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第二講聲環(huán)境設(shè)計的基本知識,一、聲音的基本性質(zhì),聲音產(chǎn)生于振動，振動的物體是聲源。“聲”由聲源發(fā)出，“音”在傳播介質(zhì)中向外傳播。,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲音的產(chǎn)生和傳播,在空氣中，聲源的振動引起空氣質(zhì)點(diǎn)間壓力的變化，密集（正壓）稀疏（負(fù)壓）交替變化傳播開去，形成波動即聲波。,一、聲音的基本性質(zhì)———之頻率、波長與聲速,描述聲音的基本物理量：f：頻率，每秒鐘振動的次數(shù)，單位Hz(赫茲）?：波長，在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點(diǎn)距離。單位沒m(米)。聲波完成一次振動所走的距離。C：聲速，聲波在某一介質(zhì)中傳播的速度。單位m/s。在空氣中聲速：在0oC時，C鋼=5000m/s,C水=1450m/s在15oC時，C空氣=1450m/s參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f*?或?=c/f人耳可聽頻率范圍為20Hz~20KHz,20KHz為超聲其中，人耳感覺最重要的部分約在100Hz~4000Hz,相應(yīng)的波長約3.4m~8.5cm,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的繞射、反射和散射,波陣面：聲波從聲源發(fā)出，在某一介質(zhì)內(nèi)按同一方向傳播，在某一時間到達(dá)空間各點(diǎn)的包絡(luò)面稱為波陣面。球面波：點(diǎn)聲源發(fā)出的波，聲線與波陣面垂直。如人、樂器。,平面波：波陣面為平面的波，聲源互相平行，如線聲源，多個點(diǎn)聲源疊排。,聲波的繞射聲波在傳播過程中遇到障礙或孔洞時將發(fā)生繞射。繞射的情況與聲波的波長和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的繞射、反射和散射,聲波的反射當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波長大得多的障礙時，聲波將被反射。類似于光在鏡子上的反射。,反射的規(guī)則：1）入射線、反射線法線在同一側(cè)。2）入射線和反射線分別在法線兩側(cè)。3）入射角等于反射角。Li=L?,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的繞射、反射和散射,散射當(dāng)障礙物的尺寸與聲波相當(dāng)時，將不會形成定向反射，而以障礙物為一子波源，形成散射。,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的繞射、反射和散射,干涉當(dāng)具有相同頻率、相同相位的兩個波源所發(fā)出的波相遇疊加時，在波重疊的區(qū)域內(nèi)某些點(diǎn)處，振動始終加強(qiáng)，而在另一些位置，振動始終互相削弱或抵消，這種現(xiàn)象叫做波的干涉。,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的干涉和駐波,普遍存在的共振現(xiàn)象：暖瓶倒水、口腔發(fā)聲等等。在房間內(nèi)存在共振現(xiàn)象：駐波,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的干涉和駐波,一、聲音的基本性質(zhì)———之聲波的透射與吸收,聲波具有能量，簡稱聲能。當(dāng)聲波碰到室內(nèi)某一界面后(如天花、墻)，一部分聲能被反射，一部分被吸收(主要是轉(zhuǎn)化成熱能)，一部分穿透到另一空間。,透射系數(shù)：反射系數(shù)：吸聲系數(shù)：,不同材料，不同的構(gòu)造對聲音具有不同的性能。在隔聲中希望用透射系數(shù)小的材料,防止噪聲。在音質(zhì)設(shè)計中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場。,二、聲音強(qiáng)弱的計量——聲功率、聲強(qiáng)、聲壓,聲波是能量的一種傳播形式。人們常談到聲音的大小或強(qiáng)弱，或一個聲音比另一個聲音響或不響，這就提出了聲音強(qiáng)弱的計量。2.1.1聲功率、聲強(qiáng)、聲壓1、聲功率：單位時間內(nèi)物體向外輻射的能量W。（瓦或微瓦）聲功率是聲源本身的一種重要屬性。人正常講話——50?W,100萬人同時講話50W,相當(dāng)于一個燈泡。訓(xùn)練有素的歌手——5000~10000?W。汽車?yán)取?.1W,噴氣飛機(jī)——10KW。在廳堂設(shè)計中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問題。2、聲強(qiáng)：單位時間內(nèi)通過聲波傳播方向垂直單位面積上的聲能。對于點(diǎn)聲源有：3、聲壓：指在某一瞬時壓強(qiáng)相對于無聲波時的壓強(qiáng)變化。符號P。單位N/m2(牛頓/米2)，或Pa(帕斯卡）,二、聲音強(qiáng)弱的計量——聲壓級、聲功率級及其疊加,由于以下兩個原因，實(shí)際應(yīng)用中，表示聲音強(qiáng)弱的單位并不采用聲壓或聲功率的絕對值，而采用相對單位——級（類似于風(fēng)級、地震級）1）聲壓對人耳感覺的變化非常大1000Hz的聲音，聽覺下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。2）人耳對聲音強(qiáng)弱的變化的感受并不與聲壓成正比，而與聲壓的對數(shù)成正比，兩個同樣的聲源放在一起，感覺并不是響一倍。1、聲壓級Lp取參考聲壓為Po=2*10-5N/m2為基準(zhǔn)聲壓，任一聲壓P的Lp為：聽覺下限：p=2*10-5N/m2為0dB能量提高100倍的P=2*10-3N/m2為20dB聽覺上限：P=20N/m2為120dB2、聲功率級Lw取Wo為10-12W,任一聲功率W的聲功率級Lw為：,3、聲壓級的疊加10dB+10dB=?0dB+0dB=?0dB+10dB=?答案分別是：13dB,3dB,10dB.幾個聲源同時作用時，某點(diǎn)的聲能是各個聲源貢獻(xiàn)的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻(xiàn)的聲壓平方和的開根號。