建筑聲學(xué)與動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)

1、第一講第一講 建筑聲環(huán)境概述建筑聲環(huán)境概述從人的感受上聲音分兩類： C類：舒服的，如音樂、歌唱、生活中的交談等。Comfortable U類：不舒服的，如噪聲、爆炸聲、刺耳的嘯叫聲等。Uncomfortable 有時(shí)，C類也會(huì)轉(zhuǎn)換成U類，如鄰居的歌聲、節(jié)日里的爆竹聲等。 聲環(huán)境設(shè)計(jì)圍繞著人的感受，在建筑設(shè)計(jì)中做到： 1、如何保證C類的聲音聽清聽好音質(zhì)設(shè)計(jì)。 2、降低U類聲音（噪聲）對(duì)正常工作生活的干擾噪聲控制。1.1 聲環(huán)境設(shè)計(jì)的意義v聲環(huán)境設(shè)計(jì)是專門研究如何為建筑使用者創(chuàng)造一個(gè)合適的聲音環(huán)境。v人們可以聽到的聲音都屬于聲環(huán)境范疇。人們可以聽到談話、鳥鳴、音樂、泉水叮咚、歌聲等；但也能聽到吵鬧

2、、機(jī)器轟鳴、車輛的轟鳴等噪聲。1.2建筑聲環(huán)境研究的內(nèi)容1.2.1 音質(zhì)設(shè)計(jì) 主要是音樂廳、劇院、禮堂、報(bào)告廳、多功能廳、電影院、體育館等。 設(shè)計(jì)得好: 音質(zhì)清晰、豐滿、渾厚、親切、溫暖、有平衡感、有空間感。 設(shè)計(jì)得不好: 嘈雜、聲音或干癟或渾濁，聽不清、平衡感和空間感差。1.2.2 隔聲隔振 主要是有安靜要求的房間，如錄音室、演播室、旅館客房、居民住宅臥室等等。 對(duì)于錄音室、演播室等聲學(xué)建筑對(duì)隔聲隔振要求非常高，需要專門的聲學(xué)設(shè)計(jì)。 對(duì)于旅館、公用建筑、民用住宅，人們對(duì)隔聲隔振的要求也越來越高。隨大跨度框架結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，越來越多地使用薄而輕的隔墻材料，對(duì)隔聲隔振提出了更高的設(shè)計(jì)要求。 1.2.

3、3 材料的聲學(xué)性能測(cè)試與研究 吸聲材料：材料的吸聲機(jī)理、如何測(cè)定材料的吸聲系數(shù)、不同吸聲材料的應(yīng)用等等。 隔聲材料：材料的隔聲機(jī)理，如何提高材料的隔聲性能，如何評(píng)定材料的隔聲性能，材料隔振的機(jī)理，不同材料隔振效果等。 實(shí)例： 1）天花板吸聲性能、劇場(chǎng)座椅吸聲性能。 2）輕質(zhì)隔墻產(chǎn)品隔聲性能、如何提高隔聲能力？ 3）軍委演播大廳雨噪聲問題。1.2.4 噪聲的防止與治理 噪聲的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃階段如何避免噪聲、出現(xiàn)噪聲如何解決、交通噪聲。實(shí)例：教師住宅受交通噪聲影響，教師選房問題。1.2.5 其他v電聲。v模型聲學(xué)測(cè)定。v聲學(xué)測(cè)量： 聲音本身性質(zhì)的測(cè)定、房間聲學(xué)的測(cè)定、材料聲學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。v聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的

4、設(shè)計(jì)研究。v計(jì)算機(jī)模擬。1.3 建筑聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史古羅馬的露天劇場(chǎng) 露天劇場(chǎng)存在的問題是：1、露天狀態(tài)下，聲能下降很快。2、相當(dāng)大的聲能被觀眾吸收。3、噪聲干擾。 解決方法：加聲反射罩；控制演出時(shí)周圍的噪聲干擾。中世紀(jì)教堂建筑自從羅馬帝國(guó)被推翻后，中世紀(jì)建造的唯一廳堂就是教堂。中世紀(jì)的室內(nèi)聲學(xué)知識(shí)主要來源于經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)的成分很少。教堂的聲學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)是音質(zhì)特別豐滿，混響時(shí)間很長(zhǎng)，可懂度很差。十五世紀(jì)的劇場(chǎng) 十五世紀(jì)后歐洲建了很多劇場(chǎng)，有些劇場(chǎng)的觀眾容量很大。如意大利維琴察，由帕拉帝迪奧設(shè)計(jì)的奧林匹克劇院，建于15791584，有3000個(gè)座位。又如1618年由亞歷迪奧設(shè)計(jì)的意大利帕爾馬市的法內(nèi)斯劇

