声环境设计基础知识

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一、点声源随距离的衰减 在自由声场中,声功率为W的点声源向外辐射的能
量呈球状扩散,在与点声源距离为r处的声强度I的算式 为 I=W/4πr2。此处的声压级LP = LW - 11 - 20lgr。由 上式可知与声源的距离增加一倍,声压级降低6dB。
二、线声源随距离的衰减
1.无限线声源 当许多点声源排成行时就可以 看成为无限长的线声源。当线声源的单位长度 的声功率为W,在与声源距离为r处的声强度I 为10Il=grW。/因2π此r,距该离处增的加声一倍压,级声为压LP级=降L低W3-dB8。-
参数间存在如下关系:c=f* 或 =c/f
•人耳可听频率范围(听域)为20Hz-20KHz, <20Hz为次声, >20KHz为超声。其中,人耳感觉最重要的部分约在100Hz4000Hz,相应的波长约3.4m-8.5cm
3.1 .2 声音强弱的计量
声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音 的大小或强弱,或一个声音比另一个声音响或 不响,这就提出了声音强弱的计量。
3.1.5 声波的绕射、反射和散射
•声波作为机械波,具有机械波的所有特征。有绕射、反射、 散射和干涉等,有透射、吸收等。 •波阵面:声波从声源发出,在某一介质内按同一方向传播, 在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。 •球面波:点声源发出的波,声线与波阵面垂直。如人、乐器。 •平面波:波阵面为平面的波,声源互相平行,如线声源,多 个点声源叠排。
Lp2
P 0lo1g0Po(dB)
听觉下限:
p=2 × 10-5N/m2 为0dB
能量提高100倍的P=2 × 10-3N/m2 为20dB
听觉上限:
P=20N/m2 为120dB
2、声功率级Lw
取Wo为10-12W, 任一声功率W的声功率级Lw为:
W Lw10lo1g0Wo(dB)
3、声强级: LI 10lo1g0IIo(dB)
1)声压对人耳感觉的变化非常大 1000Hz的声音,听觉下限Po=2 × 10-5N/m2,上限
P=20N/m2,相差106倍。声强低限为:10-12 W/m2 。 2)人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比,而 与声压的对数成正比,两个同样的声源放在一起,感觉并 不是响一倍。
1、声压级Lp
取参考声压为Po=2×10-5N/m2为基准声压,任一声压P的Lp为:
三、 声源的指向性
声源发出的声音在各个方向上分布不均匀,具有指向 性。
声源尺寸比波长小得多时,可看作点声源,无指向性。
声源尺寸比波长差不多或更大时,声源不再是点声源, 出现指向性。人们使用喇叭,目的是为了增加指向性。
四、频率、波长与声速
描述声波的基本物理量
f:频率,每秒钟振动的次数,单位Hz(赫兹)
距离增加一倍,声压级减少6dB。 对于存在地面反射的情况,有:
二、声波在室内封闭空间的传播
与室外情况很不同。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。
二、音乐(乐音)
音调主要决定于声音的频率,频率越高,音调就越高; 但它还和声压级和组成成分有关。
乐器发出的复合声系由基音和谐音组成的,所有谐音的 频率都是基音频率的整数倍,这样的复合声即使基音成 分很弱,某音调的高度也是由基音频率决定的。
低频泛音丰富,音色浑厚、坚实、有力 中频泛音丰富,音色圆润、和谐、自然
I0——基准声强,I0 =10-12 W/m2 。
4、声压级的叠加
10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10dB=? 答案分别是: 13dB,3dB,10dB.
几个声源同时作用时,某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。 因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即:
P P1 P2 ...Pn
三、噪声
噪声是频率结构更复杂的声音。人耳听不出其中包含 有任何谐音或音调的特征,但这种声音的主要频率是 可以辨认的。噪音大多数是连续谱。
对声音作测量时既可以对整个频率范围作测量,也可 以在测量系统中利用电滤波器,把可听频率范围内的 声音分段测量。可以用倍频带或1/3倍频带进行分析。
3.1.4 声音在户外的传播
Eo
吸声系数:1r1ErE aEi
Eo Eo
不同材料,不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用 透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料, 控制室内声场。
3.1.6 室内声学原理
3.1.6.1 声音在室外与室内的 传播
一、 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:
•倍频程:通常将可闻频率范围内20~20Hz分为十 个倍频带,其中心频率按2倍增长,共十个,为: 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K 16K
•1/3倍频程:将倍频程再分成三个更窄的频带,使 频率划分更加细化,其中心频率按倍频的1/3增长, 为:12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...
