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1、第三篇 建筑声学第章第章 建筑声学基本知识建筑声学基本知识3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 声音声音声音声音 声源的方向性声源的方向性声源的方向性声源的方向性3.1.1.1 3.1.1.1 3.1.1.1 3.1.1.1 声音声音声音声音 空气中的声波空气中的声波空气中的声波空气中的声波声音：人的声音：人的听觉器官听觉器官对对弹性介质弹性介质的的振动振动或或压力压力的的迅速迅速而微小的起伏变化而微小的起伏变化的的生理反应生理反应。声音产生于振动，振动的物体是声源。声音产生于振动，振动的物体是声源。声波为纵波，介质（空气等）的质点振动方向平行声声波为纵波，介质（空气等）的质点振动方
2、向平行声波传播方向（疏密变化）。波传播方向（疏密变化）。声音与声源的关系：振动声音与声源的关系：振动传播传播人耳感知人耳感知声音声音声音传播的实质：能量的传播，而非物质的传播声音传播的实质：能量的传播，而非物质的传播 3.1.1.2 3.1.1.2 3.1.1.2 3.1.1.2 波阵面波阵面波阵面波阵面声波在同一时刻到达的球面称为波阵面。声波在同一时刻到达的球面称为波阵面。声波在同一时刻到达的球面称为波阵面。声波在同一时刻到达的球面称为波阵面。声波的传播方向可以用声线表示。声波的传播方向可以用声线表示。声波的传播方向可以用声线表示。声波的传播方向可以用声线表示。声源的类型：点声源、线声源、面
3、声源声源的类型：点声源、线声源、面声源声源的类型：点声源、线声源、面声源声源的类型：点声源、线声源、面声源 波阵面波阵面波阵面波阵面 球面波球面波球面波球面波 柱面波柱面波柱面波柱面波 平面波平面波平面波平面波 声音的三要素声音的三要素声音的三要素声音的三要素：声调（由声波的频率决定的）、音量：声调（由声波的频率决定的）、音量（由声能的密度决定的）、音色（由声音的频谱决定（由声能的密度决定的）、音色（由声音的频谱决定的）。的）。声音的速度声音的速度声音的速度声音的速度：声速的大小取决与：声速的大小取决与介质本身介质本身的特性，与的特性，与介质的介质的弹性、密度、温度有关弹性、密度、温度有关。常
4、温下是。常温下是340m/s340m/s。空。空气中声速是温度的单值函数。气中声速是温度的单值函数。声音的频带声音的频带声音的频带声音的频带：人耳可闻域：人耳可闻域：20202000020000（HzHz）低频声：低频声：2020250250 中频声：中频声：25025010001000 高频声：高频声：1000100015001500 声音的频程声音的频程声音的频程声音的频程（把声音分为几段）：（把声音分为几段）：倍频程：低：、倍频程：低：、6363 中：中：250250、500500、10001000、800800、16001600、3200 3200 具具有倍数关系有倍数关系3.1.2
5、3.1.2 声功率声功率 声强声强 声压和分贝声压和分贝3.1.2.1 3.1.2.1 3.1.2.1 3.1.2.1 声功率声功率声功率声功率 声强声强声强声强 声压声压声压声压（宏观物理计量法、（宏观物理计量法、“级级”的计量法）的计量法）声功率声功率声功率声功率W W W W：声源在单位时间内向外辐射的声能（输出：声源在单位时间内向外辐射的声能（输出功率），单位为功率），单位为W W（瓦）。（瓦）。声强声强声强声强I I I I：每单位面积波阵面上通过的声功率称为声强，：每单位面积波阵面上通过的声功率称为声强，单位为单位为W/mW/m2 2，衡量声音强弱的物理量。，衡量声音强弱的物理量。
6、平面声波的波阵面都一样大小，传过的功率相同，平面声波的波阵面都一样大小，传过的功率相同，所以声强不变。所以声强不变。但球面波随着与声源的距离但球面波随着与声源的距离r r而变，因此球面波的而变，因此球面波的强度与距离平方成反比，越远越弱，这称为强度与距离平方成反比，越远越弱，这称为平方反比平方反比平方反比平方反比定律定律定律定律。声强（声强（声场中声场中某一点声强）的计算：某一点声强）的计算：I=W/S I=W/S （S S为声能通过的面积）为声能通过的面积）当在无反射的自由声场中，点声源发出的球面波均当在无反射的自由声场中，点声源发出的球面波均匀向四周辐射声能，因此距声源中心为匀向四周辐射声
