室内声环境与设备

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第五章室内声环境与设备
第一节第二节第三节第四节
建筑声环境概述人的听觉特性与噪声评价材料与结构的声学性能噪声的控制与治理方法
第一节建筑声环境概述
一、声音的物理特性指标
（一）声波、声速与波长
1．声波
建筑环境中的声音主要是在空气中传播的声波。声源的振动引起它周围的空气交替地被压缩和舒张，并向四周传播。声波实质上是空气压强在静态压强水平上起伏变化的过程。 2．声速
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第一节建筑声环境概述
如图5-2所示，类似于光线照射到一大块玻璃上，如果玻璃非常光滑，会像一面镜子一样反射光线，如果用砂纸打磨玻璃，使玻璃表面形成不规则的细小起伏，就成了乌玻璃，光线不再有确定的反射方向，而是四面八方地散射开来。
（四）声波的折射声波在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，除了反射外，
所谓级是做相对比较的量。如声压以10倍为一级划分，声
压比值写成10n形式，从可听阈到烦恼阈可划分为100～106共
七级。n就是级值，但又嫌过少，又把这个区段的声压级划分
为0～120分贝(dB)。即声压级是声压与基准声压之比的以10
为底的对数的20倍：
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第一节建筑声环境概述
式中 Lp——声压级；
材料的透声能力以透射系数τ表示，但在工程中习惯于以建筑部件的传声损失或隔声量表示。隔声量R与透射系数τ之间的关系
为：
式中 R——隔声量；
τ——透射系数。
在房屋建筑中任何一种既定的隔墙，其两侧的声音强度之比是
常数。
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第一节建筑声环境概述
（二）声波的干涉和驻波
当具有相同频率、相同相位的两个波源所发出的波相遇叠加
声波在弹性介质中的传播速度称为“声速”，主要取决
于介质本身的物理特性，也和温度等因素有关。声速不是质
点振动的速度，而是振动状态传播的速度。空气中的声速与
空气的压强和密度有关。
声波在不同的介质中传播速度不同，常温下（15℃）空
气中的声速可取为340m/s。
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第一节建筑声环境概述
3．声速、波长与频率声源在1s内完成的全振动次数称为频率，它决定了声音的
的最小可听极限大致相当于声压级0dB。在高声级作用下，人耳会有不舒服以致疼痛的感觉。图5-5中给出的是正常青年人的自由场最小可听阈、烦恼阈和痛阈。
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第二节人的听觉特性与噪声评价
（二）最小声压可辨阈对于频率在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。（三）哈斯效应如有两个声源发出同样的声音，在同一时刻以同样强度到
达人耳，则声音呈现的方向大致在两个声源之间。如果其中一个声音略微延迟5～35ms，则听起来所有声音似乎都来自第一个声源。如果延时在35～50ms之间，则延时声源可以被识别，但其方向仍在未经延时的声源方向。只有当延时超过 50ms时，第二声源才被听到。人耳的这一听觉特性称为哈斯效应。哈斯效应反映在人耳听觉特性的两个方面，一是听觉暂留，一是声像定位。
第一节建筑声环境概述
在无反射声波的自由场中，点声源发出的球面波，均匀地向四
周辐射声能。因此，距声源中心为r的球面上的声强为：
式中 W——声源声功率。
3．声压声压是指介质中有声波传播时，介质中的压强相对于无声波时
介质静压强的改变量。任一点的声压都是随时间而不断变化的，每一瞬间的声压称瞬时声压，某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压。声压与声强有着密切的关系。在自由声场中，某处的声强与该处声压的平方成正比，而与介质密度与声速的乘积成反比。
（三）声功率、声强和声压 1．声功率声源辐射声波时对外做功，声功率是指声源在单位时间内
向外辐射的声能。声源声功率有时指的是在某个频带的声功率，此时需注明所指的频率范围。声功率不应与声源的其他功率相混淆。
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第一节建筑声环境概述
在声环境设计中，大都认为声源辐射的声功率是属于声源本身的一种特性，不因环境条件的不同而改变。表5-1中列出了几种声源的声功率。
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第二节人的听觉特性与噪声评价
（五）听觉定位人耳的一个重要特性是能判断声源的方向和远近。人耳辨
别声源的方向相当准确，但判别声源远近的准确度则较差。听觉定位是由于双耳听闻引起的，包括声波到达两耳所产生的时间差和强度差。人耳对声源方位的辨别在水平方向比竖直方向要好。人耳对声源的定位还常受视觉的影响。（六）人耳的频率响应和等响曲线相同声压级的不同频率的声音，人耳听起来是不一样响的。不同频率的声音听起来要具有同样的响度，就必须具有不同的声压级。图5-6所示是纯音等响曲线。它表明听起来与具有某个声压级的1000Hz纯音同样响的其他频率纯音所应具有的各自的声压级。
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”。
一个声音高于另一个声音10dB，声压级小的声音对声压级大的声音的掩蔽效应就很小，可以忽略不计。
一般说来，掩蔽的特点是频率相近的声音掩蔽较显著，掩蔽声的声压级越大掩蔽效果越强。低频声对高频声的掩蔽作用大，高频声则难于完全掩蔽低频声。
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第一节建筑声环境概述
（二）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，声波反射分平面反射和曲面反射两种。如声源发出的是球面波，经反射后仍是球面波，见图5-1。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。（三）声波的散射声波的散射又称衍射，当声波在传播过程中遇到障壁或建筑部件时，如果这些障壁或部件的尺度比声波波长大，则其背后将出现“声影”，然而也会出现声音绕过障壁边缘进入 “声影”的现象，这就是声衍射。声波进入声影区的程度与其波长和障壁的相对尺度有关。
还会发生折射，从而改变声波的传播方向。温度改变会产生声音折射。图5-3表示白天近地面处的气温
