声波的基本物理性质在线视频

同学们好

今天我们讲建筑声环境

建筑声环境这一节的内容包括四方面

首先是建筑声环境的基本知识

其次是人体对声环境的反应原理与噪声评价

第三部分 声音传播与衰减的原理

最后 我们给大家讲一讲

噪声的控制与治理方法

首先给大家介绍一下

建筑声环境控制的意义

我们生活在一个充满着声音的世界

人对外部信息的感觉

30%是通过听觉得到的

也有调研表明

住宅里面

人们抱怨最多的事实上就是噪声的问题

可见声环境的重要性

因此 创造一个良好的满足我们要求的声环境

首先就是可以保证我们居住者的健康

其次 还可以提高劳动生产率或者说是工作效率

此外 也是工艺过程的要求

比如说录音棚演播室里面的声音要求

以及高保真的音乐厅里面的声音的要求等等

建筑声环境的营造

涉及建筑围护结构材料的隔声问题

还有室内空调设备

机械设备等产生的噪声的控制

常见的还有开敞式办公房间的噪声控制

室外环境噪声对人的干扰

以及像剧院 音乐厅 电影院 报告厅 多功能厅

和大容积的非演出性的厅堂的室内声环境的设计等等

总体来看

对于我们传统的暖通专业的同学而言

建筑声环境的相关知识是一个拓展

我们学习的重点主要是声音的基本原理

和噪声的控制方法

下面给大家介绍第一节内容

建筑声环境的基本知识

包括声音的基本物理性质和声音的计量等

我们先来回顾一下

声音是什么

其实关于声音

我们自古就有记载

例如《礼记·乐记》里面指出

感于物而动

故形于声……

这个就是我们古代的一个描述

那么按照现代科学的界定

声音指的是在弹性媒质中传播的机械波

例如 空气中的声波是一种压强波

声音的传递过程包括三个基本的要素

就是声源 传声途径和接收者

其中声源包括振动的固体 液体或者是气体

而媒介包括空气 水 固体等等

其特性可以用下面这个公式表示

波长λ 频率f 声速c

也就是波长等于声速除以频率

就是说在同一个传播的媒介里面

频率越高

波长越短

波长和频率是成反比的关系

这里面我们要给大家强调的两点

第一 声压是空气压强的变化量

而不是空气本身的压强

第二 声音的传播过程是一个状态的传播过程

而不是空气的质点在传输的一个过程

这两个方面非常重要

下面我们给大家介绍一下声音的传播速度

声波在介质中的传播速度

也就是声速

声速是和媒质的弹性 密度和温度有关

空气中的声速c和空气的压强及密度有关

对于理想气体的情况

我们可以用下面这个公式来计算

就是声速C等于kRT的乘积 然后我们再开一个平方根

其中k指的是绝热指数

R的话是气体常数

T是绝对温度

空气中声速是温度的一个单值函数

在建筑环境领域里面 它的变化范围很小

一般我们都近似为340 m/s

这里也给出典型的固液体中的声速的情况

例如 在钢中

声速可以达到5000 m/s

在松木中是3320 m/s

在水中是1450 m/s

而在软木中是500 m/s

下面介绍声音另外一个特征

频带

人的耳能听到的声波的频率范围

大概是在20～20000 Hz之间

低于20 Hz的声波 我们称之为次声

而高于20000 Hz的我们称之为超声

次声和超声都不能够被人的耳朵听到

这张图给大家展示了

从31.25Hz到8000Hz范围内

常见的声音及其频率范围

一般我们可以分为

低频 中频和高频三个频带

不同的领域对于低频 中频和高频的划分

有所不同

这里给出的仅仅为一个示意

需要指出的是

我们常见的声音

比如道路交通噪声 锯圆木的噪声

电话铃声 都属于全频音

低音提琴发出的声音都属于低频音

而像小号则属于中频区

短笛等是属于高频区

按照前面我们说的声速是340m/s

事实上只要我们知道一个频率

就可以很方便地把它的波长计算出来

例如小号的频率是500Hz

计算得到它的波长就是0.68米

人的耳朵接收到的空气中的声压

随时间的变化 我们称之为声音

简谐声波的声压随时间变化的规律

是一个简谐函数

亦称之为纯音信号

这样的声波被称之为简谐声波

是声波中最简单 最基本的形式

描述一个简谐声波

只需要频率f和声压幅值Pm两个独立的变量

f确定了它的音调

而声压的幅值Pm确定了声音的强弱

也就是我们通常说的响度的大小

周期性的声信号又称之为复音

例如一些管弦乐器发出的声音

其频谱图可以表示为

在基频从f0到2f0、3f0、……nf0……处的

一系列高低不等的竖直线

我们也称之为线状谱

或者称之为离散谱

复音音调的高低取决于基频

而音色取决于谐频分量的构成

下面讨论一下乐声的线状谱

乐器发出的声音

其音调的高低取决于基频

而音色取决于谐频分量的构成

同样的音量和音调上不同的音色

就好比同样的色度和亮度

配上了不同的色相的感觉一样

以后我们在学习光环境的时候

同学们可以进一步做一下对比

下图是基频为440HZ的小提琴频谱图

可以看出

它的基频是440HZ

而谐频则是440的倍数

比如880，1320，1760……等等

