聲系數(shù),S房間總表面積,3.1.7 人對(duì)聲音的感受3.1.7.1 人耳的聽覺 響度級(jí) A聲級(jí),（1）人耳的聽覺 人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo),（2）響度級(jí) 聲級(jí)計(jì)和A聲級(jí),人耳對(duì)不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對(duì)于底于1000H

14、z和高于4000Hz的聲音，靈敏度降低。 不同頻率，相同聲壓級(jí)的聲音，人聽起來的響度感覺不一樣。 以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測(cè)聽起來和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級(jí)構(gòu)成一條曲線叫“等響曲線”。 響度單位是“方”。 隨著聲壓級(jí)的提高，對(duì)頻率的相對(duì)敏感度也不同聲壓級(jí)高，相對(duì)變化感覺?。宦晧杭?jí)低，相對(duì)變化感覺大。,40方等響,聲級(jí) 線性聲級(jí)（L聲級(jí)）將各個(gè)頻帶的聲音級(jí)疊加，得到線性聲級(jí)。,A 聲級(jí) A 聲級(jí)是使用40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜進(jìn)行加權(quán)，之后再進(jìn)行頻帶疊加。 A聲級(jí)對(duì)500Hz以下的聲音進(jìn)行較大衰減，模擬人耳對(duì)低頻不敏感的特性。 A聲級(jí)的數(shù)值單位表示是dB(A),如60dB(A)。,A、B、C、D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),A:模擬人耳響應(yīng)，40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。B:以70方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，低頻衰減比A聲級(jí)小。C:以85方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),整個(gè)可聽范圍內(nèi)衰減小。D:主要用于航空噪聲測(cè)量。,