11.1-建筑聲學(xué)基本知識(shí)-2009版

1、第三篇 建筑聲學(xué),第11章 建筑聲學(xué)基本知識(shí),教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求： 要求學(xué)生掌握聲學(xué)建筑的發(fā)展歷史，掌握建筑聲學(xué)的基本知識(shí)，掌握聲音的計(jì)量單位，了解人的聽覺特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)： 建筑聲學(xué)的特點(diǎn)，計(jì)量單位，聽覺特點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)： 計(jì)量單位，聽覺特點(diǎn)。本章主要閱讀文獻(xiàn)資料（要求有3本或3篇以上）： 1、柳孝圖 著《建筑物理》，中國建筑工業(yè)出版社，2000年6月版 2、劉加平 編《建筑物理》，中國建筑

2、工業(yè)出版社， 2000年12月版 3、秦佑國王炳麟編《建筑聲環(huán)境》(第二版)，清華大學(xué)出版社1999.8版,引言 一、建筑設(shè)計(jì)與聲學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)系： ● 相輔相成：,首先，為了滿足聲學(xué)的新的特殊要求----建筑師創(chuàng)造新穎的方案，從而得到卓越的建筑造型和音質(zhì)效果；,其次，原先建筑的聲學(xué)效果不佳----通過聲學(xué)家的改造而突破困境。 例：皮爾斯學(xué)校體育館,● 專家講評(píng) 馬大猷院士： 一座廳堂要達(dá)到良好的音質(zhì)效

3、果，需要水平高的建筑師和聲學(xué)家的密切配合，并創(chuàng)造性的發(fā)揮水平。建筑師要懂得一些聲學(xué)并尊重聲學(xué)家，聲學(xué)家要懂一些建筑并尊重建筑師。,● 建筑聲學(xué) 研究與建筑環(huán)境有關(guān)的聲學(xué)問題的科學(xué)：它的基本任務(wù)是研究室內(nèi)聲波傳輸?shù)奈锢項(xiàng)l件和聲學(xué)處理方法，以保證室內(nèi)具有良好的聽聞條件以及在何種因素下，可產(chǎn)生最理想的音樂狀態(tài)。研究控制建筑內(nèi)部和外部一定空間內(nèi)的噪聲干擾和危害。 即：廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì) 建筑環(huán)境噪聲控制,宋的“勾欄”,

4、著作:《禮儀?大射儀》:西周,通過樂隊(duì)的合理排列達(dá)到良好效果. 《列子》:能吸聲的幃帳,余音繞梁,能反射的圍墻.欄桿. 《后漢書》:(緹室)——律呂學(xué),1、中國：殷代的“宛丘”,二、觀演建筑的形成與演變：,,漢代的“觀壇”,隋唐的”戲場”,,,,明清的以庭院圍廊環(huán)繞戲臺(tái)為基本形式,建于1737年意大利那不勒斯的圣卡洛劇場(標(biāo)志演員與樂隊(duì)的分離),中世紀(jì)的教堂,后期還有會(huì)議室,20世紀(jì),現(xiàn)代聲學(xué)的建立(建成于1900年

5、的美國波士頓音樂廳,世界上第一個(gè)經(jīng)過計(jì)算的音樂廳).賽賓公式的提出使廳堂聲學(xué)從原來的推測領(lǐng)域解放出來,成為工程科學(xué)中的一門系統(tǒng)分支學(xué)科.,文藝復(fù)興時(shí)期的旅館庭院式劇場(例:建于公元1600年的英國的環(huán)球劇場),19世紀(jì)開始對(duì)新型觀眾廳進(jìn)行探討(建于1876年德國的費(fèi)斯特施皮爾劇場,采用扇形觀眾廳平面),2、西方：公元前7世紀(jì)古希臘的露天劇場(例:建于公元前350年的埃比道拉斯劇場),建于1618年意大利帕爾馬的法內(nèi)斯劇場(標(biāo)志著劇院形式

6、完成了向箱形舞臺(tái)的演進(jìn)過程),二、觀演建筑的形成與演變：,,古羅馬圓形劇場(例:建于公元50年的馬奧郎日劇場),,,,,,,三、現(xiàn)代建筑聲學(xué)的發(fā)展過程： 1、1895年賽賓開始研究“混響”(哈佛大學(xué)的Fogg藝術(shù)博物館禮堂——1900年的波士頓音樂廳)。,2、二次大戰(zhàn)后:哈斯效應(yīng)、早期聲與混響聲的聲能比、清晰度、重心時(shí)間、側(cè)向反射聲的作用、雙耳效應(yīng)等……………….電聲系統(tǒng)延長RT、聲學(xué)建筑的造型變化;,3、20世紀(jì)70年代:聲場

