室内声环境课件.ppt
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1、室内声环境李 薇 /湖南师范大学/环艺学院/2013.11l室内声学原理l室内声环境评价l室内空间声环境的处理l室内声环境的设计 室内声学原理室内声环境研究的发展:公元前,古希腊剧场利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等调节音响中世纪,欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面,以产生长混响声,造成神秘的宗教气氛。 1517世纪,欧洲修建的一些剧院,大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位,同时由于听众和衣着对声能的吸收,以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射作用,使混响时间适中,声场分布也比较均匀。中国建成著名的北京天坛皇穹宇,建有直径65米的回音壁,可使微弱的声音沿壁传播一二百米。在皇穹
2、宇的台阶前,还有可以听到几次回声的三音石。 1819世纪,自然科学的发展推动了理论声学的发展。20世纪初,美国赛宾提出了混响理论。20世纪,由于电子管的出现和放大器的应用,开始了现代建筑声学。 室内声学原理室内声环境研究的意义: 室内声环境是专门研究如何为建筑内部使用者创造一个合适的声音环境。声音是人类行为中重要的组成部分。人们可以听到的声音都属于声环境范畴。人们可以听到谈话、鸟鸣、音乐、泉水叮咚、歌声等;但也能听到吵闹、机器轰鸣、车辆的轰鸣等噪声。从人的感受上声音分两类:C类:舒服的,如音乐、歌唱、生活中的交谈等。U类:不舒服的,如噪声、爆炸声、刺耳的啸叫声等。有时,C类也会转换成U类,如邻
3、居的歌声、别人之间的甜言蜜语、以及应该听见听清而听不见、听不清的交谈等。声环境设计围绕着人的感受,在设计中做到:1、如何保证C类的声音听清听好音质设计。2、降低U类声音(噪声)对正常工作生活的干扰噪声控制。 室内声学原理室内声环境研究的内容:l音质评价标准l隔声隔振l材料的声学性能测试与研究 l噪声的防止与治理 l电声系统在建筑中的应用 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。 室内声学原理1.声音的产生和传播声音
4、的产生和传播 在空气中,声源的振动引起空气质点间压力的变化,密集(正压)稀疏(负压)交替变化传播开去,形成波动即声波。2.描述声音的基本物理量描述声音的基本物理量f:频率,每秒钟振动的次数,单位Hz(赫兹)l:波长,在传播途径上,两相邻同相位质点距离。单位每m(米)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。3.声音的传播特性声音的传播特性声波的绕射、反射和散射 声波的透射与吸收 室内声学原理4.声音强弱的计量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。几个概念: 声功率:单位时
5、间内物体向外辐射的能量W。(瓦或微瓦) 声强:单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。 声压:指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化。声压级、声功率级及声强级 1、声压级Lp取参考声压为Po=210-5N/m2为基准声压,任一声压P的Lp为:听觉下限: p=2*10-5N/m2为0dB? 能量提高100倍的P=2*10-3N/m2 为40dB听觉上限: P=20N/m2 为120dB2、声功率级Lw取Wo为10-12W,基准声功率级任一声功率W的声功率级Lw为: 3、声强级: 声压级的叠加 典型环境典型环境声压声压/Pa声压级声压级/dB典型环境典型环境声压声压/Pa声压级声压级/d
6、B喷气式飞机喷气口喷气式飞机喷气口附近附近630150繁华的街道繁华的街道0.06370喷气式飞机附近喷气式飞机附近200140普通说话普通说话0.0260锻锤、铆钉操作位锻锤、铆钉操作位置置63130微电机附近微电机附近0.006350大型球磨机旁大型球磨机旁20120安静房间安静房间0.002408-18型鼓风机附近型鼓风机附近6.3110轻声耳语轻声耳语0.0006330纺织车间纺织车间2100树叶落下的沙沙树叶落下的沙沙声声0.0002204-72型风机附近型风机附近0.6390农村静夜农村静夜0.00006310公共汽车内公共汽车内0.280人耳刚能听到人耳刚能听到0.000020