5、場(chǎng)，可容納觀眾2500人。 從掌握的資料來看，雖然這個(gè)時(shí)代的建筑師幾乎沒有任何室內(nèi)聲學(xué)知識(shí)，但這個(gè)時(shí)代建造的幾座劇院和其他廳堂沒有發(fā)現(xiàn)任何顯著的音質(zhì)缺陷。主要的原因是由于觀眾的吸聲和劇場(chǎng)內(nèi)華麗的表面裝飾起到了擴(kuò)散作用，使劇場(chǎng)的混響時(shí)間控制比較合理，聲能分布也比較均勻。17世紀(jì)的馬蹄形歌劇院 從十五世紀(jì)修建的一些劇院發(fā)展到十七世紀(jì)，出現(xiàn)了馬蹄形歌劇院。這種歌劇院有較大的舞臺(tái)和舞臺(tái)建筑，以及環(huán)形包廂或臺(tái)階式座位，排列至接近頂棚。這種劇院的特點(diǎn)是利用觀眾坐席大面積吸收聲音，是混響時(shí)間比較短，這種聲學(xué)環(huán)境適合于輕松愉快的意大利歌劇演出。 在十七世紀(jì)開始有人研究室內(nèi)聲學(xué)。十七世紀(jì)的阿柯切爾所著的聲響,最

6、早介紹了室內(nèi)聲學(xué)現(xiàn)象，并論述了早期的聲學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐。十九世紀(jì)初，德國(guó)人E.F.弗里德利科察拉迪所著的聲學(xué)一書中，致力于解釋有關(guān)混響的現(xiàn)象。19世紀(jì)的音樂廳19世紀(jì)的音樂廳 音樂廳早期發(fā)展階段是在十七世紀(jì)中后到十九世紀(jì)，包括：早期音樂演奏室、娛樂花園和大尺度的音樂廳，是后來古典“鞋盒型”音樂廳的就是在這一時(shí)期逐漸發(fā)展起來的。 19世紀(jì)前作曲家所做的音樂作品是與其表演空間相適應(yīng)的，這一時(shí)期的演奏空間基本是矩形空間。19世紀(jì)以后，隨著浪漫主義音樂及現(xiàn)代音樂的產(chǎn)生，演出空間變得豐富多彩，出現(xiàn)了扇形、多邊形、馬蹄形、橢圓形、圓形等多種形狀，其混響時(shí)間及室內(nèi)裝飾風(fēng)格也各不相同。 在這一時(shí)期，音樂廳的聲學(xué)設(shè)

7、計(jì)仍然沒有太多的理論可以遵循。世界上最佳聲學(xué)效果的三大音樂廳美國(guó)的波士頓音樂廳荷蘭的阿姆斯特丹音樂廳奧地利維也納格魯斯音樂廳音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)理論的出現(xiàn) 從十九世紀(jì)開始，在維也納、萊比錫、格拉斯哥和巴塞爾等城市，都建造了一些供演出的音樂廳，這些十九世紀(jì)建造的音樂廳已反映出聲學(xué)上的豐碩成果，直到今天仍然有參考價(jià)值。 到二十世紀(jì)，賽賓（Wallace Clement Sabine，1868-1919）（哈佛大學(xué)物理學(xué)家、助教） 在1898年第一個(gè)提出對(duì)廳堂物理性質(zhì)作定量化計(jì)算的公式混響時(shí)間混響時(shí)間公式，并確立了近代廳堂聲學(xué)，從此，廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)主義時(shí)代結(jié)束了。 音樂廳聲學(xué)設(shè)計(jì)理論的出現(xiàn) 賽賓在28

