環(huán)境聲學及其相關技術第3次課3課件

環(huán)境聲學及其相關技術(一)環(huán)境聲學環(huán)境聲學的研究目的是改善人們的生活和工作的聲環(huán)境。隨著科技的發(fā)展，文化素質的提高和生活的改善，無論是對音樂的美的享受還是抑制周圍環(huán)境的噪聲，都要考慮人的主觀感受。環(huán)境聲學是聲學和現(xiàn)代科技與生命科學結合的科學。3聲環(huán)境控制的意義

創(chuàng)造良好的滿足要求的聲環(huán)境保證居住者的健康提高勞動生產率保證工藝過程要求

錄音棚、演播室高保真音樂廳建筑聲學是研究建筑中聲學環(huán)境問題的科學。建筑聲學建筑聲學的基本任務是研究室內聲波傳輸?shù)奈锢項l件和聲學處理方法，以保證室內具有良好聽聞條件；研究控制建筑物內部和外部一定空間內的噪聲干擾和危害。（一）建筑聲學問題室內音質的評價標準：（1）混響時間（2）主觀評價（3）客觀評價吸聲材料和吸聲結構建筑中的噪聲控制建筑隔聲音質設計電聲系統(tǒng)建筑聲學測量（一）建筑聲學問題——吸聲材料和吸聲結構吸聲材料和吸聲結構的主要用途有：在音質設計中控制混響時間，消除回聲、顫動回聲、聲聚焦等音質缺陷；在噪聲控制中用于室內吸聲降噪以及通風空調系統(tǒng)和動力設備排氣管中的管道消聲。（一）建筑聲學問題——建筑中的噪聲控制建筑中噪聲控制的任務就是通過一定的降噪減振措施，使房間內部噪聲達到允許噪聲標準。（一）建筑聲學問題——音質設計室內音質設計，特別是對于觀眾廳音質設計的目標主要包括以下方面：

1)在混響感（豐滿度）和清晰度之間有適當?shù)钠胶?

2)具有適當?shù)捻懚龋?/p>

3)具有一定的空間感；

4)具有良好的音色，即低、中、高音適度平衡；

5)無噪聲干擾，無回聲、多重回聲、聲聚焦、聲影等音質缺陷。空氣中聲音的傳播速度

—建筑聲環(huán)境的基礎知識

聲速與媒質的彈性、密度和溫度有關空氣中的聲速：理想氣體中

k絕熱指數(shù)，R氣體常數(shù)，T絕對溫度。近似：340m/s。

固液體中的聲速鋼5000m/s

松木3320m/s

水1450m/s

軟木500m/s聲音的頻帶

—建筑聲環(huán)境的基礎知識

人耳可以聽見范圍為20~20000Hz

人耳聽不見的范圍

20Hz以下：次聲

20000Hz以上：超聲

高頻聲低頻聲中頻聲31.25Hz頻率

簡諧音（純音）聲壓變化為只有一個頻率的余弦函數(shù)的聲音只需要頻率f和聲壓幅值Pm就可以描述復音周期性信號，含有基頻和諧頻，諧頻是基頻的整倍數(shù)其頻譜圖可以表示為在基頻f0和2f0、3f0、……

nf0處的一系列高矮不等的豎直線——線狀譜(離散譜)普通聲響頻譜一般為連續(xù)頻譜聲音的頻帶

—建筑聲環(huán)境的基礎知識17普通聲響頻譜一般為連續(xù)頻譜

可聞閾(聽閾)

——人耳剛能感受的聲音p0=2×10-5Pa

I0=1×10-12W/m2

疼痛閾——

聞之人耳則痛，p0=200Pa，I=100W/m2

煩惱閾

——聞之煩惱不安

p0=20

Pa，I0=1W/m2聽覺范圍

—建筑聲環(huán)境的基礎知識量級差非常大

什么是噪聲？人們不愿意聽到的任何聲音空氣聲：經空氣和圍護結構傳播固體聲：振動噪聲人耳的主觀聽覺特性

—人體對聲環(huán)境的反應原理人耳的主觀聽覺特性

—人體對聲環(huán)境的反應原理聽覺定位：聲波到達雙耳時有一定的時間差、強度差和相位差，據此判斷聲源的方向和遠近，進行聲像定位。頻率高于1400Hz，定位取決于雙耳聲音的強度差，低于1400Hz，取決于聲音到達的時間差。時差效應：兩個聲音的時差超過50ms能夠被分辨,直達聲50ms后的反射聲會形成回聲的感覺，此規(guī)律哈斯效應。純音等響曲線:人耳對聲音的響應并不是在所有頻率上都是一樣的。掩蔽效應:聽覺靈敏度因為另一個聲音的存在而降低的現(xiàn)象人耳的聽覺特征