7、計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù);多功能廳,4、20世紀(jì)末至今:對(duì)人聽覺的生理、心理機(jī)制的研究,…………… 到20世紀(jì)30年代，努特生的《建筑聲學(xué)》和莫爾斯的《振動(dòng)與聲》的發(fā)表，標(biāo)志著〝建筑聲學(xué)〞已初步形成一門學(xué)科。二戰(zhàn)后到60年代，以建筑聲學(xué)理論來指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)中的聲學(xué)設(shè)計(jì)取得了巨大的成功。……………… 依林混響公式、聲學(xué)縮尺模型、室內(nèi)波動(dòng)聲學(xué);,第3.1章 聲音的基本知識(shí),§1 聲音與聲波的基本概念 一、 聲音、聲源、聲波

8、1、聲音：人耳所感覺到的〝彈性〞介質(zhì)中的振動(dòng)或壓力的迅速而微小的起伏變化。,2、聲源：振動(dòng)的物體。（點(diǎn)聲源、線聲源、面聲源),3、聲波：振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。 ① 聲源產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，迫使其周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)往復(fù)移動(dòng)，使空氣中產(chǎn)生在大氣壓力上附加的交變壓力，這一壓力波成為聲波。 ② 彈性介質(zhì)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度的變化或幾種變化的綜合。note: ⑴ 聲音傳播需要傳聲介質(zhì)。

9、 ⑵ 空氣壓力的起伏變化非常小。,二、波陣面、波長、聲速,1、聲場：有聲波存在的空間。 2、波陣面：在某一時(shí)刻，聲波到達(dá)的各點(diǎn)的包跡面。 3、球面波：波陣面為同心球面的波。（點(diǎn)聲源） 4、柱面波：波陣面為同軸柱面的波。（線聲源） 5、平面波：波陣面為與傳播方向垂直的平行平面的波。(面聲源）,6、聲 速：聲波在傳聲介質(zhì)中的傳播速度。 用〝C〞來表示,單位m/s。 note:

10、 ⑴ 聲速是振動(dòng)狀態(tài)傳播的速度。 ⑵ 聲速與振源無關(guān)，與介質(zhì)特性有關(guān)。固體中最快。 ⑶ 聲速與溫度有關(guān),7、波長λ，周期T，頻率f：8、⑴ 人耳所能感受到的聲波在20～20000Hz之間。 低頻125～250Hz ┉ 中頻500～1000Hz ┉ 高頻2000～4000Hz ⑵ 超聲波、次聲波 ⑶ 頻率在100～4000Hz之間的聲音——波長在3.4m～8.5cm,三、惠更

11、斯原理：,1、聲線：聲波的傳播路徑,且與波陣面垂直。2、原理：在任一時(shí)刻，波陣面上的各點(diǎn)都可看成一個(gè) 發(fā)射子波的新波源。3、利用它可以解釋聲源的衍射、反射等。,§2 聲波的特征,一、聲源的指向性： 1、聲源尺度比波長小得多時(shí)，可看成點(diǎn)聲源，能量呈球狀分布。 2、聲源尺度與波長比差不多或更大時(shí)，能量有方向性，呈不均勻分布。例：100 Hz～3.4 m 10000

12、Hz～3.4 cm 3、頻率越低，聲源方向性越弱； 頻率越高，聲源方向性越強(qiáng)。,二、聲波的頻率： 1、純音、復(fù)音、基音、基頻、諧音、諧頻。 2、聲調(diào)(音調(diào))pitch tone ：取決于頻率、聲壓級(jí)、及其組成部分, 聽覺區(qū)別聲音高低的屬性，根據(jù)它可以把聲音排列成從高到底的順序。如，音階； 單位：mel（美） 3、音色（音品）timbre ：聽覺區(qū)別具有同樣響度和音調(diào)的兩個(gè)聲音所以不同的屬性?！从硰?fù)合聲的特

13、征，主要由頻譜決定。 4、頻譜：把聲音按頻率大小依次排列起來而得到的圖稱為頻譜。分為線狀譜（樂音），連續(xù)譜（噪音），混合譜。 （見后圖）,三、聲波的衍射、反射、擴(kuò)散、透射與吸收,1、聲波的反射：⑴ 符合反射定律⑵ 反射后聲波特性不變⑶ 凹曲面－聚焦 凸曲面－擴(kuò)散,三、聲波的衍射、反射、擴(kuò)散、透射與吸收 2、聲波的衍射：,d<<λ 小孔處的空氣質(zhì)點(diǎn)可以一個(gè)新的聲源，其包跡面為球面。,d>&g