8、歲時(shí)被指派改善哈佛福格藝術(shù)博物館（Fogg Art Museum）內(nèi)半圓形報(bào)告廳的不佳音響效果，通過大量艱苦的測(cè)量和與附近音質(zhì)較好的塞德斯劇場(chǎng)（Sander Theater）的比較分析，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，聲能的衰減率有重要的意義。他曾對(duì)廳內(nèi)一聲源（管風(fēng)琴）停止發(fā)聲后，聲音衰減到剛剛聽不到的水平時(shí)的時(shí)間進(jìn)行了測(cè)定，并定義此過程為“混響時(shí)間”，這一時(shí)間是房間容積和室內(nèi)吸聲量的函數(shù)。1898年，賽賓受邀出任新波士頓交響音樂廳聲學(xué)顧問，為此，他分析了大量實(shí)測(cè)資料，終于得出了混響曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即著名的公式。這一公式被首次應(yīng)用于波士頓交響音樂廳的設(shè)計(jì)，獲得了巨大成功。至今，混響時(shí)間仍然是廳堂設(shè)

9、計(jì)中最主要的聲學(xué)指標(biāo)之一。室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論(a) 馬歇爾的側(cè)向聲原理：馬歇爾的側(cè)向聲原理：1967年，新西蘭聲學(xué)家馬歇爾（Haroid Marshall）教授最先將人的雙耳收聽原理同音樂廳的聲學(xué)原理結(jié)合起來，認(rèn)為19世紀(jì)“鞋盒型”音樂廳的絕佳音質(zhì)，除緣于混響時(shí)間及聲擴(kuò)散以外，直達(dá)聲到達(dá)聽眾后的前5080ms的早期側(cè)向反射聲起著極為重要的作用。在這些音樂廳中每個(gè)聽眾都接受到強(qiáng)大的早期反射聲能，其中側(cè)向反射比來自頭頂?shù)姆瓷渎暩鼮橹匾驗(yàn)樗峁┙o聽眾更強(qiáng)的三維空間感和音樂的環(huán)繞感。1968年，馬歇爾（A. H. Marshall）提出了“早期側(cè)向反射聲”對(duì)音質(zhì)起重要作用，認(rèn)為需要有較多的早期

10、側(cè)向反射聲，使聽者有置身于音樂之中的一種“空間印象（spatial impression）”感覺，空間感對(duì)響度及與低音相關(guān)的溫暖感很重要。由于聲音向后傳播時(shí)，觀眾頭頂?shù)穆由湮帐孤暷芩p，必須靠側(cè)向反射將聲音傳至觀眾席后部。這些發(fā)現(xiàn)意義重大，從此開始了將反射聲的空間分布與時(shí)間系列相結(jié)合的新的研究階段。該理論已成為近期影響音樂廳形狀設(shè)計(jì)的主要理論，使新建音樂廳開始注重并應(yīng)用側(cè)向反射聲。室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論(b) IACC兩耳互相關(guān)函數(shù)兩耳互相關(guān)函數(shù)日本聲學(xué)家安藤四一（Y. Ando）教授在70年代做了一系列模擬雙耳接收的“內(nèi)耳互相關(guān)”實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明音質(zhì)與反射聲的水平方向分布有關(guān)。布朗（M.

11、 Barron）在近20年來對(duì)不同方向、不同強(qiáng)度、不同時(shí)延的反射聲的聽感進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：過高聲級(jí)和過短延時(shí)的反射聲會(huì)產(chǎn)生聲像漂移（這與哈斯（Haas）效應(yīng)相一致）或染色效應(yīng)；過長(zhǎng)的延時(shí)有回聲干擾的感覺；只有大約580ms延時(shí)的反射聲，并且有足夠的側(cè)向反射聲能量才會(huì)有“空間印象”的效果。80年代，安藤四一教授在德國(guó)哥廷根大學(xué)的研究引入了唯一的雙耳（空間）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)雙耳聽覺互相關(guān)函數(shù)(IACC)，它表示兩耳上的信號(hào)之間的相互關(guān)系，這種相互關(guān)系又是聲場(chǎng)空間感的量度。雙耳聽聞效應(yīng)屬心理和生理聲學(xué)研究范疇，它提示了音樂廳中側(cè)向反射的重要性，既使人了解到“鞋盒形”音樂廳音質(zhì)良好的原因，同時(shí)也

