城市环境物理-建筑声环境

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1、城市环境物理-建筑声环境室内声学原理声音从声源发出后声音从声源发出后,与室外情况很不同。形成与室外情况很不同。形成“复杂声场复杂声场”。1 1、距声源同样的距离，室内比室外响些。、距声源同样的距离，室内比室外响些。2 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、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：过程，一般时间较短。夸张：“绕梁三日，不绝于耳绕梁三日，不绝于耳”3 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、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。均，有时出现声聚焦、驻

2、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。以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。在室内声学中，可以用在室内声学中，可以用几何声学几何声学、统计声学统计声学和波动声学的理论加以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，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。题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义。2室内声学原理1.1.自由声场与室内声场自由声场

3、与室内声场1.1 1.1 自由声场中声音的传播自由声场中声音的传播n 自由声场定义：在声波传播的空间中无反射界面，声源在该声场自由声场定义：在声波传播的空间中无反射界面，声源在该声场中发声，在声场中的任意一点只有直达声，无反射声。中发声，在声场中的任意一点只有直达声，无反射声。n 自由场中声压级衰减规律：自由场中声压级衰减规律：点声源：平方反比定律：距离增加一倍，声压级衰减点声源：平方反比定律：距离增加一倍，声压级衰减6dB6dB线声源：线声源：距离增加一倍，声压级衰减距离增加一倍，声压级衰减3dB3dB面声源：声压级不随距离的增加改变面声源：声压级不随距离的增加改变2室内声学原理1.1.自由

4、声场与室内声场自由声场与室内声场1.2 1.2 室内声场的特点室内声场的特点n 声波的传播过程要经历界面的反射、吸收与透射。声波的传播过程要经历界面的反射、吸收与透射。n 声场中有直达声和反射声。声场中有直达声和反射声。n 反射声对音质的好坏有决定性作用，反射声对音质的好坏有决定性作用，声能密度分布不再符合平方反比定律。声能密度分布不再符合平方反比定律。n 房间共振作用。房间共振作用。n 房间的形状和室内界面材料的声学特房间的形状和室内界面材料的声学特 性对室内声场有很大影响。性对室内声场有很大影响。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.1 2.1 几何声学几何声学n

5、几何声学：忽略声音的波动性质，不考虑干涉和衍射现象，把声几何声学：忽略声音的波动性质，不考虑干涉和衍射现象，把声源向外辐射的能量以声线来代替，用声线的观点研究声波在封闭空间源向外辐射的能量以声线来代替，用声线的观点研究声波在封闭空间中的科学。中的科学。n 几何声学的适用范围：声波传播的距离和界面尺度远大于波长的几何声学的适用范围：声波传播的距离和界面尺度远大于波长的场合。场合。低频小房间不适用。低频小房间不适用。n 几何声学作图方法：几何声学作图方法：（1 1）利用反射定律；）利用反射定律；（2 2）虚声源法。）虚声源法。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2

6、 统计声学统计声学2.2.12.2.1 室内声场的组成室内声场的组成n 声源在室内发声，对任一接收点，所接收的声音由三部分组成：声源在室内发声，对任一接收点，所接收的声音由三部分组成：1 1）直达声：从声源直接辐射到接受点的声音。）直达声：从声源直接辐射到接受点的声音。2 2）早期反射声：直达声之后相对延迟时间为）早期反射声：直达声之后相对延迟时间为50ms50ms以内到达的反射声。以内到达的反射声。对直达声起到加强作用。对直达声起到加强作用。3 3）混响声）混响声:前次反射声后陆续到达的、经过多次反射的声音的统称前次反射声后陆续到达的、经过多次反射的声音的统称。2室内声学原理2.2.用几何声

7、学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.2 2.2.2 室内声音的增长、稳态和衰变室内声音的增长、稳态和衰变n 从能量角度分析室内声音的状况，大致可以分为增长、稳态和衰从能量角度分析室内声音的状况，大致可以分为增长、稳态和衰变三个过程。变三个过程。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.3 2.2.3 混响与混响时间混响与混响时间n 混响：声源停止发生后，在声场中还存在着的来自各个界面的反混响：声源停止发生后，在声场中还存在着的来自各个界面的反射声所形成的声音射声所形成的声音“残留残留”现象。该现象。该“残留