7、能，因此距声源中心为r r的球面上的球面上的声强：的声强：I=W/4rI=W/4r2 2，可见对球面波（点声源）声能，可见对球面波（点声源）声能与声功率正比，与距离平方反比！与声功率正比，与距离平方反比！而平面波（面声源）的声线互相平行，同一束声能而平面波（面声源）的声线互相平行，同一束声能通过与声源距离不同的波阵面时，声能没有变化，通过与声源距离不同的波阵面时，声能没有变化，所以声强不变，与距离无关，也可以理解为所以声强不变，与距离无关，也可以理解为S S没有没有变，故变，故I I不变。不变。声压声压声压声压P P P P：空气质点因声波作用而引起振动时产生的：空气质点因声波作用而引起振动时
8、产生的大气压力的微小起伏变化，即声波的压强与媒介的大气压力的微小起伏变化，即声波的压强与媒介的静压之差。静压之差。I IP P2 2/0 0c c 0 0c=c=空气密度空气密度空气中的声速空气中的声速因此：在自由声场中，测得声压和已知测点与声源因此：在自由声场中，测得声压和已知测点与声源的距离就不难算出声强和声功率！的距离就不难算出声强和声功率！常温下空气的密度：常温下空气的密度：。3.1.2.2 3.1.2.2 分贝分贝 声音的叠加声音的叠加听觉阈听觉阈听觉阈听觉阈 可闻阈：可闻阈：可闻阈：可闻阈：人耳刚刚能听到的声音，人耳刚刚能听到的声音，W W0 010101212W W，I I101
9、01212W/m2W/m2，P P0 02102105 5PaPa。痛阈：痛阈：痛阈：痛阈：闻之耳有疼痛感，闻之耳有疼痛感，W Wmaxmax1W1W，P Pmaxmax20Pa20Pa，I Imaxmax1W/m1W/m2 2。声音级的度量：声音级的度量：声音级的度量：声音级的度量：用用“级级”表征，用表征，用“分贝分贝分贝分贝”标度；标度；声强级：声强级：声强级：声强级：L L1 110lgI/I10lgI/I0 0 声压级：声压级：声压级：声压级：L LP P20lgp/p20lgp/p0 0 声功率级：声功率级：声功率级：声功率级：L Lw w10lgW/W10lgW/W0 0声源声级
10、的叠加：非线性，按对数运算规律进行。声源声级的叠加：非线性，按对数运算规律进行。声源声级的叠加：非线性，按对数运算规律进行。声源声级的叠加：非线性，按对数运算规律进行。当几个非相干的声源同时作用时，某处的声强为各当几个非相干的声源同时作用时，某处的声强为各个声强的代数和：个声强的代数和：I=I1+I2+IiI=I1+I2+Ii；声压为各声压的；声压为各声压的均方根均方根 ；但声强级、声压级叠加不能进行简单的代数运算，但声强级、声压级叠加不能进行简单的代数运算，而是按对数运算规律进行。而是按对数运算规律进行。如果两个声源的声压相等，则叠加后的总声压级为：如果两个声源的声压相等，则叠加后的总声压级
11、为：在分贝标度中，声压每加在分贝标度中，声压每加1 1倍，声压级增加倍，声压级增加6dB6dB；声；声压每乘压每乘1010，声压级增加，声压级增加20dB20dB；声压级每增加；声压级每增加10dB10dB，人耳主观听闻的响度大致增加人耳主观听闻的响度大致增加1 1倍。倍。3.1.3 频率和频谱 音乐 噪声 3.1.3.1 3.1.3.1 3.1.3.1 3.1.3.1 频率和频谱频率和频谱频率和频谱频率和频谱f f f f：频率：频率：频率：频率：质点在：质点在1 1秒钟内的完全振动次数，单位秒钟内的完全振动次数，单位Hz(Hz(赫兹）。赫兹）。频率决定声音的音调，高频声音是高音调，低频声音
12、是低频率决定声音的音调，高频声音是高音调，低频声音是低音调。音调。：波长：波长：波长：波长：声波在每次完全振动周期所传播的距离，单位：声波在每次完全振动周期所传播的距离，单位m m声波完成一次振动所走的距离。声波完成一次振动所走的距离。C C C C：声速：声速：声速：声速：声波在某一介质中传播的速度。单位：声波在某一介质中传播的速度。单位m/sm/s。在在0 0o oC C时，时，C C钢钢=5000m/s,C=5000m/s,C水水=1450m/s=1450m/s 在在1515o oC C时，时，C C空气空气=340m/s=340m/s 参数间存在如下关系：参数间存在如下关系：c=fc=
13、f 或或 =c/f=c/f user:user:声源、介质质点、声声源、介质质点、声接收点的振动频率相接收点的振动频率相同；传播的是振动形同；传播的是振动形式而非质点。式而非质点。声音的频谱声音的频谱声音的频谱声音的频谱频谱频谱表示某种声音表示某种声音 频率成分及其声压级组成情况的图形频率成分及其声压级组成情况的图形傅立叶理论及现代信号处理技术证明：傅立叶理论及现代信号处理技术证明：理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。动的合成。分立谱：如弦振动产生的声音。分立谱：如弦振动产生的声音。连续谱：谈话、机器的噪声，大多数的自然声。