特征：對高頻聲比對低頻聲敏感響度級：用1000Hz純音的聲壓級代表其等響曲線的響度級，單位Phon（方）等響曲線聽閾痛閾

一種聲音存在提高了另一種聲音的可聞閾頻率相近則掩蔽作用顯著對高頻掩蔽作用比對低頻掩蔽作用大有利有弊弊：聽不清要聽的內容，降低工作效率利：避免一些噪聲的干擾，提高工作效率掩蔽音的聲壓級被掩蔽音的聲壓級dB掩蔽效應

—人體對聲環(huán)境的反應原理曲線代表掩蔽水平日本辦公樓噪聲干擾感覺的調查掩蔽效應

—人體對聲環(huán)境的反應原理我國的室內噪聲標準

房間類型 NR(dB) A聲級dB(A)

臥室、書房、病房 35~45 40~50

起居室 40~45 40~50

語言教室 35 40

一般教室 45 50

門診室 50~55 55~60

手術室 40~45 40~50

賓館客房 30~45 35~50

會議室 30 35

學術報告廳、閱覽室 25 30

室內樂、演唱廳 20 25

辦公室 35 40

宴會廳 35 4029聲音在室內空間中的傳播

室內聲場由直達聲與多次反射聲組成有“混響現(xiàn)象”平均吸聲系數(shù)室內聲級隨時間t衰減的量

房間容積房間界面總面積聲能密度Dt，J/m3

聲音在室內的增長和衰減

室內吸聲量越大，衰減越快房間容積越大，衰減越慢

停止發(fā)聲后衰減60dB的時間稱為混響時間：聲音在室內的增長和衰減混響時間混響聲能密度在聲源停止發(fā)聲后衰減60分貝所需要的時間，即T60。它與房間容積成正比，與房間吸聲總量成反比。塞賓（Sabin）公式依林(Eying)公式較小時較大時聲音在室內的增長和衰減混響時間對人的聽音效果有重要影響，它仍然是迄今為止描述室內音質的一個最為重要的參量?；祉憰r間取決于廳堂的建筑結構，頂棚構造，壁面材料及裝飾，座椅布局及材料等眾多因素?；祉憰r間與音質評價清晰度與混響聲和直接聲的比例有關，在數(shù)量關系上它與混響強度成正比，在時間關系上它與混響時間成反比。豐滿度指500Hz以上中、高頻的活躍度。與混響時間和混響強度成正比。渾厚感指低頻150Hz以下的活躍度。與混響時間和混響強度成正比。Boston,SymphonyHallV=18700m2T60=1.8s（512Hz）Vienna,GrosserMusikvereinssaalV=15000m2T60=2.05s（512Hz）室內音質設計是建筑聲學設計的一項重要內容，其音質設計的成敗往往是評價建筑設計優(yōu)劣的決定性因素。室內音質設計應在建筑設計方案初期就同時進行，而且要貫穿在整個建筑施工圖設計、室內裝修設計和施工的全過程中，直至工程竣工前經過必要的測試鑒定和主觀評價，進行適當?shù)恼{整、修改，才有可能達到預期的效果。（二）室內音質設計室內聲場的基本特征：由于反射聲對直達聲疊加的結果，聲壓隨聲源距的衰減沒有象室外聲場那樣明顯。由于室邊界面對聲的反射作用，當室內聲源停止發(fā)生后，室內聲并不立即停止，而是繼續(xù)持續(xù)一段時間。由于室形狀的復雜性或線度比例失當，聲波在室內傳播時，有可能產生回聲、聚焦、蛙鳴、聲染色等特異聲現(xiàn)象。（二）室內音質設計（二）室內音質設計——室內音質的評價室內音質的基本要求：無噪聲干擾。作為語言用房，首先應追求聲音的清晰。作為音樂用房，要求聲音圓潤、豐滿和足夠的力度。隊以立體聲用房，則要求立體感、空間感、臨場感。整個聲場應充分擴散、分布均勻。沒有回聲、顫音、蛙鳴、嗡聲以及聲功能聚焦的特異聲缺陷。（二）室內音質設計——最佳混響時間對于語言，一般混響時間要短些，以保證語言的清晰度對于音樂，混響時間長一些，可以使音樂更豐滿，低音更有力度房間尺寸小時，混響時間比較短，反之，則要長些。一、音質設計的一般要求1.合適的響度——語言聲：不低于60-65dB；音樂聲——可低到40dB，高到80dB。2.聲能分布均勻措施：a.體型設計的擴散處理；b.均勻布置吸聲材料3.選擇合適的混響時間4.充分利用近次反射聲——設計好天花和側墻反射面，以向觀眾廳提供適當數(shù)量的近次反射聲。5.消除音質缺陷——聲聚焦、回聲、顫動回聲、聲影和延時較長的強反射聲（二）室內音質設計音質設計的任務就是利用室內聲學和噪聲控制的研究成果所提供可科學方法和技術措施來達到預期的音質效果（通常通過客觀音質指標來體現(xiàn)），并接受相應的聲學測量來驗證是否達標。音質設計的最終目的是滿足人們良好的聽音感受的主觀要求。二、音質設計的任務及目的（二）室內音質設計三、音質設計內容音質設計內容包括廳堂選址，總平面布置，體積容積的確定，音質指標的考量，反射面的布置，混響設計以及噪聲控制等。（二）室內音質設計四、音質設計的步驟1.廳堂用地的選擇。調查比較各種可供選擇的場地的環(huán)境噪聲和振動狀況，盡可能選擇安靜的場所。2.總平面布置