8、残留”的声音衰变的快慢，用的声音衰变的快慢，用混响时间来量度。混响时间来量度。n 混响时间：室内声场达到稳态，声源停止发生后，声压级降低混响时间：室内声场达到稳态，声源停止发生后，声压级降低60dB60dB所经历的时间称为混响时间（所经历的时间称为混响时间（RTRT）。）。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.4 2.2.4 赛宾和伊林的混响时间公式赛宾和伊林的混响时间公式n 混响时间混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接影响厅堂的音质效果。影响厅堂的音质效果。n 基于

9、长期研究和实践，得出适用于实际工程的混响时间计算公式：基于长期研究和实践，得出适用于实际工程的混响时间计算公式：赛宾公式和伊林公式赛宾公式和伊林公式。n 赛宾和伊林公式的假设条件：赛宾和伊林公式的假设条件：1 1）室内声音完全扩散室内声音完全扩散，即室内任一点的声音强度一样，而且在任何，即室内任一点的声音强度一样，而且在任何 方向上的强度也一样；方向上的强度也一样；2 2）室内声音按同样的比例被室内各表面吸收，即）室内声音按同样的比例被室内各表面吸收，即吸收是均匀的吸收是均匀的。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.4 2.2.4 赛

10、宾和伊林的混响时间公式赛宾和伊林的混响时间公式n 赛宾公式：赛宾公式：赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体房间体积成正比积成正比，与房间总吸声量成反比与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公，并提出了混响时间经验计算公式式赛宾公式。赛宾公式。2T60：混响时间，：混响时间，sA：室内表面吸声量：室内表面吸声量V：房间容积，：房间容积，S1,S2,Sn：各种不同材料的表面积，：各种不同材料的表面积，1,2,n：各种不同材料的吸声系数：各种不同材料的吸声系数S：室内总表面积：室内总表面积：室内平均吸声系数：室内平均吸声系数室内声学原理2.2

11、.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.4 2.2.4 赛宾和伊林的混响时间公式赛宾和伊林的混响时间公式 讨论：讨论：n T T6060短或长表达了房间声能衰减快与慢的重要特征，是关系室内音短或长表达了房间声能衰减快与慢的重要特征，是关系室内音质的第一重要指标。质的第一重要指标。n T T6060VV，T T60601/A 1/A 改变改变V V或或A A可以控制室内声能衰减的快慢，表征可以控制室内声能衰减的快慢，表征了实用的控制手段了实用的控制手段合理的体积与装修。合理的体积与装修。n=1=1，全吸声，无任何反射，此时，全吸声，无任何反射，此时T T60

12、6000，但，但A=SA=S，由公式，由公式T T606000，表明公式在表明公式在较大时，不成立，有局限性。较大时，不成立，有局限性。n 实际上当实际上当0.2=2KHz时，一般地，时，一般地，4m与湿度温度有关，常取相对湿度与湿度温度有关，常取相对湿度60%,温度温度20oC时，时，4m为为2KHz0.009 4KHz 0.022n 计算计算RT时，一般取时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率六个倍频程中心频率室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.2 统计声学统计声学2.2.5 2.2.5 混响时间计算精确性的评价混响时间计算精确

13、性的评价n 误差值误差值:在计算无误，实际材料吸声系数与计算值基本相符；严格在计算无误，实际材料吸声系数与计算值基本相符；严格施工的情况下，可能误差施工的情况下，可能误差10%10%。n 误差原因误差原因1.1.公式误差公式误差 a a 厅堂的实际状况与公式推导条件间的区别。公式认为，任何时刻室厅堂的实际状况与公式推导条件间的区别。公式认为，任何时刻室内声场绝对均匀内声场绝对均匀b b 声源具有指向性声源具有指向性2.2.建筑材料的建筑材料的实际值及频率特性与计算值的误差实际值及频率特性与计算值的误差3.3.施工质量施工质量2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.2 2.

