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1、第三讲第三讲 室内声学基本原理室内声学基本原理问题同一声源在室内发声与在室外发声，人听起来是否相同？室内声音相比于室外声音有哪些不同的现象？ 如何做好厅堂音质设计？3.1 室内声音传播及现象3.1.1 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：距离增加一倍，声压级减少6dB。证:对于存在地面反射的情况，有：3.1.2封闭空间中声音的特性与与室外情况很不同。形成室外情况很不同。形成“复杂声场复杂声场”。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
2、，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。以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或散射射或散射。封闭空间中声音的各种现象1.直达声衰减2.听众对直达声吸收3.界面对声音的反射吸收。4.界面交角对声音的反射和吸收。5.声音扩散6.声音衍射7.声影区8.反射板反射9.薄板板共振10.驻波现象11.声音透射3.2 室内几何声学应用及作图分析法几何声学：用几何作图的方法来分析声音传播、反射等现象。统计声学：用数学及数理统计的方法来分析声音传播、反射等现象波动声学：用波动理论来分析声音传播、反射等现象对于建筑师来讲，统计声学
3、和波动声学的理论过于繁杂,可以少些关心复杂的理论分析和数学推导。学习简单的几何声学原理对于掌握几何声学原理对于掌握解决实际问题的方法和计算公式，解决实际问题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义是很重要特别是弄清楚物理意义是很重要的的.3.2.13.2.1几何声学应用条件几何声学应用条件当物体尺寸相比于声波波长足够大当物体尺寸相比于声波波长足够大时，可以用声线作图法来研究声音时，可以用声线作图法来研究声音的传播现象。的传播现象。几何声学所适用的波长范围: C=f=340m/sf=63Hz8000Hz时,=5m4cm低频声：63Hz125Hz =5m2.5m,房间太小，将不适用;房间太大，声波遇
4、到尺寸小的障碍物如柱子或小的反射板，有明显的声衍射，扩散反射也不明显。中频声：500Hz1000Hz =68cm34cm ，遇大的墙，天花板会形成声反射，而遇到室内大量存在的与波长相近的构件或装修表面时（如柱子、天花板、井藻、线脚等）形成扩散反射。高频声：2000Hz8000Hz =17cm4cm ，对小构件会形成声影，大部分符合几何声学原理前提条件。3.3.2 3.3.2 几何作图特点几何作图特点: :三线一面，两角相等三线一面，两角相等; ; 虚声源原理虚声源原理: :声源与虚声源的连线声源与虚声源的连线垂直于反射面垂直于反射面( (延长面延长面) )并对称并对称, ,由由此可作出反射声线
5、或定出反射点。此可作出反射声线或定出反射点。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。用声线用声线作图确作图确定平直定平直反射板反射板的尺寸的尺寸用虚声源作曲面反射声线用虚声源作曲面反射声线3.3 混响过程和混响时间计算原理3.3.1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。声音在房间内某点的声压3.3.2声音的混响过程及混响时间A稳态声压级：当声源连续发生时，房间对声能的吸收与声源所发声能相等时的室内声压级称为稳态声压级。B.声音的混响过程:室内声源停止发声后，声音不会马上消
6、失，会有一个交混回响的过程.(声源停止发音后，可以听到的声音的延续现象.特性：是由于声反射引起，是封闭空间中特有的现象；取决于内表面对声音的反射和吸收；可以加强声音，使声音丰满。C.混响时间：声源停止发声后,声音从稳态声压级衰减60dB所经历的时间.T60表示,单位为s之所以定为衰减60是因为人耳听觉上限一般不会超过90dB，而30dB基本上与环境背景噪声同,人耳几乎感受不到。与那些因素有关？ 混响时间与房间体积有关与室内吸声状况有关。 混响时间长有利于声音丰满，但过长不利于听音清楚，过短又有声音干涩和强度变弱。C. 室内表面吸声量及的平均吸声系数混响室界面全反射，声能在声音停止后，无限时间存