14、连续谱：谈话、机器的噪声，大多数的自然声。如何获得声音的频谱：如何获得声音的频谱：使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。倍频带。在进行声音计量和频谱表示时，在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。声压级的叠加。倍频程：通常将可闻频率范围内倍频程：通常将可闻频率
15、范围内2020Hz分为十个倍频带，其中心分为十个倍频带，其中心频率按频率按2倍增长，共十一个，为：倍增长，共十一个，为：16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的其中心频率按倍频的1/3增长，为：增长，为：12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160.声源的指向性声源的指向性声源的指向性声源的指向性声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指
16、向性。声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。人耳可听频率范围（听域）为人耳可听频率范围（听域）为20Hz20Hz20KHz,20Hz20KHz,20KHz20KHz为超声。其中，人耳感觉最重要的部分约在为超声。其中，人耳感觉最重要的部分约在100100HzHz4000Hz,4000Hz,相应的相应的波长约波长约3.1.3.2 3.1.3.2 3.1
17、.3.2 3.1.3.2 音乐音乐音乐音乐纯音纯音纯音纯音：单一频率的声音。：单一频率的声音。基音基音基音基音：最低频率的声音，人们据以辨别其音调，该频：最低频率的声音，人们据以辨别其音调，该频率称为基频。率称为基频。谐音谐音谐音谐音：其频率是基音的整数倍，把谐音组合在一起则：其频率是基音的整数倍，把谐音组合在一起则决定了声音的音色和音质。决定了声音的音色和音质。由于音乐声只含有基频和谐频，所以音乐的频谱是线由于音乐声只含有基频和谐频，所以音乐的频谱是线谱。谱。3.1.3.3 3.1.3.3 3.1.3.3 3.1.3.3 噪声噪声噪声噪声3.1.4 3.1.4 3.1.4 3.1.4 声音在
18、户外的传播声音在户外的传播声音在户外的传播声音在户外的传播3.1.4.1 3.1.4.1 3.1.4.1 3.1.4.1 点声源随距离的衰减点声源随距离的衰减点声源随距离的衰减点声源随距离的衰减3.1.4.2 3.1.4.2 3.1.4.2 3.1.4.2 线声源随距离的衰减线声源随距离的衰减线声源随距离的衰减线声源随距离的衰减（1 1）无限长线声源）无限长线声源（2 2）有限长线声源）有限长线声源3.1.4.3 3.1.4.3 3.1.4.3 3.1.4.3 面声源随距离的衰减面声源随距离的衰减面声源随距离的衰减面声源随距离的衰减3.1.5 3.1.5 3.1.5 3.1.5 声波的反射声波
19、的反射声波的反射声波的反射 折射折射折射折射 衍射衍射衍射衍射 扩散扩散扩散扩散 吸收和透射吸收和透射吸收和透射吸收和透射声波作为机械波，具有机械波的所有特征。有绕射、反射、声波作为机械波，具有机械波的所有特征。有绕射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。散射和干涉等，有透射、吸收等。3.1.5.1 3.1.5.1 3.1.5.1 3.1.5.1 声反射声反射声反射声反射 声折射声折射声折射声折射 声衍射和声扩散声衍射和声扩散声衍射和声扩散声衍射和声扩散（1 1）平面的反射）平面的反射（2 2）曲面的反射）曲面的反射反射的规则：反射的规则：1 1）入射线、反射线法线在同一侧。）入射线、反射线法
