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建筑声环境噪声控制
噪声的产生及危害
噪声的评价方法和允许标准
噪声控制的一般方法
第六章
业务洽谈的相关事宜
建筑声学基础知识
第一节声音的性质和基本物理量
一、声音的产生
声音是由振动产生的。
二、声源和声波
1、声源:
声音来源于振动的物体,这个振动着的发声体就称之为声源。
2、声波:
由于声音来源于振动着的物体,所以要把这种振动传播出去也需要媒介物(这种媒介物称之为介质,它可以是气体、液体或者固体)。
声源振动(发声)时,它周围的介质分子(看作质点)随之发生振动,发生振动的介质分子又由于碰撞带动它们周围的介质分子振动,这种大量的介质分子由于振动形成的具有一定规律的波动就是声波。
三、频率、波长和声速
1、频率:
当声波传播时,介质质点在其平衡位置附近作来回振动,质点完成一次振动又回到原来的位置(叫一次全振动)所经历的时间叫做一个周期(用T表示)。
声波的频率就是介质质点在1秒(用s表示)内完成多少次全振动,也就是多少个周期加起来是1s,声音的频率就是多少赫兹(频率用f表示,单位是Hz,读赫兹),比如低频125Hz,就是在1s内介质质点要完成125次全振动。
2、声速:
声波在介质中传播的速度叫声音的速度,即声速,记为c,单位是米/秒(m/s),声速与介质的状态、密度和温度有关。
通常室温条件下,空气中的声速为340m/s。
如果介质是固体和液体,声速一般要比空气中大得多。
3、波长:
声音的波长用λ表示,它是一个与频率和声速相关的量。
公式为:
λ=c/f。
可见在同一介质同一环境条件下(即c不变),声音的频率越高,波长越小。
如通常情况下频率为100Hz的声波,它的波长为3.4m。
四、声波的反射与绕射
1.波阵面与声线
声波从声源出发,在同一个介质中按一定方向传播,在某一时刻,波动所达到的各点
包络面称为“波阵面”。
波阵面为平面的称为“平面波”,波阵面为球面的称为“球面波”。
由一个点声源辐射的声波就是球面波,但在离声源足够远的局部范围内可以近似地把它看作
平面波。
人们常用“声线”表示声波传播的途径。
在各向同性的介质中,声线是直线且与波阵面相垂直。
2.声波的绕射
当声波在传播过程中遇到一块有小孔的障板时,如孔的尺度(直径d)与波长λ相比为很小(即d≤λ),见图(a),小孔处的质点可近似地看作一个集中的新声源,产生新的球面波。
它与原来的波形无关。
当孔的尺度比波长大得多时(即d≥λ),见图(b),则新的波形较复杂。
从图(c)、(d)的两个例子可以看出,当声波在传播途径中遇到障板时,不再是直线传播,而是能绕到障板的背后改变原来的传播方向,在它的背后继续传播,这种现象称为绕射。
例如,有一声源在一堵大墙的一侧发声,在另一侧的听者看不见声源却能听见声音。
这就是声波绕射的结果。
声源的频率越低,绕射的现象越明显。
(a)小孔对波的影响
(b)大孔对波的影响
(c)声波的绕射
(d)小障板对声波传播的影响
3.声波的反射
当声波在传播过程中遇到一块尺寸比波长大得多的障板时,声波将被反射。
如声源发出的是球面波,经反射后仍是球面波,见下图。
图中用虚线表示反射波,就像是从声源O的映像——虚声源O'发出似的,O和O'点是关于反射平面的对称点。
同一时刻反射波与入射波的波阵面半径相等。
如用声线表示前进的方向,反射声线可以看作是从虚声源发出的。
所以利用声源与虚声源的对称关系,以几何声学作图法就能很容易地确定反射波的方向。
根据声源与虑声源的对称关系,可以说明反射定律,它的基本内容是:
(1)入射线、反射线和反射面的法线在同一平面内。
(2)入射线和反射线分别在法线的两侧。
(3)反射角等于入射角。
声波的反射
五、声波的透射与吸收
当声波入射到建筑构件(如墙、天花)时,声能的一部分被反射,一部分透过构件,还有
一部分由于构件的振动或声音在其内部传播时介质的摩擦或热传导而被损耗,通常称之
为材料的吸收。
根据能量守恒定律,若单位时间内入射到构件上的总声能为E0,反射的声能为Er,构件吸收的声能为Eα,透过构件的声能为Eτ,则互相问有如下的关系;
E0=Er十Eα十Eτ
