建筑声学基本知识

建筑声学基本知识一．声音得产生与声波得物理量1．振动产生声音振动物体得往复运动,挤压弹性介质形成往复变化得振动波;振动波在介质中传播,激起人耳得振动感受而产生声音。

声波就是一种纵波,这给人耳或者绝大多数动物得听觉器官构造有关。

声波得传播就是能量得传递,而非质点得转移。

介质质点只在其平衡点附近来回振动而不传向远处。

声音就是我们能够感到存在得振动纵波,人耳能感受得频率范围标准规定为20Hz~20000H;低于这个范围得就是次声波, 高于这个范围得就是超声波。

2．声波得基本物理量声波得特性可以由波得基本物理量来描述。

频率:在1秒钟内完成全振动得次数,记作f,单位就是Hz。

波长:声波在传播途径上,两相邻同相位质点之间得距离,记作λ,单位就是m。

声速:声波在介质中传播得速度,记作c,单位就是m/s,c=λf。

声速与声源特性无关,而与介质得压强与温度有关。

表达式为:c0=√(γP0/ρ0)γ为空气比热比;P0大气剪静压;ρ0为空气密度。

常温常压下,空气中声速就是343m/s,其她介质下各不相同。

压强得变化与压强变化引起得得空气密度变化互相抵消,声速主要与温度相关。

3．在声环境评价与设计中得物理量。

声压:声波在介质中传播时,介质中得压强相对于无声波时得介质静压强得改变量。

表达式为:P= P0 cos (ωt-kr+φ)P为r位置处得声压P a(N/m²);P0为最大声压P a(N/m²);k=ω/c0;φ为与轴向相位角。

常温下1个大气压强为1、0325x105P a声强:就是在单位时间内,通过垂直于传播方向上得单位面积内得平均声能量,就是一个有方向矢量。

I表示,单位就是W/m²。

声强与声压得关系就是:I= P²/(ρ0c0)ρ0为大气密度,常温下ρ0 =1、21kg/m³;c0为声波在介质中传播得速度m/s。

声功率:声源在单位时间内向外辐射得声能,W表示,单位W。

声源声功率与声强得关系就是:W=I、(4πr2)其中,r就是距声源得距离。

在自由声场中测得声压与已知距声源得距离,就可以算出声强以及声源得声功率。

4．声压级、声强级、声功率级人耳容许得声压范围达10-5倍,声强范围为10-12倍,因此,用声压、声强描述声音不方便;所以,我们以20倍或10倍10得对数得相对值dB来描述。

声压级表达式:L P =20log(P/P0)P为某位置处得声压N/m²;P0为人耳刚能分辨得在1000Hz时得基准声压,P0=2x10-5N/m²,0dB。

一般交谈得声压级为60dB,织布车间为100dB,达到120dB人耳会感到疼痛。

声强级表达式:L I=10 log (I/I0)I为某位置处得声压P a N/m²;I0为基准声强,I0=10-12W/m²常温常压下,声压级与声强级得数值基本相等。

声功率级表达式:L W=10 log(W/W0)W为声功率W;W0为基准声功率,W0=10-12W。

二．声源与辐射特性1．声源定义点声源: 当声源得尺寸远小于声波波长或传播距离时,可瞧成无指向性得点声源。

在距离声源中心等距离处,声压级相等,以球面波形式向外辐射声能。

线声源:由许多近似点声源组成得线阵,在垂直于声源直线等距离处,声压级相等,以近似柱面波形式向外辐射声能。

长方向具有较强指向性。

面声源:由许多近似点声源组成得面阵,在垂直于声源平面得等距离处,声压级相等,以近似平面波形式向外辐射声能。

各方向都有较强指向性。

人工声源往往就是谐振式得,重要得频率特性有谐振频率fo,辐射带宽Δf与品质因数Q,Q=fo/Δf。

2．声源辐射得叠加当几个声源同时作用于某一点时,在该点所产生得声压就是各声源单独作用时在该点所产生得声压平方与得方根值。

表达式为:P2=P12+P22+P32+…。

声压级按对数规律进行叠加,当n个声压级相同时,L p=20 log L0+10 log n声强与声功率得叠加,可将各声源在某点产生得声强与声功率直接相加。

3．声源辐射得指向性:声源指向性:就是指声源辐射声音强度得空间分布;在距离声源中心等距离处,声压级不就是相等得。

对于活塞振动,当声源得尺寸比波长大时,相当于由多个相同振动得点声源构成得声源,由于各点辐射得声波到达空间各点得时间不同,相位有差,干扰叠加后形成各方向辐射得不均匀得指向性辐射。

对于非活塞振动,由于声源各部分振动不一致,辐射得声波在空间各点得声压相位也会不同,干扰叠加形成各方向辐射得不均匀得指向性辐射。

通常频率越高,指向性越强;声源得尺寸比波长越大,指向性越强。

三．声波传播得特性1.在自由空间得传播对于声源远小于声波波长得点声源或球面声源,由前述声压与声强关系式我们可以知道,声强与距离平方成正比,声压与距离成反比。

声源可瞧成就是一个半径为a得平面活塞振动,其辐射特性如图示。

当轴向距离Z为临界距离Z g = a2/λ时,声压振幅极大。

Z>Zg时,称为远场区,Z<Zg时,称为近场区。

远场中,离开声源得两个不同距离间得声压级差,随距离而逐渐衰减;近场中,活塞振动出现声压起伏得特性,测试要有正确得结果,必须知道近场与远场声压之间得关系,然后换算才能得到与远场一致得结果。