12、掌握了“鞋盒形”以外的其它有效的聲學(xué)設(shè)計(jì)造型。80年代中期美國(guó)加州桔縣新建的一座音樂廳（Segerstrom Hall），可謂這方面杰出的代表之作。IACC作為評(píng)價(jià)空間感的指標(biāo)，它開辟了音質(zhì)研究的一個(gè)新途徑，也使音樂廳的音質(zhì)評(píng)價(jià)建立在更為科學(xué)的基礎(chǔ)上。但在技術(shù)上還存在不少問題，例如指向性傳聲器的選擇，測(cè)定用聲源的選擇（聲源信號(hào)不同，結(jié)果大不相同）等等。建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性 1962年9月23日開幕的紐約林肯中心愛樂音樂廳, 為了對(duì)此廳進(jìn)行有效的聲學(xué)設(shè)計(jì)，白瑞納克博士對(duì)世界上已有的54座著名音樂建筑進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研，并著有音樂、聲學(xué)和建筑一書，卻在音質(zhì)方面遭到前所未有的失敗。多次改裝, 后于197

13、6年10月19日再次落成，成為音樂廳建筑史上最悲慘的實(shí)例。據(jù)最近消息，其演奏空間仍在進(jìn)行小范圍改造。 據(jù)分析，愛樂音樂廳的失敗主要緣于原聲學(xué)顧問白瑞耐克認(rèn)識(shí)上的局限性。他只強(qiáng)調(diào)親切感而沒有認(rèn)識(shí)到側(cè)向反射聲的重要性，頂棚反射板增加的反射聲幾乎同時(shí)到達(dá)聽眾的雙耳，缺少側(cè)向反射帶來的圍繞感。此外，為了在直達(dá)聲與后期反射聲之間插進(jìn)一些早期反射聲，他在大廳中引進(jìn)了“浮云”，但由于浮云尺度過于單一，且呈晶格狀規(guī)則布置，導(dǎo)致相鄰低頻聲的相消干涉，使聽眾聽不到有些演奏（如大提琴）的聲音，成了一種“無聲電影”。而且，這些浮云的大小和形狀不足以擴(kuò)散低頻反射聲，使低頻成份衰減得很厲害，還顯出了G. M. Sessi

14、er和J. E. West所發(fā)現(xiàn)的另一不利現(xiàn)象，即直達(dá)聲掠過多排座席時(shí)低頻聲衰減越來越多。 事實(shí)上，現(xiàn)代音樂廳的音質(zhì)之所以不如古典先例，關(guān)鍵在于古典音樂正是在古典形式的廳堂中產(chǎn)生和發(fā)展起來的，現(xiàn)代廳堂在尺度、體型和材料等方面已有了很大變化，而在其間演奏的音樂（絕大多數(shù)）依舊是原來的音樂。 聲學(xué)上的探索正在逐步揭開廳堂音質(zhì)之迷。然而看看歷史上許多失敗的例子，音樂家們對(duì)新音樂廳的不滿和不安不會(huì)消除。建筑師們一方面積極研究有效利用新的聲學(xué)理論及技術(shù)成果，一方面又不得不在某種程度上碰運(yùn)氣，不斷祝愿自己能博得繆斯女神們的微笑。 現(xiàn)代的建筑聲學(xué)v1930年以后出現(xiàn)了電影，從那時(shí)開始，高質(zhì)量的錄音和重現(xiàn)在科

15、學(xué)、教育、文化、社會(huì)活動(dòng)、娛樂中開始起到極大的作用。無線廣播的飛速發(fā)展，給聲學(xué)提出了一系列新問題，同時(shí)也為人們提供了更多更高級(jí)的音樂欣賞技術(shù)。v聲學(xué)材料的大量生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，給建筑師控制建筑內(nèi)的聲學(xué)問題提供了必要的工具。世界各國(guó)修建了相當(dāng)大規(guī)模的廳堂。v隔聲隔噪、吸聲降噪、噪聲源控制等噪聲處理問題在現(xiàn)代社會(huì)中越來越引起人們的重視。噪聲于建筑密不可分，噪聲污染的防治與治理已經(jīng)成為建筑聲學(xué)重要的組成部分。噪聲規(guī)劃、噪聲控制等理論也逐漸演化開來。 第二講 聲環(huán)境設(shè)計(jì)的基本知識(shí)2.1 聲音的基本性質(zhì)2.1.1 聲音的產(chǎn)生和傳播聲音產(chǎn)生于振動(dòng)，振動(dòng)的物體是聲源。“聲”由聲源發(fā)出，“音”在傳播介質(zhì)中向外

