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室内声学_图文_

  室内声学_物理_自然科学_专业资料。第二讲: 室内声学原理 1 本讲的主要内容: 2.1 声音在室外与室内的传播 2.2 声波在室内的反射与几何声学 2.3 混响时间 Reverberation Time(RT) 2.4 室内声

  第二讲: 室内声学原理 1 本讲的主要内容: 2.1 声音在室外与室内的传播 2.2 声波在室内的反射与几何声学 2.3 混响时间 Reverberation Time(RT) 2.4 室内声压级计算及混响半径 2.5 房间的共振与共振频率 2 课程回顾(1) ? 1、描述声音的基本物理量?人耳可听频 率范围?人耳感觉最重要的频率范围约? ? 2、声波的绕射、反射和散射,其产生的 条件。 3 课程回顾(2) 4、实际应用中,表示声音强弱的单位并 不采用声压或声功率的绝对值,而采用 相对单位——级,为什么? ? 5、频带中心频率? ? 最常用的频带有哪两种? ? 4 课程回顾(3) 6、如何加强声源的指向性? ? 7、哈斯效应? ? 5 本讲的主要内容: 2.1 声音在室外与室内的传播 2.2 声波在室内的反射与几何声学 2.3 混响时间 Reverberation Time(RT) 2.4 室内声压级计算及混响半径 2.5 房间的共振与共振频率 6 ?2.1 声音在室外与室内的传播 2.1.1 声波在室外空旷地带的传播规律 ?随与声源距离的增加,声能发生衰减。对于点声源,有:距离增加一 倍,声压级减少6dB。 L p ? Lw ? 20IgR ? 11 L p ? Lw ? 20IgR ? 11 2 2 w p w p I? 证 明 : 有 公 式 I ? 和 得: 证明:有公式I ? 和 I? 得: 2 2 ? 0c 4? r 4? r ? 0 c 22 2 p 2 4? rp 4 ? r w? w? 将 此 式将 代入 下 列 公 式下 :列 公 式 : 此 式 代 入 415 415 p w p w L p ? 20Ig L w ? 10Ig L p ? 20 Ig Lw ? Ig p0 w10 0 则 :L w ? L p ? 20Igr ? 11 p0 w0 则 :L w ? L p ? 20Igr ? 11 R(r):测点与声源之间的 距离。 7 声波在室外空旷地带的传播规律 ?对于存在地面反射的情况,有: Lp ? Lw ? 20IgR ? 8 L w :声源的声功率 8 2.1.2声波在室内封闭空间的传播 与室外情况很不同。室内形成“复 杂声场”。 1、距声源同样的距离,室内比室外响 些。 2、室内声源停止发声后,声音不会马 上消失,会有一个交混回响的过程, 一般时间较短。夸张:“绕梁三日, 不绝于耳” 3、当房间较大,而且表面形状变化复 杂,会形成回声和声场分布不均, 有时出现声聚焦、驻波等。 ? 以上现象源于:封闭空间内各个界面使 声波被反射或散射。 9 2.1.3 建筑声学 在室内声学中,可以用几何声学、统计声学和波动 声学的理论加以分析。 对于建筑师来讲,可以少些关心复杂的理论分析和 数学推导,重要的是在于弄清楚一些声学基本原理, 掌握一些必要的解决实际问题的方法和计算公式,特 别是弄清楚物理意义。 10 ?2.2 声波在室内的反射与几何声学 2.2.1 反射界面的平均吸声系数 (1)吸声系数:用以表征材料和结构吸声能力的基本参量,通常采用吸声 系数,以α表示,定义式: ?? E0 ? E? E0 当E? ? E 0 , 入 射 声 能 全 部 被 反 射 ? ,? 0; 如 果E? ? 0, 入 射 声 能 全 部 被 吸 收 ? ,? 1。 理论上讲, ?值 是 在 0和1之 间 。 ?越 大 , 吸 声 能 力 越 大 。 ? ?0 0?? ?1 混响室 普通厅堂 房间等 消声室 界面全反射,声能在声音停止后, 无限时间存在。 界面部分反射,声能在声音停止后, 经过多次反射吸收,能量逐渐下降。 界面全吸收,声能在声音停止后, 完全没有任何反射吸收,在接触界 面后,声能立即消失。 ? ?1 11 扩散声场的竖弧 混响室 12 13 14 15 16 17 大面积使用尖劈进 行吸声降噪。 18 ?材料和结构的吸声特性和声波入射角度有关(有三种类 型)。 ?1、垂直入射吸声系数: 声波垂直入射到材料和结构表面的吸声系数,成为“垂直入射(正 用?0来表示 这种入射条件可在驻波管中实现。 入射)吸声系数”。 其吸声系数的大小可通过驻波管法来测定。 ?2、斜入射吸声系数: 当声波斜向入射时,入射角度为θ,这时的吸声系数称为斜入射吸声 系数,用?? 来表示 。 ?在建筑声环境中,出现垂直入射和斜入射的情况较少,而 普遍情况是声波从各个方向同时入射到材料和结构表面。 19 ?3、扩散吸声系数: 如果入射声波在半空间中均匀分布,则称这种入射状况为 “无规则入射”或“扩散入射”。这时材料和结构的吸声系数称 为“无规则吸声系数”或“扩散吸声系数”, 这种 用?T 来表示 入射条件是一种理想的假设条件 ,在混响室内可以较好的接近这 种条件,通常也是在混响室内测定“扩散吸声系数” ?在00 到900 之间均匀分布 ( 即入射角 ) ?某一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。 工程上通常采用125,250,500,1000,2000,4000 Hz六个频率的吸声 系数来表示某一种材料和结构的吸声频率特性 。 ?有时也把250,500,1000,2000Hz四个频率吸声系数的算术平均值 (取为0.05的整数倍)称为“降噪系数”(NRC),用在吸声降噪 时粗略的比较和选择吸声材料。 20 (2)吸声量:用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的 量,它和构件的尺寸大小有关,对于建筑空间的围蔽结构,吸 声量A是: A???S m 2 例:一面墙的面积为 50m2, 某个频率(如 500Hz )的 吸声系数为 0.2 ,则该墙的 吸声量(在 500Hz 是 ) 10m2 S ? ?围 蔽 结 构 的 面 积 m2 ? ? ?材 料 的 吸 声 系 数 如一个房间由n面墙(包括顶棚和地面): 各自的面积为 S1 , S 2 , S 3 , ? S n ; 各 自 的 吸 声 系 数 是 ? 1,? 2, ?? n . 则 此 房 间 的 总 吸 声 量: 是 2 A ? S1? 1 ? S 2? 2 ? ? ? S n? n ? ? S i? i m i ?1 n 21 ?对于在声场中的人(如观众)和物(如座椅)、或空间吸声 体,其面积很难确定,表征它们的吸声特性,有时不用吸声系数,而直 接用单个人或物的吸声量。当房间中有若干个人或物时,他(它)们的 吸声量是用数量乘个体吸声量,然后再把结构纳入房间总的吸声量 中。 A ? ? Si ??i ? Ai ? n 房间的平均吸声系数:房间的总吸声量和房间界面面积的 比值: A S1?1 ? S 2? 2 ? ? S n? n ? ? ? S S1 ? S 2 ? ? S n 22 2.2.2 声音在房 间内的反射 ?听众接收到的不 仅有直达声,而 且有陆续到达的 来自顶棚、地面、 墙面的反射声 ?反射声遵循反射 规则。 23 2.2.3 室内声音反射的几种情况 室内声学中,常利用几何作图的方法,主要研究一次或二 次反射声分布情况。下图是房间内可能出现的四种声音反 射的典型例子。 在室内各 接收点上,直 达声及反射声 的分布,即反 射声在空间的 分布与时间上 的分布,对音 质有着极大的 影响。 室内声音反射的几种典型情况 A、B-平面反射;C-凸曲面的发散作用;D-凹曲面的聚焦作用 24 在使用几何声学方法时应注意两个条件: 1)只考虑能量关系。(忽略声音的波动性,以几何的方 法分析声音能量的传播、反射、扩散。声音传播方向和 路径------声线)声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸应比声音的波长 大得多。 25 2.2.4 室内声音的增长、稳态和衰减 ?从能量的角度,当声源在某一封闭空间开始辐射声能时,声 波即同时在空间内传播。我们考虑在室内声源开始发声、持续 发生、停止等情况下声音形成和消失的过程。 ?在大多数情况下,大约经过1~2秒,声能密度即接近最大值 (稳态)。 室内总吸声量大,衰减就越快;室内容积越大,衰减越慢。 26 ?增长:室内声能增长 ?稳态:在单位时间内被内表面吸收的声能与声源供给的 能量相等,室内声能密度不再增加,而处于稳态状态。 ?衰减:当声音达到稳态时,若声源突然停止发声,室内 接收点的声音 并不会马上消失,有一个过程。首先直达 声消失,反射声将继续下去,每反射一次,声能被吸收一 部分,室内声能密度逐渐减弱,直到完全消失。这一过程 即为混响过程。 ?混响过程(衰减过程)的长短用混响时间来表示。 27 ?2.3 混响时间Reverberation Time( RT ) ?