7、室内声学原理5.人耳频率响应与等响曲线人耳频率响应与等响曲线 l人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的,对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音,灵敏度降低。l不同频率,相同声压级的声音,人听起来的响度感觉不一样。l随着声压级的提高,人耳对频率的相对敏感度也不同。声压级高,相对变化感觉小;声压级低,相对变化感觉大。 室内声学原理6.声源的指向性声源的指向性 l声源发出的声音在各个方向上分布不均匀,具有指向性。l声源尺寸比波长小得多时,可看作点声源,无指向性。l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。声源尺寸比波长大的越多,指向性就越强。人们使用喇叭,目的是为了增加指向性
8、。l频率越高,指向性越强;指向性越强,则直达声声能越集中于声源轴线附近。 室内声学原理人耳的主观听觉特性人耳的主观听觉特性1. 听觉范围听觉范围最高最低频率可听极限一般地,青少年2020KHz,中年3015KHz,老年10010KHz。2. 哈斯哈斯(Hass)效应(时差效应)效应(时差效应)人耳有声觉暂留现象(就像人眼视觉暂留:20ms以内连续),人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms,那么就不会觉得声音是断续的。直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”哈斯效应。根据哈斯效应,人
9、耳在多声源发声内容相同的情况下,判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此,剧场演出时,多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。 室内声学原理3. 听觉定位(方位感)听觉定位(方位感)人耳判断声源的远近比较差,但确定声源的方向比较准确。人耳判断声源的方位主要靠双耳定位,对时间差和强度差进行判断。(有声源发出的声波到达两耳可以产生时间差和强度差)人耳的水平方向感要强于竖直方向感。通常,频率高于1400Hz强度差起主要作用;低于1400Hz时,时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。4. 掩蔽效应掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存
10、在而降低的现象叫掩蔽效应。一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。低频声对高频声的掩蔽作用大,接近掩蔽声频率的掩蔽量最大。5.音调和音色音调和音色 声音三要素: 声音的强弱、音调的高低、音色的好坏 室内几何声学声音在室外与室内的传播比较声音在室外与室内的传播比较室内形成“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。室外空旷地带 随与声源距离的增加,声能发生衰减。对于点声源,有: 测点与
11、声源之间的距离。 距离增加一倍,声压级减少6dB。 声波在室内封闭空间的传播 以上现象源于:封闭空间内各个界面使声波被反射或散射。 室内几何声学室内声音发射的方式室内声音发射的方式室内的声增长和声衰变室内的声增长和声衰变 室内几何声学从能量的角度,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。直达声直达声:从声源经视在途经直接到达听者的声音信号. 直达声的作用:l是我们感受声源本身特征的基本依据,是受周围环境的声学环境影响最小的信号,受到距离的变化而变化。l直达声持续时间与声源的辐射时间相同。l直达声是判断声源宽度和深度的重要依据。 反射声反射声:声音经过建筑物反射后
12、进入人耳的声音叫反射声;声音在传播中遇到障碍物(比如墙面、地面、桌椅等)时,一部分进入障碍物被其吸收,一部分被障碍物反射回去(即回声,其反射方向同镜子反射光线一样)。它通常分为一次反射声、二次反射等 如果在室内直达声和反射声往往先后作用于人耳,实验表明当两者时间相差50ms(0.05秒)以内,人耳听不到两个声音,反射声起到补充直达声的作用,声音变得厚实、丰满。反射声的总和就是混响声 室内几何声学 室内声环境评价第一节 音质的主观评价与客观指标在以听闻作为重要功能的建筑,如剧场、音乐厅、电影院、礼堂、教室以及录音室、电视演播室、电影摄影棚等,音质设计往往成为建筑设计的决定因素之一,室内音质设计是
13、建筑声学设计的一项重要内容,其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素。 室内声环境评价音质的主观评价音质的主观评价 l响度:指人们听到的声音的大小。足够的响度是室内具有良好音质的基本条件。与响度相对应的物理指标是声压级。l丰满度:指人们对声音发出后“余音”的感觉。在室外,声音感觉“干瘪”,不丰满。与丰满度相对应的物理指标是混响时间。l色度感:主要是指对声源音色的保持和美化。良好的室内声学设计要保持音色不产生失真。另外,还应对声源具有一定美化作用,如“温暖”、“华丽”、“明亮”。色度感:相对应的物理指标主要是混响时间的频率特性以及早期衰减的频率特性 。l空间感:指室内环境给人的空间感觉
