声学基础课件5课件

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1、,常用建筑声学材料与构造,Company Logo,空间吸声体,近年来，越来越多的大型厅堂，外墙采用玻璃幕墙，体现室内、外空间沟通的新理念，同时，在巨大的空间内采用隔而不断的方法分隔空间。由此造成容积大，且各用房相互连通的现象。在声学上产生如下不利因素： （）吸声处理仅限于屋顶下的部位，因而要求吸声体有更大的吸声量，适应大空间的需要。 （）在同一屋架内的不同用房相互连通，产生了多种形式的耦合空间，难以控制。 当今大型体育馆中的声学设计都面临上述问题的挑战，要求有限的声学处理面积能获得更大的吸声量。尽可能缩短大空间比赛厅的混响时间。有效的方法是增大空间吸声体的吸声量 （增大吸声体的数量和单位面积

2、的吸声量）。 综上所述，空间吸声体的形式虽多，但声学功能却是相同的。即以最小的声学处理面积获得尽可能大的吸声效果。,Company Logo,空间吸声体,把吸声材料和结构悬吊 （或悬挑）在空间被称为空间吸声体。由于材料的各界面全部暴露在空间，即声场中，比单面暴露接触声波的机率大，因此吸声性能有很大的提高。这样，在获得相同吸声量的情况下，就可减少吸声处理面积。此外，形形色色的空间吸声体，还可丰富空间的艺术效果。因此，近来年得到广泛的应用。,Company Logo,空间吸声体,空间吸声体的形式： 随厅、室的功能、声学要求、结构形式、装修标准、荷载和投资限额、用材的防火、防潮和环保等要求的不同而多

3、种多样。因此，定型产品仅局限于工业厂房的噪声控制。而在民用建筑中，几乎全部是单体设计，加工制作。 在民用建筑中，特别是大型的厅堂建筑，用于音质处理的空间吸声体，在满足声学要求的条件下，同时要考虑装修效果，也即功能与艺术的结合。因此，声学工程师在设计空间吸声体时，必须与建筑师和业主密切配合，有时还可请装修艺术家参与，做到完美的结合。,Company Logo,空间吸声体,Company Logo,空间吸声体,空间吸声体的吸声性能： 不仅与它的形体、构造、用材等密切相关，同时还与吸声体悬吊的间隔和高度有关。因此，它的吸声性能均通过在混响室内测定求得。图 为6种吸声体在容积接近、吸声材料相同（超细玻

4、璃棉，=32kg/m3），而形状不同的条件下，在混响室内测得的吸声系数。 由图可见，在其他条件相同的情况下，不同的形体其吸声性能有较大的差别。,Company Logo,空间吸声体,吸声体悬吊的间隔和悬吊高度对相同的吸声体也有相当大的差别。特别在中、高频率范围内差距更大。表 和表 分别为平板吸声体悬吊不同间隔、不同高度时实测的吸声系数。,Company Logo,空间吸声体,空间吸声体由于所有界面均暴露在声场 （空间）中，增加了声波投射的机率，从而提高了吸声的功效。但吸声体通常在低频段吸声性能较差，原因是在多孔性材料后面缺少空腔。为了提高吸声体对低频的声吸收，目前常采取如下几种措施： （）增加

5、吸声材料的厚度和密度。例如采用半圆柱、球切面和球状吸声体，可提升对低频的声吸收。 （）把成品吸声板材 （通常厚度在左右）做成中空的双层板状吸声体，或再把双层板做成各种形状的吸声体。 （）用增加多孔性材料的厚度、在板材中设空腔可提升对低频的声吸收，但与中、高频的吸声量相比仍有很大差距。因此，当需要更大幅度地提高低频的声吸收，可与共振吸声结构相结合，也即在多孔性材料的吸声体内配置共振吸声结构。 关于提高空间吸声体对低频的声吸收的其他措施，还可采用双层微穿孔结构、金属粉末烧结板与多孔性材料结合方法，但需考虑造价和荷载的限值。,Company Logo,空间吸声体,Company Logo,空间吸声体