透射声能与入射声能之比称为“透射系数”,记作τ;
反射声能与入射声能之比称为“反射系数”,记作r,即:
τ=
r=
人们常把τ值小的材料称为“隔声材料”,把r值小的称为“吸声材料”。
实际上构件的吸收只是Eα,但从入射波与反射波所在的空间考虑问题,常用下式来定义材料的吸声系数:
α=1-r=1-=
在进行室内音质设计与噪声控制时,必须了解各种材料的隔声、吸声持性,从而合理
地选用材料。
六.声音的传播
声波传到人的耳朵时引起人耳的鼓膜发生振动,通过神经系统的听觉中枢的“翻译”,人就听到了声音。
第二节声音的计量
一、声功率、声强和声压
1、声功率:
声源在单位时间内向外辐射的声能,记为W,单位为瓦(W)或者微瓦(μW)
2、声强:
单位时间内,在垂直于声波传播方向的单位面积上通过的声能。
记为I,单位为。
I=W/S声强是衡量声音强弱的物理量。
3、声压:
是指某瞬时,介质中的压强(P)相对无声波时的压强(P0)的改变量,所以声压的单位就是压强的单位,为Pa。
任何一点,声压都是随时间而变化的,每一瞬间的声压称为瞬时声压,某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压。
通常所指的声压是指有效声压。
二、声功率级、声强级和声压级
1、声功率级:
声功率级是声功率与基准声功率之比的对数的10倍,记作Lww,单位是分贝(dB),表达式为:
Lw=10lg
式中
W——某点的声功率,W;
W0——基准声功率,10-12W。
声功率级仅表示声源发声能力的大小。
2、声强级:
声强级是声强与基准声强之比的对数的10倍,记作LI,单位也是分贝(dB)表达式为
Lw=10lg
I——某点的声强,W;
I0——基准声强,10-12W/m2;
即人耳对频率为1000Hz的声音的可听下限。
3、声压级:
声压级是声压与基准声压之比的对数的20倍,记作Lp,单位也是分贝(dB)
表达式为
Lw=20lg
p——某点的声压,Pa;
p0——基准声压,2×
10-5Pa;
在常温条件下,同一声波在同一点的声压级和声强级近似相等。
三、声级的叠加
当几个声音同时出现时,其总声强是各个声强的代数和,即:
I=I1+I2+I3+…+In-1+In
而它们的总声压级是各个声压平方和的平方根:
声强级、声压级叠加时,不能简单的代数相加,而应该按对数运算规律进行。
例如对于几个声压均为p的声音,叠加后的总声压级是:
Lw=20lg+10lgn,而不是n20lg,也就是总声压级只增加了10lgn。
所以两个声压相等的声音叠加时,它们的总声压级只增加3dB,而不是增加一倍。
我们通常说声音有多少分贝或某个中心频率有多少分贝就是指的总声压级或声压级值。
第三节声音的频谱与声源的指向性
一、声音的频谱
在通常的建筑声学测量中,除了要知道声音在某一点某一频率的声压级外,还需要了解整个频率范围内的声压级分布,即声音的频谱。
声音的频谱通常用以频率为横坐标,以声压级为纵坐标的频谱图表示。
在通常的声学测量中将声音的频率范围分成若干个频带,以便于工作。
精度要求高时,频带带宽可以窄;
允许简单测量时,可以将频带带宽放宽。
在建筑声学中,频带划分的方式通常不是在线性标度的频率轴上等距离地划分频带,而是以各频带的频程数n都相等来划分。
频程n用下式表示:
n=log2
即=2n
式中n为正整数或分数。
n=1,称为一个(1/1)倍频程;
n=1/3,称为1/3倍频程。
在一个倍频程中,上限频率f1是下限频率f2的2倍,在1/3倍频程中,上限频率f1是下限频率f2的1.26倍。
而常用的倍频程与1/3倍频程划分是以频带的中心频率fm来排列的(以便测量和记录等工作),中心频率fm是上下限频率的几何平均,即:
fm=
我们常见的一个倍频程的中心频率就是:
31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz、16000Hz。
二、声源的指向性
当声源的尺度比波长小得多时,可以看作无方向性的“点声源”,在距声源中心等距离处的声压级相等。
当声波的尺度与波长相差不多或更大时,它就不是点声源,可看成由许多点声源组成,叠加后各方向的辐射就不一样,因而具有指向性,在距声源中心等距离的不同方向的空间位置处的声压级不相等。