16、傳播v在空氣中，聲源振動(dòng)迫使其周圍緊鄰的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，該振動(dòng)迅速在空氣中傳播開來，這種振動(dòng)的傳播稱為聲波。v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）。v聲波傳播到人耳，引起人耳鼓膜的振動(dòng)，帶動(dòng)聽骨振動(dòng)，由耳蝸、聽神經(jīng)等形成神經(jīng)脈沖信號(hào)，通過聽覺傳導(dǎo)神經(jīng)傳至大腦聽覺中樞，形成聽覺。振動(dòng)與波動(dòng)2.1.2 頻率、波長(zhǎng)與聲速 v描述聲波的基本物理量vf：頻率，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，單位Hz(赫茲）：波長(zhǎng)，在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點(diǎn)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。在空氣中聲速：27314 .331c 在0oC

17、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；傳播的振動(dòng)形式而非質(zhì)點(diǎn)。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3.4m8.5cm2.1.3 聲波的繞射、反射和散射聲波作為機(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。波陣面：聲波從聲源發(fā)出，在某一介質(zhì)內(nèi)按同一方向傳播，在某一時(shí)間到達(dá)空間各點(diǎn)的包絡(luò)面稱為波陣面。球面波：點(diǎn)聲源發(fā)出的波，聲線與波陣面

18、垂直。如人、樂器。平面波：波陣面為平面的波，聲源互相平行，如線聲源，多個(gè)點(diǎn)聲源疊排。聲波的繞射 聲波在傳播過程中遇到障礙或孔洞時(shí)將發(fā)生繞射。繞射的情況與聲波的波長(zhǎng)和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。聲波的反射 當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波長(zhǎng)大得多的障礙時(shí)，聲波將被反射。類似于光在鏡子上的反射。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）入射角等于反射角。Li=L散射 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，形成散射。2.1.4 聲波的透射與吸收v聲波具有能量，簡(jiǎn)稱聲能。v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

19、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)：EEEEoEoEiEoErEoEiEaEoErr11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)。2 .2 聲音強(qiáng)弱的計(jì)量v聲波是能量的一種傳播形式。人們常談到聲音的大小或強(qiáng)弱，或一個(gè)聲音比另一個(gè)聲音響或不響，這就提出了聲音強(qiáng)弱的計(jì)量。v2.2.1 聲功率、聲強(qiáng)、聲壓v1、聲功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體向外輻射的能量W。（瓦或微瓦） 聲功率是聲源本身的一種重要屬性。 人正常講話50W,100萬人同時(shí)講話50W,相當(dāng)于一個(gè)燈泡。 訓(xùn)練有素的歌手50

20、0010000 W。 汽車?yán)?.1 W,噴氣飛機(jī)10KW。 在廳堂設(shè)計(jì)中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問題。2、聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過聲波傳播方向垂直單位面積上的聲能。 對(duì)于點(diǎn)聲源有：3、聲壓：指在某一瞬時(shí)壓強(qiáng)相對(duì)于無聲波時(shí)的壓強(qiáng)變化。符號(hào)P。 單位N/m 2 (牛頓/米2 ) ，或Pa(帕斯卡）)/(422mwrWI2 .2.2聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其疊加 由于以下兩個(gè)原因，實(shí)際應(yīng)用中，表示聲音強(qiáng)弱的單位并不采用聲壓或聲功率的絕對(duì)值，而采用相對(duì)單位級(jí)（類似于風(fēng)級(jí)、地震級(jí)）。1）聲壓對(duì)人耳感覺的變化非常大 1000Hz的聲音，聽覺下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106

21、倍。2）人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的變化的感受并不與聲壓成正比，而與聲壓的對(duì)數(shù)成正比，兩個(gè)同樣的聲源放在一起，感覺并不是響一倍。1、聲壓級(jí)聲壓級(jí)Lp 取參考聲壓為Po=2*10-5N/m2為基準(zhǔn)聲壓，任一聲壓P的Lp為： 聽覺下限： p=2*10-5N/m2 為0dB 能量提高100倍的P=2*10-3N/m2 為20dB 聽覺上限： P=20N/m2 為120dB2、聲功率級(jí)聲功率級(jí)Lw 取Wo為10-12W, 任一聲功率W的聲功率級(jí)Lw為：)(log2010dBPoPLp)(log1010dBWoWLw 3、聲壓級(jí)的疊加、聲壓級(jí)的疊加10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10dB=? 答

22、案分別是：13dB,3dB,10dB.幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí)，某點(diǎn)的聲能是各個(gè)聲源貢獻(xiàn)的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻(xiàn)的聲壓平方和的開根號(hào)。即：聲壓級(jí)為：220220222012212110.1010lg20.lg20lg20LpnLpLpnPoPPPPoPLp)(log2010dBPoPLp22221.nPPPP2.3 聲音的頻譜與聲源的指向性v2 .3.1 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

23、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 16K1/3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 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 .