点声源衰减表达式为:∆L p=20log(r2/ r1)由此可知,当r2=2r1时,∆L= -6dB。

即离开声源距离每增加1倍,声压级下降6 dB。

线声源衰减表达式为:r2<l/π时,∆L p=10log(r2/ r1);r2>l/π时,∆L p=20log(r2/ r1)。

其中l为线声源长度。

当r2=2r1且r2<l/π时,∆L= -3dB,即当声源线长大于测试距离3、14倍时,离开声源距离每增加1倍,声压级下降3 dB。

当声源线长小于测试距离3、14倍时,离开声源距离每增加1倍,声压级下降6dB。

长方形面声源衰减表达式为:r2<a/π时,∆L p=0;r1>a/π,r2<b/π时,∆L p=10log(r2/ r1);r2>b/π时,∆L p=20log(r2/ r1)。

、其中a、b为声源边长,且a<b。

当r1>a/π,r2<b/π时,即当声源长大于测试距离3、14倍,声源宽小于时大于测试距离3、14倍时,近似线声源,离开声源距离每增加1倍,声压级下降3 dB;当r2>b/π时,即当声源长小于测试距离3、14倍时,近似点声源,离开声源距离每增加1倍,声压级下降6 dB。

2.在管道中得传播在管道中传播得声波波阵面不能扩散,因此在管中传播得就是平面波;在管中传播得能量也不能分散,因此传播距离远。

直线管中传播得衰减量表达式:ΔLp=1、1(α/R n)、lα吸声系数;R n为管道截面与周长比,且R n=ab/(2(a+b)),a、b分别为管道宽高;l为管道长度。

声波传播到弯管,如果曲率半径较小,一部分会被反射。

两边直线管部分长度超过2b,反射波将大于管中继续传播得声波。

管子面积突变带来声阻抗突变,在界面分别有反射与透射。

依照声压连续p i+p r=p t与体积速度连续S1(v i+v r)=S2v t,在界面处有反射声压与入射声压关系式:p r /p i = (S1/S2-1)/(S1/S2+1)= (S1-S2)/ (S1+S2), S1、S2分别为两边管子得截面积。

当S1>S2时,p r / p i >0,声压相位同相;当S1>>S2时,p r / p i =1,声波全反射;当S1<S2时,p r / p i <0,声压相位反相;当S1=S2时,p r / p i = 0,声波无反射。

声压反射系数与透射系数分别为:r p= p r /p i =(S1/S2-1)/(S1/S2+1);t p=1-(S1/S2-1)/(S1/S2+1)声强透射系数与声功率透射系数分别为:t I=1-r p2=4/(1+S2/S1)2;t w=I t S2/ I i S1=4(S2/S1)/(1+S2/S1)2对于中间插管得管子,其透射除了与两端管子大小有关外,还与插管长度有关,但与大小插管无关。

声强透射系数为:t I=4/((4coskD)2+ (S1/S2+S2/S1)2(sinkD)2)S1、S2分别为两边管子得截面积;D为插管长度。

当kD=(2n+1)π/2,即D=(2n+1)λ/4时,透射系数最小t I=4/(S1/S2+S2/S1)2;当kD=nπ,即D=nλ/2时,透射系数最大t I =1;其中,n=0,1,2…。

即对某一频率得声波,当插管长度等于声波得1/4波长奇数倍时,声波透射能力最差,反射最强。

当插管得长度等于声波波长得1/2整数倍时,声波将可以容易地通过。

对于带共振腔得管子,声强透射系数为:t I≈1/(1+(ρ0 c0)2/(4S2(ωM m-1/Ωc m)2))S为管子得截面积;M m=ρ0l0S、C m=V0/(ρ0c02S2),分别为支管口空气质量与腔体顺性。

当频率符合共振条件时,f r =(1/2π) √(1/M m C m) ,t I≈0,即:频率为f r得声波全部被共振腔吸收而被阻断。

对于带旁支得管子,声压透射系数为:r p=(ρ0c0/2S) /(ρ0c0/2S +Z b);t p=Z b/((ρ0c0/2S) +Z b);声强透射系数为:t I=(R b2+X b2)/(ρ0c0/2S+X b2);低频时,R b=ρ0S b²ω²/(2πc0),X b=8ωρ0R b3/ 3。

对于带封闭旁支得管子,声强透射系数为:t I=(cot2kD)/((S b/2S)2+cot2kD);D为旁支管长度;kD=(2n-1)π/2,或D=(2n-1) λ/4时,t I=0。

即封闭旁支管长度D等于声波得1/4波长奇数倍时,管口驻波共振使声波在旁支管短路而被阻断。

对于有限长度得管子管端辐射,当管子长度l=n λ等于1个波长得整数倍时,管口辐射与声源辐射同相位,图示声源及另一端管口向外辐射得声级会干涉而减低;当管子长度l=(2n-1) λ/2即等于1/2波长得奇数倍时,管口辐射与声源辐射反相位,图示声源及另一端管口向外辐射得声级会叠加而提高。

3.在有限空间中得传播声波在有限空间中得传播,除了直接来至声源得直达声外,受到壁面影响,还有壁面多次反射、折射、衍射、吸收、投射得影响。

我们听到得声音,就是这些直达声与最后达到得反射声叠加得结果。

远场条件下,单一直达声与自由空气中传播特性相同,符合随距离而逐渐衰减。

声波射到不同介质得界面时,由于在不同介质中传播得速度不同,会产生了声音得反射与折射等现象,部分能量被反射,部分能量被吸收,或者还有透射。