声源尺寸比波长大得越多,指向性就越强。
实际上,人头和扬声器与低频波长相比是小的,这种情况下可以看作是点声源,但对高频就不能视为点声源,而具有较明显的指向性。
与声波波长相比,声源尺度越大,指向性越强。
同一声源,频率越高,指向性越强。
因此,厅堂形状的设计,扬声器的布置,都要考虑声源的指向性。
第四节声音与人的听觉
一、听觉范围
1.最高和最低的可听极限
不同的人能听到的最高音调范围是变化很大的。
而音调高低与声波每秒钟振动的次数,即声音的频率相对应。
人的最高可听极限与所听声音的响度大小有关系。
一般青年人可以听到20000Hz的声音,而中年人只能听到12000Hz至l6000Hz。
可听频率的下限通常是20Hz。
所以高于20000Hz和低于20Hz的声波不能使人耳产生声觉,它们分别被称为超声波和次声波。
在可听范围内的声波,通常又把低于500Hz的声波叫低频声(波)(也有资料把低于300Hz的声波叫低频声),500Hz(或300Hz)~1000Hz叫中频声(波),高于1000Hz叫高频声(波)。
人说话的声音属于低频声。
2.最小与最大的可听极限
人耳可接收的声音的响度变化范围是极大的。
入耳最小的可听极限的测试值与测试方法有关。
在建筑声学中通常用最低自由场可听阈(MAF)表示,即在自由场中,以纯音作信号,听者面对声源,双耳听闻,声压值在听者进入前,在听者头部中心位置处测定。
不同频率的MAF值构成一条可听曲线。
一般正常的青年人在中频附近的最小可听极限大致相当于参考压强为2×
10-5N/m2的零分贝。
一个人最小可听极限的提高意味着听觉灵敏度的降低。
入耳最大的可听极限当然不能通过破坏性试验来确定,但通过因极强的声音事故致聋人员的调查,可以作出统计判断。
在强声级的作用下,人耳会有不舒服以致疼痛的感觉,各个人能容忍的声压级上限与其噪声暴露的经历有关。
未经过强声级的人,极限为125dB;
有经常处于强噪声环境中经历的人,可达(135—140)dB,通常,声压级在120dB左右,人就会感到不舒服,130dB左右耳内将有痒的感觉;
达到140dB时耳内会感到疼痛;
当声压级继续升高,会造成耳内出血,甚至听觉机构损坏。
3.最小可辨阈(差阈)
对于频率在50~10000Hz之间的任何纯音,在声压级超过可听阈50dB时,人耳大约可分辨1dB的声压级变化。
在理想的隔声室中,用耳机提供声音时,在中频范围,人耳可察觉到0.3dB的声压级变化。
二、听觉特性
1、听觉定位
人耳的一个重要特性是能够判断声源的方向与远近。
人耳确定声源远近的准确度较差,而确定方向相当准确。
听觉定位特性是由双耳听闻而得到的,由声源发出的声波到达两耳,可以产生时间差和强度差。
通常,当频率高于1400Hz时,强度差起主要作用;
而低于l400Hz时则时间差起主要作用。
人耳对声源方位的辨别在水平方向比竖直方向要好。
在声源处于正前方(即水平方位角为0°
),一个正常听觉的人在安静和无回声的环境中,可辨别1°
~3°
的方位变化;
在水平方位角0°
~60°
的范围内,人耳有良好的方位辨别能力;
超过60°
则迅速变差。
在竖直平面内人耳定向能力相对较差,但可以通过摆动头部而大大改善。
双耳定位能力有助于人们在存在背景噪声的情况下倾听所需注意的声音。
2、时差效应
声音对人的听觉器官的作用效果并不随声音的消失而立即消失,而会暂留一短促时间。
一般说来,如果到达人耳的两个声音的时间间隔(称为“时差”)小于50ms,那么就不觉得它们是断续的。
在室内,天花、地面、墙壁都反射声音,当声源发出一个脉冲声,人们首先听到的是直达声,然后陆续听到经过界面的一次、二次、三次等若干次反射的反射声。
一般认为,在直达声到达后约50ms之内到达的反射声,可以加强直达声;
而在50ms以后到达的反射声,不会加强直达声。
如果有的延时较长的反射声的强度比较突出,还会形成“回声”。
回声的出现不仅与时差有关,还与声音的强度有关。
3、掩蔽效应
人们在安静环境中听一个声音(仅声压级可以变化)可以听得很清楚,即使这个声音的声压级很低时也可以听到,即人耳对这个声音的听阈很低。