混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概 念。 ?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的“残留”现象。 这种残留现象的长短以混响时间来表示。 ?2.3.1 什么是混响时间 声音衰减过程所用的时间即为混响时间,室内总 吸声量越大,衰减越快,室容积越大,衰减越慢。 室内声场达到稳态后,声源突然停止发声,室内声 压级将按线dB所经历的时间叫混 响时间T60,单位S。 28 ?实际的混响衰减曲线。 由于衰减量程及本底噪声的干扰,造成很难在60dB内都 有良好的衰减曲线 赛宾(Sabine)公式 赛宾是美国物理学家( 1898年第一个提出对厅堂物理性质作定 量化计算的公式——混响时间公式,并确立了近代厅堂声学,从此,厅堂 音质设计的经验主义时代结束了。 ),他发现混响时间近似与房 间体积成正比,与房间总吸声量成反比,并提出了混响时间 经验计算公式——赛宾公式。 0.161 V 赛宾公式适用于: ? ?0.2 T60 ? A A=S ? =?S ?i +?Aj i ?i -每种材料的吸声系, 数S -每种材料的表面积; i Aj -室内(家具、人等难 )于确定表面积的物单 体个吸声量。 30 2.3.3 伊林(Eyring)公式 ?在室内总吸声量较小(吸声系数小于0.2)、混响时间较长的情 况下,由赛宾的混响时间计算公式,求出的数值与实际测量值 相当一致,而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下, 计算值与实测值不符。 在室内表面的平均吸声系数较大(大于0.2)时,只能用伊林 公式计算室内的混响时间。 ?利用伊林公式计算混响时间 时,在吸声量的计算上也应考 ?S ? 虑两部分:(1)室内表面的 吸声量(2)观众厅内观众和 式中: V - -室 的 容 积 , m 3; 座椅的吸声量(有两种计算方 2 S - -室 内 总 表 面 积 , m ; 法:一种是观众或座椅的个数 ? ? ?室 内 表 面 平 均 吸 声 系 数 乘其单个吸声量;二种是按观 众或座椅所占的面积乘以单位 面积的相应吸声量。) 0.161 V T? ? SIn?1 ? ? ? A ? ? SIn?1 ? ? ? ? NAi 31 2.3.3 伊林(Eyring)公式(伊林-努特生公式) ?赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用,对于频率较高的 声音(一般为2000Hz以上),当房间较大时,在传播过程中,空气也将 产生很大的吸收。这种吸收主要决定于空气的相对湿度,其次是温度的 影响。在计算混响时间时,考虑空气的吸收: T60 ? 0.161 V ? SIn?1 ? ? ? ? 4m V ?S? 式中:V ? 房间容积,m 3 ; S - -室内总面积,m 2 ; ? ? 室内平均吸声系数; 4m - -空气吸收系数。 ?4m:空气吸收系数,空气 吸收=4mV 当频率取=2KHz时,一般 地,4m与湿度温度有关, 通常取相对湿度60%,温度 20oC时,其值见下表: 32 确定适合于大厅使用要求的最佳混响时间及其频率特性 ?不同使用要求的大厅,有不同的混响时间的最佳值。同样用途的大厅, 容积越大,最佳混响时间越长。 ?推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的,不 同的作者,其值有所不同。 常用最佳混响时间(秒) (500Hz) 音乐厅 1.8-2.2 剧院 多功能 1.4-1.7 1.0-1.3 电影院 高保线Hz的最佳混响时间之后,还要依此为基准,根 据使用要求,确定全频带上各个频率的混响时间,即混响时 间频率特性曲线-----横坐标是频率,纵坐标是与500Hz的混响 时间的比率。 曲线表明,高频混响时间应当尽可能与中频一致,而中频以下可以 保持与中频一致,或随着频率的降低适当延长,这取决于大厅的用途。 如音乐演出,125Hz附近可以是中频500Hz的1.2~1.5倍。 34 2.3.4 混响时间计算的不确定性 ? 室内条件与原公式假设条件(一、声场是一个完整的空间; 二、声场是完全扩散的)并不完全一致。 1)室内吸声分布不均匀 ;(天花板、地面、墙面及后墙吸声) 2)室内形状,高宽比例过大 ,造成声场分布不均匀,扩散不完全 ? 计算用材料的吸声系数与实际情况有误差,一般误 差在10%——15% 计算RT的意义: 1)“控制性”地指导材料的选择与布置。 