6、,Company Logo,反射与扩散构造,重要的早期反射声： 在直达声以后到达的对房间的音质起到有利作用的所有反射声，称为早期反射声。时间范围一般取直达声以后50ms，也有人认为可取到95ms。早期反射声能与混响声能之比称为明晰度。明晰度高，语言清晰度也高，如明晰度达到50%，音节清晰度就可达90%以上。 对听音乐来说，情况复杂得多，不仅要考虑早期反射声所占的比重，还要考虑从侧向来的早期反射声，能使声源的空间距离展宽，增加立体感，但侧向早期反射声过强，又会形成虚声源，造成移位错觉的不良后果。,Company Logo,反射与扩散构造,定向反射结构 定向反射结构是一种很好的提供早期反射声的办法

7、，设置在侧墙上的反射板可以提供早期侧向反射声，悬挂在吊顶下的反射板可以提供前向早期反射声。一般来说，在剧院中，由于天花板上有布景、灯光等设施，不方便悬吊反射板，但是可以在侧墙上设置侧向反射板；而在音乐厅建筑中，在吊顶下悬挂反射板的就很普遍了。,Company Logo,反射与扩散构造,在侧墙上设置反射板的例子，如著名建筑师库哈斯设计的荷兰舞蹈剧院，见图 。除了特意设置的侧向反射板，有时候，侧墙上的建筑构件，如包厢栏板等，也能够为后面的楼座提供侧向反射声，在设计时应细心加以考虑。还有的厅堂在观众厅后墙上悬吊反射板，如英国伦敦国家剧院的奥利维亚剧场，见图 。,Company Logo,反射与扩散构

8、造,这里介绍一类比较特殊的音乐厅侧向声音乐厅。这种音乐厅是在 年随着侧向声理论的发展而出现，最为典型的是新西兰的克雷斯特彻奇音乐厅，见图 。大厅的两侧采用大片倾斜的反射板，反射板分散配置，以确保大厅上部空间与座席区仍在同一混响空间内。该厅是侧向声理论转化为具体建筑形式的有趣实例，建成后得到音乐、声学和建筑界的好评。在长期使用中，也发现某些缺点，即有些座席侧向反射声过强，使听众产生声像移位的感觉，这是侧向声音乐厅设计中应注意的问题。,Company Logo,反射与扩散构造,马歇尔的侧向声原理 1967年，新西兰声学家马歇尔（Haroid Marshall）教授最先将人的双耳收听原理同音乐厅的声

9、学原理结合起来，认为19世纪“鞋盒型”音乐厅的绝佳音质，除缘于混响时间及声扩散以外，直达声到达听众后的前5080ms的早期侧向反射声起着极为重要的作用。 在这些音乐厅中每个听众都接受到强大的早期反射声能，其中侧向反射比来自头顶的反射声更为重要，因为它提供给听众更强的三维空间感和音乐的环绕感。该理论已成为近期影响音乐厅形状设计的主要理论，使新建音乐厅开始注重并应用侧向反射声。,Company Logo,反射与扩散构造,Company Logo,反射与扩散构造,全球顶级声学大师哈罗德马歇尔。 1994年获得全球建筑声学设计领域的最 高奖“塞宾奖”，当世惟一仍活跃在建筑 声学设计界的获奖者。,Com

10、pany Logo,反射与扩散构造,吊顶下悬挂的反射板又被形象地称为 “浮云”反射板。浮云反射板一方面为观众席及舞台上的乐师们提供早期声，另一方面又允许部分声音透过它们，在整个大空间内形成较长的混响。“浮云”反射板一般设计成凸弧面，一方面使得反射声的覆盖面更大，另一方面兼有扩散体的作用，增加声场的扩散度 （关于扩散体的问题将在下一节讨论）。图 为丹佛伏埃彻音乐厅的内景，演奏台上方的浮云反射板为观众席提供了早期反射声，改善了乐师间的相互听闻，凸弧面也起到扩散的作用。,Company Logo,反射与扩散构造,浮云反射板设计中需要注意的问题是： 反射板的大小、角度和距离最好不要过于规则，应适当有所

11、变化；反射板占据天花的面积不要过大，排列不要过密，以避免形成频率选择效应。 著名声学家Beranek在1962年设计的林肯中心爱乐大厅(现为Avery Fisher大厅)的浮云反射板就因为上述这些原因而遭到了失败。,Company Logo,反射与扩散构造,我国近期建造的一些音乐厅和多功能剧院也广泛的采用了定向反射结构，图 是上海东方艺术中心音乐厅，在演奏台上方有 个长椭圆形的透明反射板，在大厅围墙附近还悬吊了一些小的椭圆形透明反射板，为固定的区域提供反射声。 在一些多功能剧院内，为了使自然声音乐演出有一个良好的声反射，除了在舞台上设置活动音乐罩外，还在进行自然声音乐演出时在台口外临时悬吊一些