但是,如果在倾听一个声音的同时,存在另一个声音(称“掩蔽声”),就会影响到人耳对所听声音的听闻效果,这时对所听的声音的听阈就要提高。
人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象叫“掩蔽效应”,听阈所提高的分贝数叫“掩蔽量”,提高后的听阈叫“掩蔽阈”。
因此,一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听闻,而且要超过其所在背景噪声环境中的掩蔽阈。
一个声音被另一个声音所掩蔽的程度,即掩蔽量,取决于这两个声音的频谱,两者的声压级差和两者达到听者耳朵的时间和相位关系。
通常,频率相近的纯音掩蔽效果显著;
低频声对高频声的掩蔽作用大。
4、入耳的频率响应与等响曲线
人耳对声音的响应并不是在所有频率上都是一样的。
人耳对(2000~4000)Hz的声音最敏感;
在低于1000Hz时,人耳的灵敏度随频率降低而降低,而在4000Hz以上,人耳的灵敏度也逐渐下降。
这也就是说,相同声压级的不同频率的声音,入耳听起来是不一样响的,反之,不同频率的声音要使其听起来一样响,则应具有不同的声压级。
以连续纯音作试验。
取1000Hz的某个声压级,例如40dB作为参考标准,则听起来和
它同样响的其他频率的纯音的各自声压级就构成一条等响曲线,并称之为响度级为40Phon(中文译作“方”或“宋”)的等响曲线。
如依次改变参考用的1000Hz纯音的声压级,就可以得到一组等响曲线。
如下图所示即为一组等响曲线,它是对大量健康人在自由场中测试的统计结果,由ISO(国际标准化组织)于1964年确定。
某一频率的某个声压级的纯音,落在多少方的等响曲线上.就可以知道它的响度级是多少。
从下页图中不仅可以看出入耳对不同频率的响应是不同的,而且可以看出入耳的频率响应还和声音的强度有关系;
等响曲线在声压级低时变化快,斜率大,而在高声压级时就比较平坦,这种情况在低频尤为明显。
对于复合声,不能直接使用纯音等响曲线,其响度级需通过计算求得。
目前在测量声
音响度级与声压级时所使用的仪器称为“声级计”。
在声级计中设有A,B,C三个计权网
络,这三个计权网络大致是参考几条等响曲线而设计的,A计权网络是参考40方等响曲线,对500Hz以下的声音有较大的衰减,以模拟人耳对低频不敏感的特性。
C计权网络具有接近线性的较平坦的特性,在整个可听范围内几乎不衰减,以模拟人耳对85方以上的听觉响应,因此它可以代表总声压级。
B计权网络介于两者之间,对低频有一定的衰减,它模拟人耳对70方纯音的啊应,因为B计权很少使用,在一些仪器上已经取消。
有些仪器上还有D计权,它是用于测量航空噪声的。
用声级计的不同网络测得的声级,分别称为A声级、B声级、C声级和D声级,单位
是dB(A)、dB(B)、dB(C)和dB(D)。
通常人耳对不太强的声音的感觉特性与40方的等响曲线很接近,因此在音频范围内进行测量时,多使用A计权网络。
等响曲线
5、识别声音的三要素
声音的强弱、音调的高低和音色的不同,是声音的基本性质,即所谓“声音三要素”。
前面已谈到,声音的强弱可用声强级、声压级或总声级等表示,而音调主要取决于声
音的频率,频率越高,音调越高,但音调还与声压级和组成成分有关。
例如,有两个纯音,它们的频率相同,但如果它们的声压级不等,听起来也感到音调不同。
复合声的音调的高低
还随组成该复合声的频率成分不同而不同。
对于由两个频率相近的纯音组成的复合声,人
耳感觉到的是平均频率的音调的高度;
对于两个频率相差较大的纯音所组成的复合声,人
耳能辨得出每个成分的不同音调。
如许多频率成分中某一频率成分特别强,复合声的音调
高低就可能由该频率决定。
乐器发出的复合声由基音和泛音组成,所有频率都是基频的整数倍,这样的复合声即使基音成分很弱,其音调的高度也是由基音频率决定的。
不同的人所发出的嗓音,各种乐器所发生的乐音,即使它们具有相同的音调和相同的
声压级,人们仍然可以把它们分辨出来,这是因为它们具有不同的“音色”。
音色是反映复
合声的一种特性.它主要是由复合声中各种频率成分及其强度决定的,即由频谱决定。
虽
然基音相同,但由于各种声源的性质不同,其泛音成分也各不相同.因而组成的复合声也