2)预测建筑厅堂室内的声学效果 3)分析现有的音质问题 (分析声场最为简便也较为可靠的唯一方法) ? 35 ?2.4 ? 室内声压级计算及混响半径 厅堂内声压级的计算是响度的定量设计。 (人的主观感觉量响度与客观物理量声压级对应) ? 通过计算: (1)可以估计室内能否达到满意的响度; (2)估计声场分布是否均匀。 如果采用电声系统,还可以预计扬声器所需的功率。 36 室内声压级计算及混响半径 ?(一)当室内声源声功率一定时,稳态时,在室内距离 为r的某点声压级可以计算,室内稳态声压级的计算公式为: 4? ? Q L p ? 10IgW ? 10Ig? ? ? ? 120 2 R? ? 4? r 4? ? Q ? L w ? 10Ig? ? ? dB 2 R? ? 4? r 式中:W - 声源的声功率, W; L W ? 声源的声功率级, dB; r - -离声源的距离, m; S?? R - -房间常数,R ? ,m 2 ; 1-? ? ? 室内平均吸声系数; S - -室内总表面积, m. Q - -指向性因数,取值为 1、 2、 4、 8。 37 公式前提: 1)点声源 2)连续发声 3)声场分布均匀 4? ? Q L p ? 10IgW ? 10Ig ? ? ? ? 120 2 R? ? 4? r 4? ? Q ? L w ? 10Ig ? ? ? dB 2 R? ? 4? r 式中: W-声源的声功率, W; Lp ? 声 源 的 声 功 率 级 , dB; Q---是指向因数,其取值见右表: r - -离 声 源 的 距 离 , m; S ?? ?(二)混响半径: R - -房 间 常 数 , R? ,m 2 ; 1-? 根据室内稳态声压级的计算公式,室内的 ? ?室内平均吸声系数; 声能密度有两部分组成: 第一次及以后的反射声), 在离声源较近处 Q 4 ? 4? r 2 R Q 4 ? 4? r 2 R Q S - -室 内 总 表 面 积 4 , m . 第一部分是直达声,相当于 ? r 2 表述的部分;第二部分是扩散声(包括 4 表述的部分。 即 R -------------直达声大于扩散声 ------------扩散声大于直达声 38 在离声源较远处 ?混响半径 在直达声的声能密度与扩散声的声能密度相等处,距声 源的距离称为“混响半径”,或“临界半径” Q 4 ? 2 R 4? r0 式中: Q ? ?声 源 的 指 向 性 因 数 ; r0 - - - 混 响 半 径 , m; R ---房间常数, m2 . 以上公式可转换为: r0 ? 0.14 QR R? S? 1?? ?当我们加大房间的吸声量来降低室内噪声时,接受点若在混响半径之 内,由于接收的主要是声源的直达声,因而效果不大; 若接收点在混响 半径之外,即远离声源,接收的主要是扩散声,加大房间的吸声量,R变 大,4/R变小,就有明显的减噪效果。 39 ?2.5 房间的共振与共振频率 ?房间本身有共振频率(也称“固有频率”或“简正频 率”),房间对不同的频率有不同的“响应” 。声源的频率 与房间的共振频率越接近,越易引起房间的共振,共振频率 的声能密度也就越强。 ?如噪声能使窗扇上的玻璃产生振动而发出声音,而且声音 的音调是一定的。普遍存在的共振现象还有:暖瓶倒水、口 腔发声等等。 ?在一房间中,空气振动的共振频率主要由房间的大小来决 定。 40 ?驻波 两个平行墙面间的共振 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,入射波与反射波在同一直线上相向传播,叠加后产生的“干涉” 波。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。即驻波。 两个平行墙面间的共振:当L=n?λ/2时,产生驻波的例子(a) n=1;(b) n=2 1—入射波;2—反射波;3—驻波 41 简并现象:当不同共振方式的 共振频率相同时,出现共振频 率的重叠,称为“简并”。 简并出现时,共振频率的声音 被大大加强,形成频率特性的 失真,低频会产生翁声,或产 生“声染色”(coloration) 在矩形房间中的共振 1—轴向共振;2—切向共振; 3—斜向共振 42 防止简并现象的根本原则是:使共振频率分布尽可能均匀。 具体措施有: 1)选择合适的房间尺寸、比例和形状; 2)将房间的墙或天花做成不规则形状; 3)将吸声材料不规则地分布在房间的界面上。 43 Pause ! 44

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