20、线在同一侧。2 2）入射线和反射线分别在法线两侧。）入射线和反射线分别在法线两侧。3 3）入射角等于反射角。）入射角等于反射角。Li=LLi=L（3 3）声折射）声折射 声波在传播过程中，遇到不同介质的分声波在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波界面时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。即使在空气中传播，随着离地面高度不的传播方向。即使在空气中传播，随着离地面高度不同而存在的气温变化，也会改变声波的传播方向。同而存在的气温变化，也会改变声波的传播方向。（4 4）声衍射）声衍射 声音绕过障碍物继续前进传播的现象。声音绕过障碍物继续前进传播的现
21、象。其发生的可能与程度取决于声波波长和障碍物的尺寸其发生的可能与程度取决于声波波长和障碍物的尺寸的比拟；当声波波长的比拟；当声波波长 障碍物的尺寸时，发生衍射。障碍物的尺寸时，发生衍射。声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生衍射。衍射的情况与声声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生衍射。衍射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。（5 5）声扩散）声扩散 当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成扩散。反射，而以障碍物为一子波源，形成扩散。3.1.5.2 3.1.5.2 3.1.
22、5.2 3.1.5.2 声吸收和透射声吸收和透射声吸收和透射声吸收和透射声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦而使一小声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦而使一小部分声能转化为热能，常称为空气对声能的吸收。部分声能转化为热能，常称为空气对声能的吸收。当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。透射系数：透射系数：反射系数：反射系数：吸声系数：吸声系数：不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能
23、。在隔声中希望用不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。控制室内声场。3.1.6 3.1.6 3.1.6 3.1.6 驻波和房间共振驻波和房间共振驻波和房间共振驻波和房间共振 混响时间混响时间混响时间混响时间 室内声压级室内声压级室内声压级室内声压级3.1.6.1 3.1.6.1 3.1.6.1 3.1.6.1 驻波和房间共振驻波和房间共振驻波和房间共振驻波和房间共振驻波驻波驻波驻波是驻定的声压起伏。是驻定的声压起伏。声音强度的变化取决于人们的听闻位置，
24、对于较高声音强度的变化取决于人们的听闻位置，对于较高频率的声音，仅仅是听者头部的移动，就能感觉到频率的声音，仅仅是听者头部的移动，就能感觉到声音响度的变化。声音响度的变化。3.1.6.2 3.1.6.2 3.1.6.2 3.1.6.2 混响时间混响时间混响时间混响时间室内听闻点接收到的声波有两部分：直达声、反射室内听闻点接收到的声波有两部分：直达声、反射声；声；混响混响混响混响：声音在室内自稳态开始衰减的过程；：声音在室内自稳态开始衰减的过程；混响时间混响时间混响时间混响时间：声音自稳态衰减至原有音声万分之一所：声音自稳态衰减至原有音声万分之一所经历的时间，即声音自稳态衰减经历的时间，即声音自
25、稳态衰减60dB60dB所经历的时间。所经历的时间。混响时间的计算混响时间的计算混响时间的计算混响时间的计算混响理论与赛宾混响理论与赛宾（适用与室内平均吸声系数（适用与室内平均吸声系数 小于的情况）：小于的情况）：T60 T60f f(V.A)(V.A)K.(V/A)K.(V/A)A A室内总吸声量，室内总表面积室内总吸声量，室内总表面积SS平均吸声平均吸声系数；系数；V V房间容积；房间容积；K K常数，多取；常数，多取；伊林公式伊林公式（本式只考虑了室内表面的吸声作用（本式只考虑了室内表面的吸声作用)不足：当室内空间较大，声音频率较高不足：当室内空间较大，声音频率较高（2000Hz2000
26、Hz），需要考虑空气吸声时，将产生较大），需要考虑空气吸声时，将产生较大的偏差，那就出现了哈里斯公式！的偏差，那就出现了哈里斯公式！哈里斯公式（哈里斯公式（本式考虑了空气的吸声作用）：本式考虑了空气的吸声作用）：空气吸声量：将相应之吸声系数（空气吸声量：将相应之吸声系数（4m4m值）值）房间容房间容积积V V。混响时间计算的假设：混响时间计算的假设：室内声场是充分扩散的，即室内任一点的声音强室内声场是充分扩散的，即室内任一点的声音强度一样，而且在任何方向上的强度一样；度一样，而且在任何方向上的强度一样；室内声能按同样的比例被各表面吸收，即吸收是室内声能按同样的比例被各表面吸收，即吸收是均匀的。