固有频率:
f0
1
2
K M
:波长,在传播途径上,两相邻同相位质点距离。单位m,声波 完成一次振动所走的距离。 C:声速,声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。在空气中声
速: c 331.4 1
273
在0oC时,C钢=5000m/s, C水=1450m/s,C混凝土 =3100m/s。 在15oC时,C空气=340m/s
散射
当障碍物的尺寸与声波相当时,将不会形成定向反射,而以障 碍物为一子波源,形成散射。
声波的透射与吸收
声波具有能量,简称声能。 当声波碰到室内某一界面后(如天花、墙),一部分声能被反射,
一部分被吸收(主要是转化成热能),一部分穿透到另一空间。
E oE E E
透射系数: Ei
Eo
反射系数: Er
理论上,任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动 的合成。
分立谱:如弦振动产生的声音。 连续谱:谈话、机器的噪声,大多数的自然声。
如何获得声音的频谱: 使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。
频谱通常根据需要分成若干个频带,带宽(Band)可宽可窄,是 人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。
声波的绕射
声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况 与声波的波长和障碍物(或孔)的尺寸有关。
声波的反射
当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时,声波将被反射。 类似于光在镜子上的反射。
反射的规则:1)入射线、反射线法线在同一侧。 2)入射线和反射线分别在法线两侧。 3)入射角等于反射角。Li=L
C、气压不变,温度升高时,空气中声速变小。
四、 70dB+70dB+70dB+70dB=?
五、 请写出Lp1+Lp2+...Lpn的声压级计算公式,请划为最简。
3.1.3 声音的频谱与声源的指向性
•3.1.3.1 声音的频谱 频谱——表示某种声音 频率成分及其声压级组成情况的图形 傅立叶理论及现代信号处理技术证明:
声波为纵波,介质(空气等)的质点振动方向平行声波传 播方向(疏密变化)。
声波传播到人耳,引起人耳鼓膜的振动,带动听骨振动, 由耳蜗、听神经等形成神经脉冲信号,通过听觉传导神经 传至大脑听觉中枢,形成听觉。
二、波阵面
声波从声源发出,在同一介质中按一定方向传播,在某一时 刻,波动所到达的各点的包迹面称为波阵面。波阵面为平面 的称为平面波,波阵面为球面的称为球面波。
二、 人耳听觉最重要的部分为:
A、20~20KHz
B、100~4000Hz
C、因人而异,主要在50Hz左右 D、因人而异,主要在1000Hz左右
三、 以下说法正确的有:
A、0oC时,钢、水、空气中的声速约5000m/s、1450m/s、331m/s。
B、 0oC时,钢、水、空气中的声速约2000m/s、1450m/s、340m/s。
3.1.6.2 声波在室内的反射与几何声 学
一、 反射界面的平均吸声系数
混响室
普通厅堂 房间等
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。
消声室
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。
第3.1章 建筑声学基本知识
3.1.1 声音 声源的方向性
3.1.1.1 声音的产生和传播
一、声源:通常把受到外力作用而产生振动的物体体称为 声源。声源在空气中振动,使邻近的空气之产振动并以波 动的方式向四周传播开来,传入人耳,引起耳膜振动通过 听觉神经产生声音的感觉。
在空气中,声源振动迫使其周围紧邻的空气质点产生往复 振动,该振动迅速在空气中传播开来,这种振动的传播称 为声波。
以上现象源于:封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。
三、 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。但对于建筑师来 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。
2
2
2
Lp20lo1g0PPo(dB)
声压级为:
Lp20lg P 20lg P12 P12 ...Pn2
Po
Po
Lp1 2 Lp2 2
Lpn 2
20lg 1020 1020 ...1020
课后作业:
作业要求:必须抄题,包括选择题。选择题可能有多个答案。
一、 如果要求影院内最后一排观众听到来自银幕的声音和看到画面 的时间差不大于100ms,那么观众厅的最大长度应不超过多少?
I
W
4r2
(w/m2)
3.1.2.1 声功率、声强、声压
1、声功率:单位时间内物体向外辐射的能量W。(瓦或微瓦)
声功率是声源本身的一种重要属性。
人正常讲话——50W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯
泡。
训练有素的歌手——5000-10000 W。
汽车喇叭——0.1 W,喷气飞机——10KW。
二、 声音在 房间内的反射
三、 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。
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。
2)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。
四、 室内声音的增长、稳态和衰减
从能量的角度,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。
声波的传播方向可用声线来表示。声线是假想的垂直于波阵 面的直线,主要用于几何声学中对声传播的跟踪。
•点声源——波阵面为球面,声音强度随着传播距离的增加 而迅速减弱;当声源的尺寸较距离小很多时,可认为点声源。 •线声源——波阵面为柱面,声音强度随着传播距离的增加 而逐渐减弱;如很长的火车。 面声源——波阵面为平面,声音强度不随传播距离的增加 而减弱。海啸属。
2.有限长线声源 观测点所接受的声音能量与 该点至有关声源两端点视线间的夹角成正比, 而与距离成反比。距离较近时,距离每增加1 倍,声压级降低3dB;距离较远时,距离每增 加1倍,声压级降低6dB。
三、面声源随距离的衰减
如果观测点与声源的距离比较远,声能没 有衰减。但在远离声源的观测点也会有声压级 的降低,数值为3-6dB
高频泛音丰富,音色明亮、清透、纯净
如何获得声音的频谱: 使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。
频谱通常根据需要分成若干个频带,带宽(Band)可宽可窄,是 人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。
在进行声音计量和频谱表示 时,往往使用中心频率作为 频带的代表,声压级值使用 整个频带声压级的叠加。
在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。
2、声强:单位时间内通过声波传播方:
I p2 0c
3、声压:指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化。符号P。
单位N/m 2 (牛顿/米2 ) ,或Pa(帕斯卡)
3 .1.2.2声压级、声功率级及其叠加
由于以下两个原因,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(类似于风级、地震级)。
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