不相同。
人们根据不同泛音的频率成分及其相对强弱来区分各种不同的音色。
一般说来,泛音多,且低频泛音足够强,音乐就优美动听。
在厅堂音质设计中与采用电声设备时,应保
证语言、音乐的原有频谱不变,不发生音色失真的现象。
第二章
室内声场及音质评价
第一节自由声场和室内声场
一、自由声场和室内声场的特点
从室外某一声源发生的声波,以球面波的形式连续向外传播,随着接收点与声源距离
的增加,声能迅速衰减。
在无反射面的空中,声压级的计算遵循以下公式:
Lp=Lw-20lgr-11
式中:
Lp,——空间某点的声压级,dB;
Lw——声源的声功率级,dB;
r——测点与声源的距离,m。
在半自由空间条件下,如声源置于刚硬地面向半无限空间辐射声能的情况下,上式可改写为:
Lp=Lw-20lgr–8
但是在建筑声学中,很多情况要涉及到声波在一个封闭空间的传播,如剧院的观众厅、播音室等,声波在传播时将受到封闭空间各个界面(墙壁、天花、地面等)的反射与吸收,这时所形成的声场要比露天复杂得多,这种声场将引起一系列特有的声学特性。
这就是所谓室内声场。
室内声场的显著特点是:
(1)距声源有一定距离的接收点上,声能密度比在自由声场中要大,常不随距离的平
方衰减。
(2)声源在停止发声以后,在一定的时间里,声场中还存在着来自各个界面的迟到的
反射声,产生所谓“混响现象”。
此外,由于与房间的共振,引起室内声音某些频率的加强或减弱;
由于室内空间的形状和内装修材料的布置,形成回声、颤动回声及其他各种特异现象,产生一系列复杂问题。
如何控制室空间的形状及吸声、反射材料的分布,使室内具有良好的声环境,是室内声学设计的主要目的。
二、直达声、早期反射声与混响声
当一声源在室内发声时,声波由声源到各接收点形成复杂的声场,任一点所接收到的声音可看成由三个部分组成:
直达声、早期反射声和混响声。
1、直达声:
声源直接到达接收点的声音,这部分声音不受室内界面的影响,其传播遵循自由声场的规律。
2、早期反射声:
一般是指直达声达到后,相对延迟时间为50ms(对于音乐声可放宽至80ms)内到达的反射声。
这些反射声主要是经由室内界面一次、二次及少量三次反射后到达接收点的声音,故也称为近次反射声。
这些反射声会对直达声起加强作用。
3、混响声:
在早期反射后陆续到达的,经过多次反射后的声音统称为混响声。
有的场合,当不必特别区分早期反射声时,也可把早期反射声包括在混响声里面,即除了直达声外,余下的反射声统称为混响声。
第二节混响时间的计算
一、混响时间计算公式
混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。
所谓混响,是指声源停止发声后,在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音“残留”现象。
这种残留现象的长短以混响时间来表征。
混响时间公认的定义是声能密度衰减60dB所需的时间(T60)。
上个世纪初,赛宾(W.C.Sabine)首先建立起混响时间的公式,他建立的那个公式主要适用于室内平均吸声系数小于0.2的情况。
后来又有人进行了修正,比如著名的伊林(Eyring)公式就是在赛宾公式的基础上得来的。
现在普遍适用的公式考虑了空气吸声,公式如下:
T60=
式中
4m——空气衰减系数。
V——室内总容积
S——室内总表面积
——室内平均吸声系数
在公式中去掉4mV一项就是伊林公式。
该公式没有考虑驻波、房间共振等现象,所以其精确性并不十分尽如人意。
二、驻波与房间共振
1、驻波:
在自由空间中有一面反射性的墙。
一定频率的声音入射到此墙面上,产生反射,入射波与反射波形成“干涉”。
即在入射波与反射波相位相同的位置上,振幅因相加而增大;
在相位相反的位置上,振幅因相减而减小,这就形成了位置固定的波腹与波节,这就是“驻波”。
2、房间共振:
在自由声场中有两个平行的墙面,在两个墙面之间,也可以维持驻波状态,即第二个墙面产生的驻波的波腹与波节与第一个墙面产生的驻波的波腹与波
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