即：聲壓級為：,二、聲音強(qiáng)弱的計量——聲壓級、聲功率級及其疊加,三、聲音的頻譜與聲源的指向性——之聲音的頻譜,1、聲音的頻譜頻譜——表示某種聲音頻率成分及其聲壓級組成情況的圖形傅立葉理論及現(xiàn)代信號處理技術(shù)證明：理論上，任何振動的波形都可以分解為若干單頻簡諧振動的合成。,分立譜：如弦振動產(chǎn)生的聲音。連續(xù)譜：談話、機(jī)器的噪聲，大多的自然聲。,如何獲得聲音的頻譜：使用帶通濾波器進(jìn)行測量或使用傅立葉數(shù)學(xué)分解。頻譜通常根據(jù)需要分成若干個頻帶，帶寬（Band)可寬可窄，是人為取定的。最常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶。,三、聲音的頻譜與聲源的指向性——之聲音的頻譜,在進(jìn)行聲音計量和頻譜表示時，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級值使用整個頻帶聲壓級的疊加。,倍頻程：通常將可聞頻率范圍內(nèi)20~20Hz分為十個倍頻帶，其中心頻率按2倍增長，共十一個，為：1631.5631255001K2K4K8K16K1/3倍頻程：將倍頻程再分成三個更窄的頻帶，使頻率劃分更加細(xì)化，其中心頻率按倍頻的1/3增長，為：12.516202531.540506380100125160...,三、聲音的頻譜與聲源的指向性——之聲音的頻譜,三、聲音的頻譜與聲源的指向性——之聲源的指向性,聲源發(fā)出的聲音在各個方向上分布不均勻，具有指向性.聲源尺寸比波長小得多時，可看作點(diǎn)聲源，無指向性。聲源尺寸比波長差不多或更大時，聲源不再是點(diǎn)聲源，出現(xiàn)指向性。人們使用喇叭，目的是為了增加指向性。,四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳的結(jié)構(gòu),人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo),四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳的聽覺范圍,最高最低頻率可聽極限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。,最小最大可聽極限人耳有一定的適應(yīng)性，常人上限為120dB,經(jīng)常噪聲暴露的人有可能達(dá)到135~140dB。下限頻率與頻率有關(guān)。最小可辯閾（差閾）聲壓級變化的察覺：一般是1dB3dB以上有明顯感覺頻率變化的察覺：一般是3%，低頻時3Hz。,四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳的聽覺定位,人耳判斷聲源的遠(yuǎn)近比較差，但確定聲源的方向比較準(zhǔn)確。人耳判斷聲源的方位主要靠雙耳定位，對時間差和強(qiáng)度差進(jìn)行判斷。人耳的水平方向感要強(qiáng)于豎直方向感。通常，頻率高于1400Hz強(qiáng)度差起主要作用；低于1400Hz時，時間差起主要作用。這就是人為什么對蚊子的定位比較準(zhǔn)而對電話鈴聲的定位比較差的原因。,四、人耳的主觀聽覺特性——之哈斯(Hass)效應(yīng),人耳有聲覺暫留現(xiàn)象，人對聲音的感覺在聲音消失后會暫留一小段時間。如果到達(dá)人耳的兩個聲音的時間間隔小于50ms，那么就不會覺得聲音是斷續(xù)的。直達(dá)聲到達(dá)后50ms以內(nèi)到達(dá)的反射聲會加強(qiáng)直達(dá)聲。直達(dá)聲到達(dá)后50ms后到達(dá)的“強(qiáng)”反射聲會產(chǎn)生“回聲”——哈斯效應(yīng)。根據(jù)哈斯效應(yīng)，人耳在多聲源發(fā)聲內(nèi)容相同的情況下，判斷聲源位置主要是根據(jù)“第一次到達(dá)”的聲音。因此，劇場演出時，多揚(yáng)聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問題。,四、人耳的主觀聽覺特性——之掩蔽效應(yīng),人耳對一個聲音的聽覺靈敏度因另外一個聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩蔽效應(yīng)。一個聲音高于另一個聲音10dB,掩蔽效應(yīng)就很小。低頻聲對高頻聲的掩蔽作用大。,四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳頻率響應(yīng)與等響曲線,人耳對不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對于底于1000Hz和高于4000Hz的聲音，靈敏度降低。不同頻率，相同聲壓級的聲音，人聽起來的響度感覺不一樣。以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測聽起來和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級構(gòu)成一條曲線叫“等響曲線”。響度單位是“方”。隨著聲壓級的提高，對頻率的相對敏感度也不同聲壓級高，相對變化感覺??；聲壓級低，相對變化感覺大。,40方等響,四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳頻率響應(yīng)與等響曲線,聲級線性聲級（L聲級）將各個頻帶的聲音級疊加，得到線性聲級。,四、人耳的主觀聽覺特性——之人耳頻率響應(yīng)與等響曲線,A聲級A聲級是使用40方等響曲線作為計權(quán)網(wǎng)絡(luò)對頻譜進(jìn)行加權(quán)，之后再進(jìn)行頻帶疊加。A聲級對500Hz以下的聲音進(jìn)行較大衰減，模擬人耳對低頻不敏感的特性。A聲級的數(shù)值單位表示是dB(A),如60dB(A)。,A、B、C、D計權(quán)網(wǎng)絡(luò),A:模擬人耳響應(yīng)，40方等響曲線作為計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。B:以70方等響曲線作為計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，低頻衰減比A聲級小。C:以85方等響曲線作為計權(quán)網(wǎng)絡(luò),整個可聽范圍內(nèi)衰減小。D:主要用于航空噪聲測量。,