考慮相應的防噪減震總體平面布置方案，觀眾廳和設備房的關系。

3.觀眾廳容積和體型設計選擇適當?shù)挠^眾廳平面與剖面形式，選擇使廳堂容易達到最佳混響時間，響度和有利于充分利用有效聲能，壁免音質缺陷的方案。4.音質指標的選擇與計算

確定各項音質指標，選定其優(yōu)選值，進行包括混響時間在內的各項指標的計算。必要時可進行計算機仿真或聲學縮尺模型試驗。（二）室內音質設計五.圍蔽空間里的聲學現(xiàn)象s11123456789101.由于傳播距離的增加而導致的聲能衰減2.聽眾對直達聲能的反射和吸收3.房間界面對直達聲的反射和吸收4.來自界面相交凹角的反射聲5.室內裝修材料表面的散射6.界面邊緣的聲衍射7.障板背后的聲影區(qū)8.界面的前次反射聲9.鋪地薄板的共振10.平行界面間對聲波的反射、駐波和混響11.聲波的透射（二）室內音質設計有音質要求的廳堂，可分為以下三類：1）供語言通信用2）供音樂演奏用3）多用途廳堂——要兼顧語言和音樂的要求，一般采用比較折衷的解決方案，權衡語言和音樂兩方面使用要求的主次。（二）室內音質設計供語言通信的廳堂音質設計一.語言聲的主觀評價和客觀參量對于以語言聲為主的廳堂，在音質設計和主觀評價時，主要考慮以下因素：1.語言聲的特征漢語是單音節(jié)的語言，一個字是一個音節(jié)，每個音節(jié)由元音和輔音組成。元音比輔音容易辨別。（二）室內音質設計2.語言的音質主觀屬性主觀屬性對應詞名稱主觀評價聲學術語1.響度響度合適響度不夠、聲音太輕響度2.清晰度、可懂度聽得清聽不清清晰度、可懂度3.宏亮感聲音宏亮干澀豐滿度4.講話者自我感不費勁費勁反應及時性5.回聲沒有回聲有回聲回聲干擾6.噪聲安靜太吵噪聲干擾（二）室內音質設計3.語言清晰度語言聽聞條件的主要評定指標之一，是對語言能夠聽清的程度。影響語言清晰度的因素主要有下列幾點：1）響度2）混響時間3）反射聲——室內反射聲的分布對語言清晰度有比較重要的影響。在音質設計時，要設法消除延時較長的強反射聲。4）背景噪聲5）近次反射聲能與總的聲能之比。一般認為，在直達聲后50ms以內到達的所有反射聲，對聽音起有利作用，這些反射聲可提高響度和清晰度。（二）室內音質設計二.考慮聽者與聲源的距離演講者的口語聲隨距離的增加而不斷衰減。改變聲音衰減程度的措施：