14、t;λ 孔徑處形成多個(gè)新的聲源，因?yàn)闆]有中心，其包跡面較為復(fù)雜。,⑴、有小孔的障礙板 （ d表示孔徑 λ表示波長）,⑵、無孔障礙板,障礙板尺寸比波長大的多，部分反射，部分衍射，但會(huì)形成聲影區(qū)。,障礙板尺寸比波長小的多，幾乎不受影響。,3：聲波的擴(kuò)散 聲波波長與界面相比差不多大。,4：聲波的透射與吸射 ⑴、透射：部分聲能透過構(gòu)件。 ⑵、吸收：①聲波通過媒質(zhì)，或射到媒質(zhì)表面上時(shí)，聲能減少的過程；②通過一種介質(zhì)時(shí)，將

15、聲能轉(zhuǎn)換成其它能量的一種現(xiàn)象。 ⑶、能量守恒： 透射系數(shù)： 反射系數(shù)： ⑷、吸聲系數(shù)：,⑸、隔聲量R：,§3 人的主觀聽覺特征,1、人耳的聽覺范圍：大小0dB～130dB ，頻率20～20000Hz 0dB: 人耳有感覺 120dB: 人耳感覺不舒服 130dB: 耳內(nèi)發(fā)癢 140dB: 耳內(nèi)會(huì)感覺疼痛 > 140dB: 耳內(nèi)出血 2、頻率在5

16、0～10000Hz的純音，當(dāng)聲壓超過50dB，人耳大致可鑒別1dB的聲壓級(jí)變化。,2、哈斯效應(yīng)：如有兩個(gè)聲源發(fā)出同樣的聲音，在同一時(shí)刻以同樣強(qiáng)度到達(dá)人耳，則聲音呈現(xiàn)的方向大致在兩個(gè)聲源之間。如果其中一個(gè)聲音略微延遲5～35ms，則聽起來所有的聲音似乎都來自第一個(gè)聲源。如果延時(shí)在35～50ms之間，則延時(shí)聲源可以被識(shí)別，但其方向仍在未經(jīng)延時(shí)的聲源方向。只有當(dāng)延時(shí)超過50ms時(shí)，第二個(gè)聲源才能聽到。人耳的這一聽覺特性稱為哈斯效應(yīng)。,二、時(shí)差

17、效應(yīng)：（哈斯效應(yīng)） 1、經(jīng)驗(yàn)證明，人耳感覺到聲音的響度，除了與聲壓及頻率有關(guān)外，還與聲音的延續(xù)時(shí)間有關(guān)。,3、回聲：人耳在聽到直達(dá)聲后，如果存在一個(gè)延時(shí)長于50ms,又具有足夠強(qiáng)度的反射聲，就會(huì)被感覺到是個(gè)回聲。同時(shí)差和強(qiáng)度有關(guān)。50ms－17m,⑵、雙耳對(duì)左右水平方向上的聲音的分辨能力，比上下豎直方向上大的多。 人在安靜和無回聲的環(huán)境下：水平方向1°- 3°的變化；

18、 豎直方向10°- 15 °的變化； ⑶、揚(yáng)聲器的聲音和我們用一只耳朵的聽音很相似，叫單耳聽聞。而我們習(xí)慣以雙耳聽聞，聲音到達(dá)雙耳的響度、音品和時(shí)間各不相同，由于這些差別使我們能辨別不同地點(diǎn)的各種聲音的每一聲源位置。并將注意力集中于這些聲源。,三、雙耳效應(yīng)：（聽覺定位） 1、 在正常情況下，人們靠雙

19、耳聽到的時(shí)間差、強(qiáng)度差、和位相差，來判斷聲源的方向和遠(yuǎn)近，并確定聲源的位置。我們把這種能力，稱為“雙耳效應(yīng)”或“方位感”。 2、⑴ 時(shí)， 強(qiáng)度差起主要作用。 時(shí)，時(shí)間差起主要作用。,四、掩蔽效應(yīng)： 1、概念：人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽覺靈敏度因?yàn)榱硪粋€(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象。即，由于某一個(gè)聲音的存在，要聽清另外的聲音必須把這些聲音提高（把這些聲音的可聞下限提高），這種現(xiàn)象叫