24、2.3.2 聲源的指向性v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。v聲源尺寸比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看作點(diǎn)聲源，無指向性。v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。2.4 人耳的主觀聽覺特性v人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo)2.4.1 聽覺范圍v最高最低頻率可聽極限一般地，青少年2020KHz,中年3015KHz,老年10010KHz。最小最大可聽極限人耳有一定的適應(yīng)性，常人上限為120dB,經(jīng)常噪聲暴露的人有可能達(dá)到135140dB。下限頻率與頻率有關(guān)。最小可辯閾（差閾） 聲壓級(jí)變化的察覺： 一般是1dB 3dB以上有明顯感覺

25、頻率變化的察覺： 一般是3%，低頻時(shí)3Hz。2.4.2 聽覺定位v人耳判斷聲源的遠(yuǎn)近比較差，但確定聲源的方向比較準(zhǔn)確。v人耳判斷聲源的方位主要靠雙耳定位，對(duì)時(shí)間差和強(qiáng)度差進(jìn)行判斷。v人耳的水平方向感要強(qiáng)于豎直方向感。v通常，頻率高于1400Hz強(qiáng)度差起主要作用；低于1400Hz時(shí)，時(shí)間差起主要作用。這就是人為什么對(duì)蚊子的定位比較準(zhǔn)而對(duì)電話鈴聲的定位比較差的原因。2.4.3 哈斯(Hass)效應(yīng)v人耳有聲覺暫留現(xiàn)象，人對(duì)聲音的感覺在聲音消失后會(huì)暫留一小段時(shí)間。v如果到達(dá)人耳的兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔小于50ms，那么就不會(huì)覺得聲音是斷續(xù)的。v直達(dá)聲到達(dá)后50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲會(huì)加強(qiáng)直達(dá)聲。直達(dá)聲到達(dá)

26、后50ms后到達(dá)的“強(qiáng)”反射聲會(huì)產(chǎn)生“回聲”哈斯效應(yīng)。v根據(jù)哈斯效應(yīng)，人耳在多聲源發(fā)聲內(nèi)容相同的情況下，判斷聲源位置主要是根據(jù)“第一次到達(dá)”的聲音。因此，劇場(chǎng)演出時(shí)，多揚(yáng)聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問題。2.4.4 掩蔽效應(yīng)v人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽覺靈敏度因另外一個(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩蔽效應(yīng)。v一個(gè)聲音高于另一個(gè)聲音10dB,掩蔽效應(yīng)就很小。v低頻聲對(duì)高頻聲的掩蔽作用大。2.4.5 人耳頻率響應(yīng)與等響曲線v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1000Hz和高于4000Hz的聲音，靈敏度降低。v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。v以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)

27、，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”。v響度單位是“方”。v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??；聲壓級(jí)低，相對(duì)變化感覺大。2087dB31.575dB6358dB12545dB25043dB50042dB1K40dB2K36dB4K32dB8K48dB40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)。2030dB31.535dB6340dB12545dB25050dB50051dB1K52dB2K52dB4K52dB8K40dB16K38dB20K30dBL聲級(jí)58.8dBA 聲級(jí)A 聲級(jí)是使用40方等響

28、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)。頻率聲壓級(jí)加權(quán)值加權(quán)后2030dB-50.5-20.531.535dB-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聲級(jí) 58.1dBA、B、C、D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)A:模擬人耳響應(yīng)，4

29、0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。課后作業(yè)作業(yè)要求：必須抄題，包括選擇題。選擇題可能有多個(gè)答案。一、 如果要求影院內(nèi)最后一排觀眾聽到來自銀幕的聲音和畫面的時(shí)間差不大于100ms，那么觀眾廳的最大長(zhǎng)度應(yīng)不超過多少？二、 聲音的物理計(jì)量中采用級(jí)的概念，為什么？三、 試證明在自由場(chǎng)中，Lp=Lw-20lgr-11。式中，Lw為聲源的聲功率級(jí)，Lp為距聲源r米處的聲壓級(jí)。四、 要求距廣場(chǎng)上揚(yáng)聲器40m遠(yuǎn)處的直達(dá)聲聲壓級(jí)不小于80dB，如把揚(yáng)聲器看作是點(diǎn)聲源，它的聲功率至少為多