12、定向反射板，如北京保利剧院、东莞玉兰大剧院等，,Company Logo,反射与扩散构造,Company Logo,反射与扩散构造,Company Logo,反射与扩散构造,Company Logo,反射与扩散构造,Company Logo,几何形体的扩散结构,几何形的扩散体通常有圆柱体、球切面、三角锥、三角柱、矩形柱等形式。为了达到有效的声扩散，扩散体的尺寸应与入射声波的波长相当，频率越低即波长越大，则要求扩散体的尺寸也越大。图2-41是几种扩散体，根据经验，它们的尺寸关系可由下式估算： 式中扩散体宽度 （m）； 扩散体凸出高度（m）； 空气中声速 （m/s）； 声波的频率 （Hz）。,Co

13、mpany Logo,几何形体的扩散结构,对于频率 f=100Hz的声音，当声速 =340m/s （常温下声速）时，根据式（2-1）可求得有效扩散体尺寸为： a2.2m，b0.33m 为使扩散体尺寸不致过大，对一般演艺建筑，频率下限可定位200Hz，但对音质要求很高的音乐厅或音乐录音棚则频率下限至少要定为80Hz。这时a2.71m，b0.41m,Company Logo,几何形体的扩散结构,关于各种形体的声扩散作用，有人对圆柱体和三角柱体作过实验，其结果是圆柱体略优于三角柱体，中高频优于低频，单体的不如连体的效果。,Company Logo,几何形体的扩散结构,厅堂采用几何形扩散体的实例很多。

14、图2-44为柏林爱乐室内乐厅顶部的锥状扩散体，零散分布的三角锥形造型为大面积的顶棚增加了活跃的元素，成为整个大厅室内的有机组成部分。图2-45为欧洲某音乐厅墙面的蛋形扩散体，装修效果极具个性，是声学和装修，以及听觉与视觉的完美组合。,Company Logo,数论扩散结构,MLS扩散体： 1975年，德国声学家施罗德根据数论中的一种周期性伪随机序列 MLS而提出 MLS扩散体。 MLS称为最大长度序列，是一种数论算法，其扩散声音的原理是，声波到达墙面的某个凹凸槽后，一部分入射到深槽内产生反射，另一部在槽表面产生反射，两者接触界面的时间有先后，反射声会出现相位不同，叠加在一起成为局部非定向反射，

15、大量不规则排列的凹凸槽整体上形成了声音的扩散反射。MLS扩散墙面的设计需要进行数学计算，并在声学实验室中测量设计方案的效果。,Company Logo,数论扩散结构,MLS扩散体的沟槽深度为扩散声波波长的 1/4，例如500Hz的声波波长为 68cm，如果要扩散 500Hz的声音，则扩散体的 沟 槽的深度为 17cm。因此这种扩散体对于频率有很强的选择作用，只在沟槽深度4倍波长的频率附近的一个倍频程内有较强的扩散作用，对于其他频率则接近镜面反射。由于这个原因，MLS扩散体的使用受到很大的限制。,Company Logo,数论扩散结构,国家大剧院戏剧场的MLS声扩散墙面： 戏剧场观众厅墙面采用了

16、MLS设计的声扩散墙面，看上去象凸凹起伏的、不规则排列的竖条，目的是扩散、反射声音，可保证室内声场的均匀性，使声音更美妙动听。 戏剧场MLS声扩散墙面 在清华大学建筑物理实验室声扩散测试 戏剧场MLS墙面的凹槽深度15cm,每个凸起或凹陷的单元宽度约20cm，面层为约4cm厚的木板外贴红色装饰布，凸起单元内部填充高密度岩棉。其热烈夺目的视觉氛围和神秘十足的声学造型，为戏剧场增添了令人遐想的艺术效果。,Company Logo,数论扩散结构,QRD扩散体 针对MLS扩散体的局限性，施罗德开始寻求在更宽频率范围内有扩散作用的扩散体。由于扩散频率和沟槽的深度有关，于是想到将沟槽的深度加以变化。1979年，施罗德基于二次剩余序列提出了 QRD(Quadratic Residue Diffusor)扩散体。QRD扩散体的表面是由许多宽度相同而深度不同的沟槽排列而成，沟槽的深度是按二次剩余序列排列的，每个沟槽之间用刚性的翼片隔开。,Compan