普通的声响频谱一般为连续的频谱

人们所认为的噪声

一般不是周期性的信号

不能用离散的简谐分量的叠加来表示

而是包含着连续的频率成分

表示为连续谱

如图所示的几种噪声的频谱

包括道路交通噪声 圆锯声和小卖部的噪声

大家可以看到 就是连续的频谱

在通常的声学测量中将声音的频率范围

分成若干个频带

以便于工作

那么在建筑声学中

频带的划分通常是以各个频率的频程数n来划分的

两个频率之比为2:1的频程

一般用倍频程划分它的频带

国际标准化组织ISO和我国国家标准

对倍频带划分的标准规定为

中心的频率分别是

31.3、63、125、250……

这样一直下去 直到8000 Hz

下面介绍一下声音的计量

包括声功率 声强和声压三个参数

声功率用W表示

是指声源在单位时间内向外辐射的声能

单位为W或者是μW

也可特指在某个有限频率范围内

所辐射的功率

亦称之为频带声功率

声强用I来表示

指的是单位时间内通过垂直于传播方向上

单位面积的平均的声功率

它的单位是W/m2

声压的话用p来表示

指的是声波的压强和媒质的静压之间的差

单位是Pa

声强和声压的关系可以用这个公式来表示

即声强等于声压的平方

再除以声速c和媒介密度ρ的乘积

下面介绍一下人的听觉范围

这是一个量级差非常大的范围

人耳刚刚能够感受到的声音称之为可闻阈

对应的下限的声强为10-12 W/m2

下限的声压为2×10-5 Pa

而使人烦恼

即烦恼阈对应的声强为1W/m2

声压为20 Pa

人能够忍受的上限声强为100W/m2

上限的声压为200 Pa

称之为痛阈

可以看出

人的耳朵容许的声强范围为1万亿倍

声压也相差到了100万倍

由于声强与声压的变化与人耳感觉的变化

是与它们的对数值近似的成正比的

因此引入了“级”的概念来进行描述

它的单位是分贝

这里给出了声强级

声压级和声功率级的计算公式

可以看出

都是以10为底的对数计算得到的结果

其中分母都是可闻阈对应的

声强 声压和声功率值

下面介绍一下声源的扩散和叠加的特性

我们先看一下一个点声源 它的声功率和声强

可以认为点声源的声音是以一个

球面扩散的方式来传播的

因此它的声强I就等于声功率除以4πr的平方

无论是点声源或者是平面波的声源

我们都可以推导出声强是可以直接叠加的

也就是说

这个I是等于每个分量i的直接的代数和

因此 总的声压是各个声压的均方根

也就是P等于ΣPi的平方 求和之后再开一个平方根

但是 声源声级的叠加是非线性的

因为有一个log在里面

对于两个声源的叠加

我们可以用下面这个公式来进行计算

就是L=L1+10lg(1+10-(L1-L2)/10)

这么一个方式来求

对于这个I、P、W都可以用这样的一种方式来进行计算

如果是n个相同的声源叠加

那么的话

得到的一个结果就是L=L1+10lgn

很好计算

如果是对于两个相同的声源来叠加

那么它的声级就是增加了10 lg2 = 3 dB

声压级的叠加 我们可以用下面这张图来进行计算

首先我们从纵坐标里面查出声压级差（Lp1－Lp2）

所对应的一个附加值

然后再把它加在较高的那个声压级上

这样的话就可以得到总的声压级

可以看出

如果两个声压级 它的差别超过了10 甚至是15dB

那么附加值小于1dB

我们可以忽略不计

下面介绍一下声源的指向性

声源在辐射声音的时候

声音强度分布的一个重要的特征为指向性

当声源的尺度比波长小得多时

我们可以把它当成是一个没有方向的“点声源”

在距离声源中心相同的距离的声压级是相等的

当声源的尺寸和波长相差不多或者更大的时候

它就不能够看作是点声源了

而应看成是有许多点声源的一个组成

叠加后各个方向的辐射就不一样

因此具有一个指向性

也就是距离声源中心

等距离的不同方向的空间位置处

它的声压级不相等

如果声源的尺寸比波长大得越多

那么它的指向性就越强

在距离声源相同的距离r处

某个方向(θ, φ)的实际声压级Lp(r, θ, φ)

与参考的声压级之间的差别

我们就称之为该点的指向性的指数DI

它的单位是dB

另一种声源指向性指标叫做指向性因数Q

它定义为实际的声强与参考声强的比值

很显然 它与前面说的指向性指数DI存在这样的关系

也就是DI=10lgQ

对于指向性因数Q

有这么几个特点 我们要注意

一是声源的尺寸比波长大得越多

它的指向性就越强

其次是指向性大小

与边界对声波自由扩散的阻碍有关

比如说处在房间的喇叭状的角落

它的指向性就最强

这几张图里展示的

当无指向性的点声源在完整的自由空间的时候

指向性因数Q等于l

当无指向性的声源

贴近一个壁面 比如说墙面或者是地面的时候

声能的话 就是辐射到半个自由空间的时候

Q就等于2

在室内两个界面的交角处

也就是1/4自由空间的时候

Q就等于4

在三个界面交角处

也就是1/8自由空间的时候

Q就等于8

如果声源不是点声源

则其指向性因数与声源的面积S0

以及它的频率f都有关系