30、少？聲功率級(jí)是多少？五、 下列純音相當(dāng)于多少方？頻率 1000Hz 2000Hz 5000Hz 100Hz 50 Hz聲壓級(jí) 40dB 30dB 60dB 80dB 67dB六、 一廠房測(cè)得機(jī)械噪聲聲壓級(jí)為94dB,關(guān)掉機(jī)器，聲壓級(jí)為88dB，求機(jī)器實(shí)際的聲壓級(jí)。七、 70dB+70dB+70dB+70dB=?八、 請(qǐng)寫出Lp1+Lp2+.Lpn的聲壓級(jí)計(jì)算公式。九、 人耳聽覺最重要的部分為：A、2020KHz B、1004000Hz C、因人而異，主要在50Hz左右 D、因人而異，主要在1000Hz左右十、 以下說法正確的有：A、0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約5000m/s、1450m/s

31、、331m/s。B、 0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約2000m/s、1450m/s、340m/s。C、氣壓不變，溫度升高時(shí)，空氣中聲速變小。十一、 公路邊一座高層建筑，以下判斷正確的是：A、1層噪聲最大，10層、17層要小很多，甚至聽不見。B、1層噪聲最大，10層、17層要小一些，但小得不多。C、1層、10層、17層噪聲大小完全一樣。十二、 以下說法正確的有：A、1/3倍頻程和倍頻程的頻譜可以相互轉(zhuǎn)化。B、1/3倍頻程的頻譜可以向倍頻程的頻譜轉(zhuǎn)化。C、倍頻程的頻譜可以向1/3倍頻程的頻譜轉(zhuǎn)化。D、得到了聲音的頻譜，可以得到其A聲級(jí)。十三、 以下說明正確的有：A、聲級(jí)計(jì)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的作用是先將聲音

32、濾波，再測(cè)量濾波后的聲壓級(jí)。B、在相同的聲源和測(cè)點(diǎn)處，A聲級(jí)與L聲級(jí)之間總相差3dB。C、聲壓級(jí)大時(shí)聽起來不一定響。D、一般情況下，聽起來響的聲音A聲級(jí)大。十四、 使用聲級(jí)計(jì)的A檔、線形（L檔）、2K濾波檔分別測(cè)量1K的純音得到Lp(A)、Lp(L)、Lp(2K)，有：A、Lp(A)=0dB B、Lp(A)=Lp(2K) C、Lp(L)Lp(2K) D、Lp(A)Lp(2K)第三講第三講 室內(nèi)聲學(xué)室內(nèi)聲學(xué)3.1 聲音在室外與室內(nèi)的傳播3.1.1 聲波在室外空曠地帶的傳播規(guī)律隨與聲源距離的增加，聲能發(fā)生衰減。對(duì)于點(diǎn)聲源，有：距離增加一倍，聲壓級(jí)減少6dB。對(duì)于存在地面反射的情況，有：3.1.2聲

33、波在室內(nèi)封閉空間的傳播與室外情況很不同。形成與室外情況很不同。形成“復(fù)雜聲場(chǎng)復(fù)雜聲場(chǎng)”。1、距聲源同樣的距離，室內(nèi)比室外響些。2、室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，聲音不會(huì)馬上消失，會(huì)有一個(gè)交混回響的過程，一般時(shí)間較短?？鋸垼骸袄@梁三日，不絕于耳”3、當(dāng)房間較大，而且表面形狀變化復(fù)雜，會(huì)形成回聲和聲場(chǎng)分布不均，有時(shí)出現(xiàn)聲聚焦、駐波等。以上現(xiàn)象源于：封閉空間內(nèi)各個(gè)界面使聲波被反射或散射。以上現(xiàn)象源于：封閉空間內(nèi)各個(gè)界面使聲波被反射或散射。3.1.3 建筑聲學(xué) 在室內(nèi)聲學(xué)中，可以用幾何聲學(xué)、統(tǒng)計(jì)聲學(xué)和波動(dòng)聲學(xué)的理論加以分析。但對(duì)于建筑師來講，可以少些關(guān)心復(fù)雜的理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重要的是在于弄清楚一些聲學(xué)基本原