1.適當裝置反射板

2.設法縮短講臺（聲源）至最后排席位的距離：a.選取較經濟的席位寬度；

b.選取較經濟的席位排距；

c.在符合疏散安全要求的前提下，經濟地設置廳堂的走道；

d.選取聽眾席區(qū)域的最佳分布形狀；

e.設置挑臺等。（二）室內音質設計設置聲反射板選取聽眾席區(qū)域的最佳分布形狀設置挑臺三.考慮聲源的方向性語言可懂度隨聽者與演講者的方向性關系而有所不同。如果SA表示演講者正前方面對的聽眾距離，那么：SA=15m，聽聞不費力；SA=15-20m，良好的可懂度；SA=20-25m，聽聞滿意；SA=30m，不用擴聲系統(tǒng)聽聞距離的極限。我們可以利用可懂度等值線，來設計聽眾席位合理布置方案。（二）室內音質設計四.考慮聽眾對直達聲的吸收在水平布置作為的觀眾廳，由于對直達聲能的吸收隨著掠過的聽眾席位排數(shù)而增加，因此造成觀眾廳后部席位聽聞困難。如果把大廳地面設計成逐排或隔排升起的形狀，可減少聲音的掠射吸收。（二）室內音質設計五.設置有效的反射面正確設置反射面，可以對直達聲的加強起重要作用。設置反射板，應注意以下幾點：1.反射板最好裝于（或懸掛在）大廳的頂棚下，以使反射聲能不致因掠過前部席位聽眾而被吸收。2.反射板盡可能裝得低些，以使聽眾接收直達聲和反射聲之間的時差減到最小。3.根據需要加強大廳后部聽眾區(qū)域聽音的要求，確定反射板的位置和傾斜角度。4.反射板應有足夠的寬度，邊長不小于3m。5.反射板應當是平面或接近于平面，吸聲系數(shù)應該很小。（二）室內音質設計在頂棚以下不同高度分塊設置反射板。當大型廳堂頂棚較高時，設計中可以考慮在頂棚下面水平或呈一定角度地懸掛反射板，其高度比頂棚低，但仍在聲源上方?？紤]到廳堂建筑藝術造型的需要，也可以把反射板設計成曲面，但來自凸曲面的反射聲，比來自平反射面和凹反射面的反射聲弱。六.擴聲系統(tǒng)的選用1.擴聲系統(tǒng)的組成:擴聲系統(tǒng)包括三種基本設備：傳聲器（話筒），功率放大器（功放）用于擴聲，揚聲器（音箱）用以發(fā)聲。（二）室內音質設計2.揚聲器系統(tǒng)的布置揚聲系統(tǒng)的布置應根據廳堂的使用性質及內容的大小來確定，通?？梢苑譃榧惺讲贾茫Ⅲw聲布置和分散式布置三種。1）集中式布置把揚聲器系統(tǒng)集中布置在觀眾席前方靠近自然聲源處，如劇場，報告廳的臺口上方或兩側。2）分散式布置當大廳頂棚的高度較低而場地面積較大時，集中式布置的揚聲器所產生的聲束難以覆蓋所有觀眾席。這時，可把揚聲器分區(qū)布置在頂棚或側墻上。分別照射一部分觀眾席。3）立體聲布置在舞臺上及大廳各個界面裝置兩路或幾路揚聲器。（二）室內音質設計七.避免出現(xiàn)聲影區(qū)、回聲1.避免出現(xiàn)聲影區(qū)聲影區(qū)：由于遮擋使近次反射聲不能到達的區(qū)域。如觀眾廳內的挑臺。聲影的產生使大廳聲場分布不均勻。解決方法：在舞臺口上方設置較低的、呈一定角度的放射板，將有助于改善聲影區(qū)席位的聽聞條件。（二）室內音質設計2.防止產生回聲

回聲的產生是個非常復雜的問題，在實際的設計工作中，須對所設計的大廳是否有出現(xiàn)回聲的可能性進行檢查，方法是：利用聲線法檢查反射聲與直達聲的聲程差是否超過23m(即延遲是夠超過1/15s）

觀眾廳最易產生回聲的部位是后墻（包括挑臺上后墻）、與后墻相接的天花，以及跳臺的前沿等。如后墻是曲面，更會由于反射聲的聚集加強回聲的強度。（二）室內音質設計在有回聲的部位處理措施：

1）作吸聲處理；

2）作擴散處理；

3）應改變其傾斜角度，使反射聲落入近處的觀眾席；

4）吸聲處理最好與擴散處理并用，并應當與大廳的混響設計一起考慮。

推薦最佳混響時間曲線(500Hz)

八.選擇適當?shù)幕祉憰r間

1.選擇最佳混響時間及其頻率特性不同使用要求的大廳，有不同的混響時間的最佳值。推薦的最佳混響時間是通過對已有大廳的實測、統(tǒng)計歸納得到的。（二）室內音質設計高頻混響時間應當盡可能與中頻一致，而中頻以下可以保持與中頻一致，或者隨著頻率的降低適當延長，這取決于大廳的用途。音樂演出用大廳應有的較長的混響時間，同時希望低頻比中頻略長，在125Hz附近可以達到中頻500Hz的1.1－1.25倍，甚至1.45倍。但對于以語言聽聞為主的大廳，應用較平直的混響時間頻率特性?；祉憰r間應當較短，以保證廳內的清晰度。最佳混響時間的頻率特性曲線

2.控制大廳容積在大廳的音質設計中，首先要根據廳的用途