20、掩蔽。 2、低頻聲容易掩蔽高頻聲； 被掩蔽聲和掩蔽聲的頻率相近，掩蔽量最大； 掩蔽聲的聲壓級(jí)越大，掩蔽量越大。,3、噪聲對(duì)語言的掩蔽，即使聽閾提高，也對(duì)語言清晰度有影響。 語言可懂度最重要的頻率在800-2500Hz； 噪聲聲壓級(jí)超過語言級(jí)10-15dB：必須全神貫注； 20-25dB：完全聽不清。 4、利用掩

21、蔽作用：在噪聲的商場，用音響系統(tǒng)的樂音來掩蔽顧客喧鬧的噪聲。,五、識(shí)別聲音的三要素： 聲音三要素：聲音的強(qiáng)弱、音調(diào)的高低、音色的不同。 聲音的強(qiáng)弱：可由聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)表示； 音調(diào)的高低：取決于聲音的頻率，頻率越高，音調(diào)越高。 還與聲音的聲壓級(jí)和其組成成分有關(guān)。 音色的不同：音色是反映復(fù)合聲的一種特征，主要由復(fù) 合聲中各種頻率成分及其強(qiáng)度決定，即

22、由 頻譜決定。,§4 聲音的計(jì)量和表示,一、聲壓 P，聲強(qiáng) I，聲功率 W 1、聲壓：指某瞬時(shí)介質(zhì)中的壓強(qiáng)相對(duì)于無聲波時(shí)壓強(qiáng)的改變量。 單位 Pa ， 有效聲壓級(jí)：某段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)聲壓的平均值。,2、聲強(qiáng)：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲音傳播方向上單位面積的平均聲能通量。 單位 。 ⑴公式：I=W/S W:聲能 S：面積

23、 ⑵自由聲場： r:球面距聲源中心的距離。,3、聲壓與聲強(qiáng)的關(guān)系： P ——— 有效聲壓 ——— 空氣密度 C ——— 空氣中的聲速 ——— 介質(zhì)的聲阻抗率,4、聲功率：指聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能。單位w ⑴ 聲功率與電功率的區(qū)別。 ⑵ 各種聲源功率。,二、級(jí)的概念與聲學(xué)量表示： 1、聽覺：聽力范圍 20～20000Hz

24、 對(duì)于f=1000Hz的聲音，聽聞下限 ， 聽聞上限 ，,2、人耳對(duì)聲音感受的變化度，近似與聲壓、聲強(qiáng)數(shù)值的對(duì)數(shù)成正比。 ⑴、貝爾（BL）：以10倍（即相對(duì)比值為10）為一〝級(jí)〞劃分； 分貝（dB）：工程上常用貝爾的十分之一作單位。 ⑵、聲強(qiáng)級(jí)： 聲壓級(jí)： ———

25、—聲強(qiáng)級(jí) ————基準(zhǔn)聲強(qiáng)，其值為 。,⑵、聲功率級(jí)： ———— 基準(zhǔn)聲功率，,三、聲壓級(jí)的疊加： 1、聲強(qiáng)疊加： （代數(shù)和） 2、聲壓疊加： （均方根值） 3、聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)疊加時(shí)： ⑴、假設(shè)，有m個(gè)等聲壓級(jí)的聲音疊加時(shí)，其總聲壓極為

26、 ⑵、不相等聲壓級(jí)疊加,當(dāng)有兩個(gè)不同的聲壓級(jí)時(shí)，設(shè) 其總聲壓級(jí)為：Note: 1)聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)的疊加同理； 2)查表法：先把聲壓級(jí)數(shù)值按順序排列； 再依次疊加。,四、響度級(jí)： 1、響度：聽者判斷聲音強(qiáng)弱的屬性，根據(jù)它可以把聲音排列成 由輕到響的順序。 單位，宋song note: 1)、響度是人們反應(yīng)聲音

27、大小的主觀量； 聲強(qiáng)、聲壓是客觀量。 2)、聲壓越大，聲音越響，但不成正比。,2、響度級(jí)：如果一聲音與已選定的1000Hz的純音聽起來同樣響，那么這個(gè)1000Hz純音的聲壓級(jí)值，就定義為待測聲音的〝響度級(jí)〞。 note: 響度級(jí)為40方時(shí)，響度為1宋。響度級(jí)每增加10方，響度增加1倍。,3、等響曲線： 1)、每根曲線表示響度相等。（以1000Hz純音的響度為標(biāo)準(zhǔn)） 2)、人耳