14、,包括方向感、距离感(亲切感)、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间分布有密切关系。l清晰度:指语言用房间中,声音是否听得清楚。清晰度与混响时间有直接关系,还与声音的空间的反射情况及衰减的频率特性等综合因素有关。l无声学缺陷:如回声、颤动回声、声聚焦、声遮挡、声染色等影响听音效果及声音音质的缺陷。 室内声环境评价客观指标:客观指标: l声压级:房间中某处的声压级反映了该处的响度。在声源功率一定的情况下,增大声压级需要获得更多的反射声。 l混响时间RT:RT与室内的混响感、丰满度、清晰度有很大关系。RT越长,越感丰满,但清晰度越差;RT越短,越感“干 ”,但清晰度提高。RT的频率特性与
15、音色有一定关系。RT低频适当增长,声音有温暖感、震撼感;RT高频适当增长,声音有明亮感、清脆感。 l反射声时间序列分布:人们最先听到的是直达声,之后是来自各个界面的反射声。一般的,直达声后50ms到达的声音被称为近次反射声,这部分声音对加强直达声响度、提高清晰度、维护声源方向起到很大作用。对于语言,人们提出清晰度D(difinition)的概念,指直达声及其后50ms以内的声能与全部声能之比。对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。 室内声环境评价什么是混响时间?什么是混响时间? 室内声场达到稳态后,声源突然停止发声,室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T6
16、0,单位S。 室内声环境评价混响时间的计算混响时间的计算赛宾赛宾(Sabine)公式公式 赛宾是美国物理学家,他发现混响时间近似与房间体积成正比,与房间总吸声量成反比,并提出了混响时间经验计算公式赛宾公式。公式适用于:平均吸声系数平均吸声系数房间表面积房间表面积总吸声量总吸声量 室内声环境评价实际的混响衰减曲线实际的混响衰减曲线由于衰减量程及本底噪声的干扰,造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线,因此有时取T30或T20 代替T60 。 室内声环境评价混响时间计算的不确定性混响时间计算的不确定性l 室内条件与原公式假设条件并不完全一致。1)室内吸声分布不均匀 2)室内形状,高宽比例过大,造成声
17、场分布不均匀,扩散不完全。l 计算用材料吸声系数与实际情况有误差一般误差在10%15%l 计算RT的意义:1)“控制性”地指导材料的选择与布置。2)预测建筑室内的声学效果3)分析现有的音质问题 室内声环境评价思考:一、某长方形教室,长宽高分别为10米、6米、4米,已知装修情况为:吸声系数 a 500Hz 2000Hz墙:抹灰实心砖墙 0.02 0.03地面:实心木地板 0.03 0.03天花:矿棉吸音板 0.17 0.10求房间的混响时间T60 (500Hz, 2kHz) 二、某一剧场,大厅体积为6000 m3,共1200座,500Hz的空场混响时间为1.2秒,满场为0.9秒,求观众在500H
18、z的人均吸声量。三、在使用几何声学方法处理建筑声学问题时,应注意那些条件?四、混响声与回声有何区别?它们和反射声的关系如何? 室内装饰材料及结构的吸声与隔声 吸声材料吸声材料一、吸声材料的作用一、吸声材料的作用l缩短和调整混响时间,l控制反射声、l消除回声、l改善音质,改变声场分布l用于噪音控制二、描述吸声材料的特征量:二、描述吸声材料的特征量:l 吸声系数描述吸声材料吸声性能的指标:吸声系数 l 吸声频率特性材料的吸声系数相对于频率的特性曲线或列表l 吸声量吸声系数乘以吸声面积 室内装饰材料及结构的吸声与隔声二、吸声材料的分类二、吸声材料的分类按吸声机理分:、多孔吸声材料:l纤维状(矿棉,玻
19、璃棉、麻、棉、 毛、软木)l颗粒状(泡沫混凝土)l泡沫状(泡沫塑料)、共振吸声材料:l单腔共振吸声; l穿孔板;l薄膜共振;l薄板共振;l窄缝共振结构3、特殊吸声结构:l空间吸声体l尖劈l可变吸声体4、有源吸声(电子吸声)。 室内装饰材料及结构的吸声与隔声第二节、多孔吸声材料第二节、多孔吸声材料(一)材料特点(一)材料特点: 透气性,材料具有大量内外连通的微小间歇和连续气泡,具有通气性。(二)吸声原理:(二)吸声原理: 当声波入射到材料表面时,很快顺着微孔进入材料内部,引起空歇间的空气振动,由于摩擦使一部分声能转化为热能而被吸收。 (三)吸声条件:(三)吸声条件: 声波很容易进入微孔内。吸声频
20、率特点:对中高频有很好的吸声特性,吸声系数随频率的升高而增大。在500Hz以上可达到0.50.9。 室内装饰材料及结构的吸声与隔声(四)影响吸声性能的因素:(四)影响吸声性能的因素:1、材料厚度的影响:一般而言、厚度增加,低频的吸声效果提高,高频影响不大。2、材料密度的影响:在一定条件下、增大密度可以改善低中 频的吸声性能;不同的材料存在不同的最佳密度值。3、材料后部空腔的影响:在材料后面设有一定空腔(空气层),其作用相当于加大材料的有效厚度。4、材料表面处理影响:外饰面必须选用透气性好的材料。外饰面的处理不能堵塞气孔。5、吸湿、吸水的影响6、声波入射的条件 1、材料厚度的影响:、材料厚度的影
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