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[声学] 简单的室内声学原理设计教程

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发表于 2010-7-19 | |阅读模式
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室内声学原理教程(上)
: B0 N* \6 B; B1 k! a' @一 建筑声学
* H5 @2 \; I0 e8 d; S5 E, Z  U  建筑声学研究与建筑环境有关的声学问题。它是一门古老年轻 的科学。公元前,古希腊的露天剧场曾在座位下的空间中安置翁作 为 共鸣器,以改善音质。中国古典剧场也有在舞台下设水缸或水 井作 为共鸣器的做法。北京天坛的回音壁、圜丘等也是以运用声 学原理 创造了独特的建筑艺术而闻名于世的。% O' @, M6 e/ h
  建筑声学包括厅堂音质和噪声控制两大部分内容。前者是为各 种听音场所建立最佳的语言或音乐的听闻条件;后者则为减低噪声 和振动的干扰。两者既相互独立,又密切联系。由于建筑声学属于 边缘学科,它与许多学科有密切联系,所以解决建筑中的声学问题 往往还需要与其他方面密切配合,这些方面诸如建筑设计、城市规 划、物理学、电声学、环境保护以及生理学等。建筑师应该知道什 么是好的声环境,以及如何创造(设计并实现)符合人们听闻要求 的环境。例如,设计一个多功能礼堂或影剧院,就要求音乐动听, 语言清晰;设计一个工业厂房,就要求噪声低,保护工人听觉器官 ;设计一栋住宅、医院或学校,就要求环境安静、隔声好。实现上 述要求,就是建筑声学设计所要解决的问题。
" r* e6 D2 G$ {: x( P- N: i二 声音的基本知识
% P5 D0 O- n; {+ G9 e  为了解决建筑中的声学问题,首先要了解声音是怎样产生和传 播的;声波有哪些性质;声音大小是怎样计量的;声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性;人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。' y/ r5 C) Y, C  S! ]- A2 }% _
   声音在人类生活中具有重要意义,人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的;扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动;锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的;弦乐器是*弦的振动发声的;笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源,传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质(如在真空中), 同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播,在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中,使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播,传至人耳将引起耳膜振动,最后通过听觉 神经产生声音的感觉。
; \8 M1 n2 {; b- m: X3 Q0 C二 声音的基本知识
0 ^3 b' r! O6 f8 C# C   为了解决建筑中的声学问题,首先要了解声音是怎样产生和传 播的;声波有哪些性质;声音大小是怎样计量的;声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性;人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。/ }% m8 l  E8 m) [5 Z9 Q5 @8 e  ^6 J! G& S
   声音在人类生活中具有重要意义,人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的;扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动;锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的;弦乐器是*弦的振动发声的;笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源,传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质(如在真空中),) d3 l& t' P# J/ \  k2 L4 ?. ^
同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播,在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中,使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播,传至人耳将引起耳膜振动,最后通过听觉 神经产生声音的感觉。
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二 声音的基本知识
4 n) D7 c! d' @$ S  g  t  为了解决建筑中的声学问题,首先要了解声音是怎样产生和传 播的;声波有哪些性质;声音大小是怎样计量的;声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性;人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。
; E; P! w5 Q( Q: i! b& F* D   声音在人类生活中具有重要意义,人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的;扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动;锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的;弦乐器是*弦的振动发声的;笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源,传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质(如在真空中), 同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播,在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中,使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播,传至人耳将引起耳膜振动,最后通过听觉 神经产生声音的感觉。7 A! B/ h  {6 w& T  j* }