27、均匀的。3.1.6.3 3.1.6.3 3.1.6.3 3.1.6.3 室内声压级室内声压级室内声压级室内声压级在室内距离声源在室内距离声源r处的声压级可按下式计算：处的声压级可按下式计算：Q Q：指指向向性性因因素素，取取决决于于声声源源与与接接收收点点的的相相对对位位置置；Q Q取值有取值有1 1、2 2、4 4、8 8R R：房间常数：房间常数 平均吸声系数平均吸声系数S S房间总表面积房间总表面积3.1.7 3.1.7 3.1.7 3.1.7 人对声音的感受人对声音的感受人对声音的感受人对声音的感受3.1.7.1 3.1.7.1 3.1.7.1 3.1.7.1 人耳的听觉人耳的听觉人耳
28、的听觉人耳的听觉 响度级响度级响度级响度级 A A A A声级声级声级声级（1 1）人耳的听觉）人耳的听觉人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导（2 2）响度级）响度级 声级计和声级计和A A声级声级人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于底于人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于底于1000Hz1000Hz和高于和高于4000Hz4000Hz的声音，灵敏度降低。的声音，灵敏度降低。不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。以以1000Hz1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响
29、的其他频率的连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线等响曲线”。响度单位是响度单位是“方方”。随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同声压级高，相对变化感觉小；声压级高，相对变化感觉小；声压级低，相对变化感觉大。声压级低，相对变化感觉大。2087dB31.575dB6358dB12545dB25043dB50042dB1K40dB2K36dB4K32dB8K48dB40方等响声级声级线性声级（线性声级（L声级）声级）将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。将各个频带的声音级叠加
30、，得到线性声级。2030dB31.535dB6340dB12545dB25050dB50051dB1K52dB2K52dB4K52dB8K40dB16K38dB20K30dBL声级58.8dBA 声级声级A 声级是使用声级是使用40方等响方等响曲线作为计权网络对频曲线作为计权网络对频谱进行加权，之后再进谱进行加权，之后再进行频带叠加。行频带叠加。A声级对声级对500Hz以下的以下的声音进行较大衰减，模声音进行较大衰减，模拟人耳对低频不敏感的拟人耳对低频不敏感的特性。特性。A声级的数值单位表示声级的数值单位表示是是dB(A),如如60dB(A)。频率声压级加权值加权后2030dB-50.5-20
31、.531.535dB-39.4-4.46340dB-26.213.812545dB-16.128.925050dB-8.641.450051dB-3.247.81K52dB0522K52dB1.253.24K52dB1.0538K40dB-1.138.916K38dB-6.631.420K30dB-9.320.7A声级 58.1dBA、B、C、D计权网络A:模拟人耳响应，模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。方等响曲线作为计权网络。B:以以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。声级小。C:以以85方等响曲线作为计权网络方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。整个可听范围内衰减小。D:主要用于航空噪声测量。主要用于航空噪声测量。