14、2 统计声学统计声学2.2.5 2.2.5 混响时间计算精确性的评价混响时间计算精确性的评价n 减小误差的保证措施减小误差的保证措施a 建筑材料的建筑材料的值实际测定，按测定值计算值实际测定，按测定值计算b 施工中进行施工中进行RT测定，按进度调整，保证最后的测定，按进度调整，保证最后的RT及频响及频响c 模型试验，对设计加以验证模型试验，对设计加以验证d 计算机模拟。计算机模拟。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.3 2.3 室内声压级的计算室内声压级的计算n 通过声压级的计算，可估计室内能否达到满意的响度，及声场分布通过声压级的计算，可估计室内能否达到满意的响度，

15、及声场分布是否均匀。是否均匀。n 当一点声源在室内发声时，在室内声场完全扩散的条件下，已知声当一点声源在室内发声时，在室内声场完全扩散的条件下，已知声源功率，则可利用以下的稳态声压级公式计算离开声源不同距离处的源功率，则可利用以下的稳态声压级公式计算离开声源不同距离处的声压级：声压级：2W:声源的声功率声源的声功率r:离开声源的距离离开声源的距离Q:声源的指向性因素声源的指向性因素R:房间常数房间常数室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.3 2.3 室内声压级的计算室内声压级的计算n QQ声源的指向性因素，引入声源的指向性因素，引入Q Q值，因为当一点声源在一矩形房间内值

16、，因为当一点声源在一矩形房间内不同位置时，要考虑到声源方向性和所在位置的影响。不同位置时，要考虑到声源方向性和所在位置的影响。Q=1Q=1：无方向性声源放在房间中心时；：无方向性声源放在房间中心时；Q=2Q=2：声源位于某一墙面的中心时；：声源位于某一墙面的中心时；Q=4Q=4：声源在两个界面交线的中心时；：声源在两个界面交线的中心时；Q=8Q=8：声源在三个界面的交角处。：声源在三个界面的交角处。2Q=1Q=2Q=3Q=4指 向 性 因 数点 声 源 位 置室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.3 2.3 室内声压级的计算室内声压级的计算n Q/4 r2 直达声对声压级

17、的贡献直达声对声压级的贡献n 4/R 混响声对声压级的贡献混响声对声压级的贡献n Q/4 r2=4/R时时，直达声能和混响声能相等时，直达声能和混响声能相等时 n 混响半径或称临界半径混响半径或称临界半径2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.1 2.4.1 驻波现象驻波现象n 波的叠加原理特点：波的叠加原理特点：1 1、相交后，仍保持各自原有的特性、相交后，仍保持各自原有的特性2 2、在相交处的质点同时参加各个波的振动，质点的振动是各波振动在相交处的质点同时参加各个波的振动，质点的振动是各波振动的合振动的合振动2室内声学原理2.2

18、.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.1 2.4.1 驻波现象驻波现象n 波的干涉波的干涉干涉条件：干涉条件：1 1、具有相同频率、相同相位的两个波源在不同位置所发出、具有相同频率、相同相位的两个波源在不同位置所发出2 2、相遇叠加、相遇叠加干涉结果：干涉结果：1 1、在波重叠的区域内某些点的振动被加强，、在波重叠的区域内某些点的振动被加强，2 2、在另一些位置，振动被减弱。、在另一些位置，振动被减弱。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.1 2.4.1 驻波现象驻波现象n 驻波现象：驻

19、波现象：驻波是波的干涉现象中的特殊情况，是由两列同频率、驻波是波的干涉现象中的特殊情况，是由两列同频率、同振幅但沿着某一轴向相向传播的波互相叠加而形成的。如声源发声同振幅但沿着某一轴向相向传播的波互相叠加而形成的。如声源发声入射到全反射的壁面上，入射波与反射波叠加后形成的波即为驻波入射到全反射的壁面上，入射波与反射波叠加后形成的波即为驻波。n 特点：特点：（1）波腹（声压最大处）、波节（声压最小处）在空间点的位置固定）波腹（声压最大处）、波节（声压最小处）在空间点的位置固定不变。不变。（2）相邻波腹和波节之间相距）相邻波腹和波节之间相距/4，相邻波腹或波节之间相距，相邻波腹或波节之间相距/2。