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 楼主| 发表于 2010-7-19 |

$ Z5 l$ r1 ~0 s1 ~三 声波的反射、吸收和透射 8 p* h# J& L$ Y" Q) O
  声波在传播过程中,除传入人耳引起声音大小、音调高低的感 觉外,遇到障碍物如孔洞等还将产生声波的反射、绕射、吸收、透 射以及在室内由于多次反射所引起的混响等现象。这些现象在建筑 声学设计中有着重要的作用。
/ n, l/ i+ z9 ^  当声波在传播过程中遇到尺度比波长大得多的障板(界面或障 碍物)时,就会被反射,满足反射定律。反射定律的基本内容是:0 x& i( R, C9 N, t
(1) 入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内。, s- R5 W! n, k. S) _
(2) 入射声线和反射声线分别位于法线的两侧。
+ T6 u8 J1 q/ R0 q* \(3) 入射角等于反射角。
) }! w- Y$ R0 j1 n+ y1 w  h% v+ b$ h3 t. S2 H6 P+ a
四 声波的绕射 * H, w5 B* k/ a* x  v* ]* Y- D
  “闻其声而不见其人”,这是司空见惯的现象。怎样解释这种 现象呢?当声波遇到障碍物或孔洞,其大小比声波波长大得多时, 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 面开有成一个“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作一个集中的新声源,产生新 的球面波,它与原来的波形无关。
" W  q' O9 Z9 q9 p+ }+ c3 o0 {   一切波都能发生绕射,其程度与波长、障碍物的大小有关。 在通常条件下,有的声波会发生明显的绕射,有的表现为直线传播 。 我们能听到的声波,波长在17cm—17m的范围内,是可以与一般 障碍物(如墙角、柱子等建筑部件)的尺度相比的,所以能绕过一 般障碍物,使我们听到障碍物另一侧的声音。声源的频率越低,绕 射现象越明显。由于声波有绕射的本领,所以室内开窗比不开窗更 能听到邻室的谈话声,而当墙壁存在缝隙和孔洞时,隔声能力大大 下降了。与此相反,我们也可利用声波的绕射现象设计穿孔板一类 的吸声结构来吸声。
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 楼主| 发表于 2010-7-19 |

8 o- _+ W/ A6 w- b8 E4 m五 声波的干涉 % z- A9 m# w8 M  ?5 p3 T
  在观众厅内通常会出现声干现象。例如,从声源发出的直射声 波和来自壁面或平顶的反射声波在空间各点要相互干涉。如果是单 频声(即纯音),这种干涉现象必然引起空间各点声场之间的很大 差异,有些地方声波会加强,有些地方声波会减弱,甚至抵消而形 成“死点”。使干涉效应不太明显。7 F% e/ x' G; D( g  L( ^: e  U
  在一般情况下,观众厅的尺度(长、宽、亮)比低频小波长大 十几倍,形状也不“破坏”引起干涉的条件。因此,在大型观众厅 内,干涉现象就不那么严重。只有在小室内,如录音、播音、监听 和琴室等小房间需特别注意这一问题。 声波入射到建筑构件(如墙、板等)时,声能一般分为三个部分。
, F% a$ A# X5 i" `& v# Y+ N(1)一部分能量被反射,即前面所述的声波的反射。例如,大理 石、玻璃等硬而光滑的材料能够把绝大部分的声波反射回去。: b" X5 ?8 [+ P4 D, U
(2)一部分能量透过构件,即声波遇到障碍物时,其疏密相间的 压力将推动障碍物发生相应的振动。其振动又引起另一侧的传声介 质随之振动。声音透过障碍物的现象称为声波的透射。墙、楼板的 质量越轻,声波就越容易推动客观存在们发生振动动。墙、楼板的 透射本领越好,则说明其隔声能力越差。
. H6 {9 o3 \" K
8 o( Q# T; ~/ O六 声源的指向性
0 L- V  o( z, z3 w$ A  人的头和扬声器与低频声的波长相比是小的,这种情况下可视 为无指向性点声源,但对高频声,就具有明显的指向性。频率高, 声波波长短,声源下面的声压比背面和侧面大得多,直达声声能就 集中于辐射轴线附近,指向性强;而低频声,声源前后的声压变化 不大。实际上,演员在舞台上的对白或演唱,随频率的高低都带有 指向性。人在话讲时,并不是均匀地向四周辐声音的,而是下面最 响,背后最轻,也即沿着嘴唇前面有一定的指向性,与发声者相同 距离的前、后位置,对于较高频率的语言声,其响度的差别可达 1倍以上。因此,站在讲话者后面或侧面的人,由于直达声中缺少 很重要的高频成分,很难清听懂。如果适当地在讲话者的周围加设 反射面,可以提高讲话者后面的清晰度,但高频声比低频声更容易 被墙面材料和空气所吸收,所以在讲话者后面时听起来总是比较差 些。所以,厅堂形状的设计、场声器位置的布置,都要考虑声源的 指向性。: n. j2 [; R. y' ~

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