7、在。普通厅堂房间等界面部分反射，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。3.3.3混响时间计算实际的混响衰减曲线。到二十世纪，赛宾（Wallace Clement Sabine，1868-1919）（哈佛大学物理学家、助教） ，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，在1898年第一个提出对厅堂物理性质作定量化计算混响时间公式赛宾公式。确立了近代厅堂声学，从此，厅堂音质设计的经验主义时代结束了。A. 赛宾(Sabine)公式公式适用于：B.伊林（Eyring)公式4m:空气吸收系数
8、，空气吸收=4mV当频率取=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关，通常取相对湿度60%,温度20oC时，4m为2KHz0.009 4KHz 0.022计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率C. 混响时间计算的不确定性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 造成声场分布不均匀，扩散不完全计算用材料吸声系数与实际情况有误差一般误差在10%15%计算T60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D.后来的理论分析结果 室内声音的增长、稳态和衰减3.4 室内声
9、压级计算及混响半径直达声，反射声叠加形成封闭空间声场，当室内声源声功率一定时，稳态时，在室内距离声源为r的某点声压级可以预计。室内稳态声压级的计算公式为：公式前提：1）点声源;2）连续发声;3）声场分布均匀声功率级指向性因数Q=1,2,4,8房间常数混响半径 (临界距离):直达声与混响声相等的点距声源的距离径称为混响半径.混响声能密度=直达声能密度=混响半径 只有在与声源的距离大于rc时，改变室内吸声量才会对声场特性有影响， rc的估算对于吸声减噪和在播音室内正确确定接收器（传声器）与声源的距离均有实际意义。 3.5 驻波与房间的共振原理声波的产生与传播A、驻波：两列频率相同的波在同一直线上相
10、向而行,叠加后所行成的波.(驻定的声压起伏，是由同种声波相向而行叠加而成.)a.反射波与入射波关于反射面对称。b.距离反射面L处的声压叠加等于同一列波相距2L的两点声压叠加.c.距离2L=(2n+1)/2时两列波压力相反，叠加点不振动,为波节。d.距离2L=2n/2时两列波压力相同，叠加振动加大,为波腹。e.驻波的波形没有传播,波节和波腹点不变,相距/4. 房间共振：一维情况: 或可见,对于两面平行的墙体,能有很多种频率可在其间产生驻波.对于一房间(Lx,Ly,Lz),能在其中产生驻波的频率数更多,由下式确定.其中, 是为零或正整数,但不同时为0. 这些频率称为房间的简正频率,房间在其某一简正
11、频率的声波作用下,会产生振动,称为房间共振。三种共振方式：轴向共振切向共振斜向共振以7*7*7m 的房间各共振方式的最低简正频率计算为例：简并现象：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为共振频率的“简并”。简并出现时，共振频率的声音被大大加强，形成频率特性的失真（低频会产生嗡嗡声，）称为“声染色”（coloration)房间共振频率总数：V为体积，S为总内表面积，L为各边之和。防止简并现象的根本原则是：使共振频率分布尽可能均匀。具体措施有：1）选择合适的房间尺寸、比例和形状；2）将房间的墙或天花做成不规则形状；3）将吸声材料不规则地分布在房间的界面上。END!11.人耳听觉定
12、位有什么特点？12.简述哈斯效应及其在室内音质设计中的应用。13.什么是等响线？从等响线图说明人耳对声音的感受特性。作 业(1)有一厅堂如右图所示,现要在天棚上加反射板对1000Hz的声音进行有效反射,反射板宽度致少多大?要所有坐位区都得到反射声,用作图法在纵横剖面上定出反射板的位置和大小.(2) 什么是混响时间? 一个矩形厅堂尺寸为长25m宽20m高8m,观众席座位数为820，坐席所占地面积424 m2。在500Hz每位观众的吸声量为0.4m2,每个空座吸声量为0.3 m2，大厅内各表面的平均吸声系数为0.25，试求该厅堂空场时500Hz的混响时间。上坐2/3时500Hz的混响时间。(3)上述大厅的房间常数R是多少?混响半径rc是多少?如果演唱者的声功率级为80dB,指向性因子为1,混响半径处声压级为多少?(4)产生驻波的必要条件是什么?1000Hz声音产生的驻波,离壁面最近的波节其距壁面距离为多少?(5)为了消除房间的声染色,可采取哪些措施?