20、n 形成驻波条件：形成驻波条件：n L=n*/2，即：即：f=c/=nc/2L2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.1 2.4.1 驻波现象驻波现象n 形成驻波条件：形成驻波条件：L=n*/2，即：即：f=c/=nc/2L2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.2 2.4.2 房间共振房间共振n 共振现象：室外有车辆经过（噪声）使得灯罩产生震动而发声。共振现象：室外有车辆经过（噪声）使得灯罩产生震动而发声。n 房间共振：在一些室内装修材料比较坚硬的房间内，当声源发声时，

21、房间共振：在一些室内装修材料比较坚硬的房间内，当声源发声时，常会激发这个房间内的某些固有频率（或称简正频率）的声音，即出常会激发这个房间内的某些固有频率（或称简正频率）的声音，即出现了房间共振。房间共振还表现为使某些频率的声音在空间分布很不现了房间共振。房间共振还表现为使某些频率的声音在空间分布很不均匀。均匀。n 房间中，空气振动的振动频率主要由房间的大小来决定。房间中，空气振动的振动频率主要由房间的大小来决定。n 发声共振现象时，声源的某些频率被特别的加强了。发声共振现象时，声源的某些频率被特别的加强了。n 激发频率越接近物体的某一共振频率，共振响应越大。激发频率越接近物体的某一共振频率，共

22、振响应越大。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.2 2.4.2 房间共振房间共振n 根据驻波原理，房间中的两表面间，只要距离为根据驻波原理，房间中的两表面间，只要距离为/2/2 的整数倍，就的整数倍，就可以产生相应方向上的轴向共振。可以产生相应方向上的轴向共振。n 房间中除了产生轴向驻波外，还有切向驻波和斜向驻波。房间中除了产生轴向驻波外，还有切向驻波和斜向驻波。n 计算矩形房间共振（包括轴向、切向和斜向）频率的公式：计算矩形房间共振（包括轴向、切向和斜向）频率的公式：2Lx,Ly,Lz房间的长宽高房间的长宽高Nx,ny,nz任

23、意正整数（不能同时为任意正整数（不能同时为0 0）室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.2 2.4.2 房间共振房间共振n 选择选择nxnx，ny,nzny,nz为一组不全为零的非负整数，就为一为一组不全为零的非负整数，就为一 种振动方式。种振动方式。n 房间尺寸房间尺寸LxLx，LyLy，LzLz的选择，对确定共振频率有很大影响。例如，的选择，对确定共振频率有很大影响。例如，一个长、宽、高均为一个长、宽、高均为7m7m的房间，在的房间，在1010种振动方式时的最低共振频率，种振动方式时的最低共振频率，计算出来如下表：计算出来如下表

24、：2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.2 2.4.2 房间共振房间共振n 共振频率的简并：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频共振频率的简并：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为率的重叠，称为“简并简并”。n 简并出现时，共振频率简并出现时，共振频率 的声音被大大加强，形的声音被大大加强，形 成频率特性的失真，低成频率特性的失真，低 频会产生翁声，或产生频会产生翁声，或产生“声染色声染色”。2室内声学原理2.2.用几何声学与统计声学分析室内声学问题2.4 2.4 房间的共振房间的共振2.4.2 2.4.2 房间共振房间共振n 避免出现简并现象的方法：避免出现简并现象的方法：1.使房间三方尺寸不成简单整数比。使房间三方尺寸不成简单整数比。2.表面作成不规则形状，作扩散理，墙面不平行。表面作成不规则形状，作扩散理，墙面不平行。3.吸声材料不规则布置。吸声材料不规则布置。4.如如 0.3，共振现象不明显，共振现象不明显2Thank you!