34、重要的是在于弄清楚一些聲學(xué)基本原理，掌握一些必要的解決實(shí)際問題的方法和計(jì)算公式，特別理，掌握一些必要的解決實(shí)際問題的方法和計(jì)算公式，特別是弄清楚物理意義。是弄清楚物理意義。3.2 聲波在室內(nèi)的反射與幾何聲學(xué)3.2.1 反射界面的平均吸聲系數(shù)混響室界面全反射，聲能在聲音停止后，無限時(shí)間存在。普通廳堂房間等界面部分反射，聲能在聲音停止后，經(jīng)過多次反射吸收，能量逐漸下降。消聲室界面全吸收，聲能在聲音停止后，完全沒有任何反射吸收，在接觸界面后，聲能立即消失。3.2.2 聲音在房間內(nèi)的反射3.2.3 室內(nèi)聲音反射的幾種情況室內(nèi)聲學(xué)中，常利用幾何作圖的方法，主要研究一次或二次反射聲分布情況。在使用幾何聲學(xué)

35、方法時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)條件：1）只考慮能量關(guān)系。2）聲波所遇到的反射界面、障礙物尺寸應(yīng)比聲音的波長(zhǎng)大得多。3.2.4 室內(nèi)聲音的增長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)和衰減從能量的角度，我們考慮在室內(nèi)聲源開始發(fā)聲、持續(xù)發(fā)生、停止等情況下聲音形成和消失的過程。3.3 混響時(shí)間 Reverberation Time(RT)3.3.1 什么是混響時(shí)間？室內(nèi)聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，聲源突然停止發(fā)聲，室內(nèi)聲壓級(jí)將按線性規(guī)律衰減。衰減60dB所經(jīng)歷的時(shí)間叫混響時(shí)間T60，單位S。實(shí)際的混響衰減曲線。由于衰減量程及本底噪聲的干擾，造成很難在60dB內(nèi)都有良好的衰減曲線，因此有時(shí)取T30或T20代替T60。3.3.2 賽賓(Sabine)公式 賽賓是

36、美國(guó)物理學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)混響時(shí)間近似與房間體積成正比，與房間總吸聲量成反比，并提出了混響時(shí)間經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式賽賓公式。公式適用于：3.3.3 伊林（Eyring)公式4m:空氣吸收系數(shù)，空氣吸收=4mV當(dāng)頻率取=2KHz時(shí)，一般地，4m與濕度溫度有關(guān)，通常取相對(duì)濕度60%,溫度20oC時(shí)，4m為2KHz0.009 4KHz 0.022計(jì)算RT時(shí)，一般取125、250、500、1K、2K、4K六個(gè)倍頻程中心頻率3.3.4 混響時(shí)間計(jì)算的不確定性v室內(nèi)條件與原公式假設(shè)條件并不完全一致。1）室內(nèi)吸聲分布不均勻 2）室內(nèi)形狀，高寬比例過大 造成聲場(chǎng)分布不均勻，擴(kuò)散不完全v計(jì)算用材料吸聲系數(shù)與實(shí)際情況有誤差一般誤差在10%15%v計(jì)算RT的意義：1）“控制性”地指導(dǎo)材料的選擇與布置。2）預(yù)測(cè)建筑室內(nèi)的聲學(xué)效果3）分析現(xiàn)有的音質(zhì)問題3.4 室內(nèi)聲壓級(jí)計(jì)算及混響半徑當(dāng)室內(nèi)聲源聲功率一定時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，在室內(nèi)內(nèi)距離為r的某點(diǎn)聲壓級(jí)可以預(yù)計(jì)，室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)的計(jì)算公式為：公式前提：1）點(diǎn)聲源2）連續(xù)發(fā)聲3）聲場(chǎng)分布均勻混響半徑：混響聲能密度=直達(dá)聲能密度=混響半徑指向性因數(shù)：QQ=1,2,4,83.5 房間的共振與共振頻率普遍存在的共振現(xiàn)象：暖瓶倒水、口腔發(fā)聲等等。在房間內(nèi)存在共振現(xiàn)象：簡(jiǎn)并現(xiàn)象：當(dāng)不同共振方