较高，声速较大，声速随距地面高度的增加而减小导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随距地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播得比较远的原因。声波也会随风产生类似的弯曲，顺风传播时的方向向下弯曲，可以传得比期望远，逆风传播时的方向向上弯曲，会产生阴影区。
p0——基准声压。
2．声强级
声强级是声强与基准声强之比的以10为底的对数的10倍：
式中 LⅠ——声强级；
I0——基准声强。
在常温下，通常可认为声强级与声压级的数值相等。
表5-2中列举了声强值、声压值和它们所对应的声强级、声压级以及与其相应的声学环境。
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第一节建筑声环境概述
几个声源总声级的计算，如果声源相同，则叠加后总声压级为：
式中 L1——一个声源单独作用时的声级；
n——声源数目。
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第一节建筑声环境概述
声级为L1及L2 （L1＞L2）的两个声源共同作用时的叠加声
级为：
式中 ΔL———与声级差有关的修正值，按表5-4选用。
二、声波的绕射、反射、散射和折射（一）声波的绕射当声波遇到的障碍物或孔洞的大小比声波波长大得多时，
2．声强声波沿运动方向传播能量。单位时间通过垂直于声音传播
方向上单位面积的平均声能通量称为声强，符号是I。
声场中某一点的声强，是指在单位时间内，该点处垂直于声波传播方向上的单位面积所通过的声能。
式中 I——声强；
p——声压的均方根值；
ρc——介质的声阻抗率，又称空气特性阻抗。
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可认为声波仍沿着直线传播，由于障碍物的反射作用，在障碍物后面形成一个“声影区”；障碍物或孔洞的大小比声波波长小得多时，则声波不是沿着直线传播，而是改变前进的方向绕过障碍或孔洞，到达按直线传播时要成为阴影的地方，这种现象称为波的绕射或衍射。小孔处的质点可近似地看做一个集中的新声源，产生新的球面波，它与原来的波形无关。一切波都能发生绕射，其程度与波长、障碍物的大小有关。
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第一节建筑声环境概述
（四）声压级、声强级、声功率级及声级的叠加
1．声压级
声压是有效声压的简称，即指对一定时间间隔取瞬时声压
的均方根值。人的可闻声压的最小值p0及最大值pmax分别称为
闻阈或痛阈。在1000Hz时，闻阈为2×10－5Pa，痛阈为
2×102Pa，可见声压痛阈超过闻阈达107 倍。人耳不能仔细区分这样大数值范围的声压，同时计算上也不方便。所以通常采用对数标度，用分贝为单位来评价这个巨大的声压值范围。这时就得采用声压级和声强级。
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第二节人的听觉特性与噪声评价
（四）掩蔽效应
人们在安静环境中听一个声音可以听得很清楚，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。如果存在另一个声音（称为“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
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第一节建筑声环境概述
（二）频带、频带宽度（带宽）与频带中心频率在通常的声学测量中，不是逐个测量声音的频率，这样做工
作量太大，有时也没有必要如此精细，而是将声音的频率范围划分成若干个区段，称为“频带”。每个频带有一个下界
频率f1 和上界频率f2，而Δf＝f2－f1 (Hz)称“频带宽度”，简称“带宽”；f1和f2的几何平均称为频带中心频率fe，
时，在波重叠的区域内某些点处，振动始终彼此加强，而在另一
些位置，振动始终互相削弱或抵消，这种现象叫做波的干涉。
驻波是驻定的声压起伏，当在传播方向遇到垂直的刚性反射
面时，用声压表示的入射声波在反射时没有振幅和相位的改变，
入射波和反射波相互干涉形成了驻波。
四、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。当声源的尺度与波长相差不多或更大时，它就不能看做是点声源，而应看成有许多点声源的组成，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。
而它们的总声压（有效声压）是各声压的均方根值，即：
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第一节建筑声环境概述
声压级叠加时，不能进行简单的算术相加，而要求按对数
运算规律进行。n个声压级为Lp1声音叠加，总声压级为：
从上式可以看出，两个数值相等的声压级叠加时，声压级会比原来增加3dB，而不是增加1倍，如100dB加100dB只是 103dB，而不是200dB。这一结论同样适用于声强级与声功率级的叠加。
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第一节建筑声环境概述
三、声波的透射、吸收、干涉和驻波
（一）声波的透射与吸收
当声波入射到建筑构件时，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。
材料的吸声量等于按平方米计算的表面面积乘以吸声系数。
3．声功率级声源的声功率是单位时间内声源辐射的总声能量。声功率
级百度文库声源声功率与基准声功率之比的以10为底的对数的10倍：
式中 LW——声功率级；
W0——参考声功率。
表5-3给出了室内一些典型声源的声功率。
4．声级的叠加
当几个不同的声源同时作用于某一点时，若不考虑干涉效应，该点的总声能密度是各个声能密度的代数和，即
主调，符号为f。频率的倒数，即声源完成一次全振动的时间称周期，符号为T。
在声波传播途径上，两相邻同位相质点之间的距离称为波
长，符号为λ。
声速、波长与频率有如下关系：
在一定的介质中声速是确定的，简谐声波的频率越高，其波长就越短。人耳能听到的声波的频率范围约在20～20000Hz之间。低于
20Hz的声波称为次声，高于20000Hz的称为超声。
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第二节人的听觉特性与噪声评价
一、人的听觉机构人耳是声波最终的接收者。人耳可以分成三个主要部分：
外耳、中耳与内耳。图5-4是人耳剖面示意图。不同的人能听到的最高频率范围是变化很大的。人的最高
可听极限与所听声音的响度大小有关系。二、人的听觉特性（一）最小与最大的可听声压人耳可以加以接受的声压变化范围很大。在中频范围，人