建筑声学基本知识

建筑声学基本知识

一．声音的产生和声波的物理量

1．振动产生声音

振动物体的往复运动，挤压弹性介质形成往复变化的振动波；振动波在介质中传播，激起人耳的振动感受而产生声音。

声波是一种纵波，这给人耳或者绝大多数动物的听觉器官构造有关。

声波的传播是能量的传递，而非质点的转移。介质质点只在其平衡点附近来回振动而不传向远处。

声音是我们能够感到存在的振动纵波，人耳能感受的频率范围标准规定为20Hz~20000H；低于这个范围的是次声波, 高于这个范围的是超声波。

2．声波的基本物理量

声波的特性可以由波的基本物理量来描述。

频率：在1秒钟内完成全振动的次数，记作f，单位是Hz。

波长：声波在传播途径上，两相邻同相位质点之间的距离，记作λ，单位是m。

声速：声波在介质中传播的速度，记作c，单位是m/s，c=λf。

声速与声源特性无关，而与介质的压强和温度有关。

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，空气中声速是343m/s，其他介质下各不相同。

压强的变化与压强变化引起的的空气密度变化互相抵消，声速主要与温度相关。

3．在声环境评价和设计中的物理量。

声压：声波在介质中传播时，介质中的压强相对于无声波时的介质静压强的改变量。

表达式为：P= P0cos (ωt-kr+φ)

P为r位置处的声压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：是在单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积内的平均声能量，是一个有方向矢量。I表示，单位是W/m²。

声强与声压的关系是：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的速度m/s。

声功率：声源在单位时间内向外辐射的声能，W表示，单位W。

声源声功率与声强的关系是：W=I.(4πr2)

其中，r是距声源的距离。

在自由声场中测得声压和已知距声源的距离，就可以算出声强以及声源的声功率。

4．声压级、声强级、声功率级

人耳容许的声压范围达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的对数的相对值dB来描述。

声压级表达式：L P =20log(P/P0)

P为某位置处的声压N/m²；P0为人耳刚能分辨的在1000Hz时的基准声压，P0=2x10-5N/m²，0dB。

一般交谈的声压级为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为某位置处的声压P a N/m²；I0为基准声强，I0=10-12W/m²

常温常压下，声压级和声强级的数值基本相等。

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: 当声源的尺寸远小于声波波长或传播距离时，可看成无指向性的点声源。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的线阵，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的面阵，在垂直于声源平面的等距离处，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。

人工声源往往是谐振式的，重要的频率特性有谐振频率fo，辐射带宽Δf和品质因数Q，Q=fo/Δf。

2．声源辐射的叠加

当几个声源同时作用于某一点时，在该点所产生的声压是各声源单独作用时在该点所产生的声压平方和的方根值。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

声强和声功率的叠加，可将各声源在某点产生的声强和声功率直接相加。

3．声源辐射的指向性：

声源指向性：是指声源辐射声音强度的空间分布；在距离声源中心等距离处，声压级不是相等的。

对于活塞振动，当声源的尺寸比波长大时，相当于由多个相同振动的点声源构成的声源，由于各点辐射的声波到达空间各点的时间不同，相位有差，干扰叠加后形成各方向辐射的不均匀的指向性辐射。

对于非活塞振动，由于声源各部分振动不一致，辐射的声波在空间各点的声压相位也会不同，干扰叠加形成各方向辐射的不均匀的指向性辐射。

通常频率越高，指向性越强；声源的尺寸比波长越大，指向性越强。

三．声波传播的特性

1. 在自由空间的传播

对于声源远小于声波波长的点声源或球面声源，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。

声源可看成是一个半径为a的平面活塞振动，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

远场中，离开声源的两个不同距离间的声压级差，随距离而逐渐衰减；近场中，活塞振动出现声压起伏的特性，测试要有正确的结果，必须知道近场与远场声压之间的关系，然后换算才能得到与远场一致的结果。

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：r2l/π时，∆L p=20log(r2/ r1)。其中l为线声源长度。

当r2=2r1且r2

长方形面声源衰减表达式为：r2a/π，r2b/π时，

∆L p=20log(r2/ r1)。.其中a、b为声源边长，且a

当r1>a/π，r2b/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. 在管道中的传播

在管道中传播的声波波阵面不能扩散，因此在管中传播的是平面波；在管中传播的能量也不能分散，因此传播距离远。

直线管中传播的衰减量表达式：ΔLp=1.1(α/R n).l

α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的声波。