建筑物理 第3章 材料和结构的声学特性
建筑物理声学课件
声功率的值一般很小，如一般人讲话声音的声功率大约为几 十微瓦；400万人同时讲话的声功率相当于一个普通灯泡的电功 率；即使一个训练有素的女高音，其声功率也只有几千微瓦。 注意：A 声源声功率的指向性（特定性）； B 声功率与电声系统的电功率之区别。
23
2.声强I 定义: 垂直于传播方向，单位面积上通过的平均声功率。 常用“ I ”表示，显然： I = W/S 单位：W/㎡ 对于点声源，由于其声波是球面波，在无反射的自由声场中 其声强为：
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人的听觉阈
可闻阈： 人耳刚刚能感受到的声音。
W 0 = 10 −12 W I 0 = 10 −12 W / m 2 P0 = 2 × 10 − 5 p a
痛阈： 闻之人耳有疼痛感。
W
max
= 1w
2
I max = 1 w / m P max = 20 p a
22
§2 声音的计量
1.声功率W 定义:声源在单位时间内向外辐射声能的多少。指在全部可听 范围内所辐射的声能；也可特指在某个有限频率范围所辐射的声 能，此称频带声功率。
T60 = K
V
− S ln 1 − α
(
)
伊林公式的不足（大空间，考虑空气吸声时）
哈里斯混响时间计算公式
T60 = K V − S ln( 1 − α ) + 4mV
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§5 人对声音的感受
1）听觉阈 2）响度及响度级 3）双耳听闻效应—方位感 4）掩蔽效应及规律 5）哈斯效应—回声感
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声音的测量—声级计
被掩蔽音的声压级dB
掩蔽音的声压级
弊：听不清要听的内容，将 降低工作效率。 利：避免一些噪声的干扰， 可提高工作效率。
建筑与城市物理环境概论---声环境
鞭打妻子，这不是为了保护妇女， 而是因为挨打妇女的叫声会干扰邻
1992年联合国环境保护署(UNEP)发表的报 告《环境状况——拯救我们的星球》，其中 关于噪声污染方面，报告指出，“与10年前 相比，噪声已经成为一个更加严重的问题， 特别是在许多发展中国家，噪声污染日趋严 重。在马尼拉、曼谷、开罗和许多其他城市， 它成为一个主要的环境问题”。
50ms前到达的声能/全部到达的声能 1962年，Beranek出版《Music Acoustics and Architecture》
提出初始延迟间隙(initial-time-delay gap)：第一个反射声相对于直达声 的延迟时间，与亲切感（intimacy）有关； 1967年，Marshall提出側向反射声对音质的重要性； 1968年，Barron提出空间感的客观量度S： 早期（5~80ms）側向反射声能/早期（0~ 80ms）非側向反射声能 1970年，Jordan提出“早期衰减时间”EDT； 1974年，Abdel Alim提出明晰度（clarity）C,用于音乐的清晰度：
布朗（M．Barron）组织20个有经验的音质评价人员，大部 分为声学顾问，对英国的11个厅堂进行了现场评价。评价者在厅 内不同的位置听音，根据问卷调查对各主观指标作出评价。最后 对厅堂总的音质分成7个级别，从“顶级”到“很差”。结果显示 5个音质指标，即明晰度、混响感、环绕感、亲切感和响度是相互 独立的，而厅堂音质的总印象与混响、环绕感、亲切感的相关性 最高。同时，也发现评价人员对于厅堂音质有不同的偏好，一部 分倾向于混响感，而另一部分则倾向于亲切感。
纽约 Carnegie Hall
1891建，1986和1989年 改建
建筑物理(声)课堂笔记.
建筑物理（声）课堂笔记第一章基础知识建筑声学的两大任务：噪声控制，音质设计。
课程内容：1、声音的基本性质：声音的产生和传播2、人对声音的感知和评价：心理和生理声学3、室内传声质量4、材料和构件的吸声和隔声性能5、建筑物内外噪声控制当前建筑设计中存在的若干声学问题：1、大量住宅建设中的隔声问题2、各类厅堂中的室内音质问题3、轻薄结构和预制构件带来的隔声新问题4、施工和建筑内的机械设备5、城市噪声环境6、重造型、轻功能声环境控制的意义：创造良好的满足要求的声环境1、保证良好的听闻条件2、保证安静的环境，防止噪声干扰3、保证工艺过程要求（录音棚、演播室等）声音的产生是物体振动的结果，这些物理波动现象引起听觉感觉。
建筑声学考虑的问题都与主观听觉有关，因此频率、强度有限听觉的频率范围：20—20000Hz,正常频率100—8000Hz小于20Hz是次声波，如潜艇；大于20000Hz是超声波，如海豚。
声学的频带：把声频范围划分成几个频段，叫做频带，度量单位为频程。
频带宽度：△f=f2-f1频带中心频率：f c=错误！未找到引用源。
倍频程：两个频率之比为2:1的频程声音的传播声速与媒质的弹性、密度和温度有关。
空气中的声速：理想气体中c=错误！未找到引用源。
声压是空气压强的变化量而不是空气压强本身。
声音传播过程是一个状态传播过程，而不是空气质点的输运过程。
本质是能量的传播。
声源的种类：1、点声源（如嘴巴），尺寸小于1/7波长，波阵面为球面；2、线声源（如西大直街），单一尺寸小于1/7波长，波阵面为柱面；3、面声源，波阵面为平面。
波阵面是波形中振动相同的点所组成的面。
反射定律：1、入射角=反射角；2、入射线与反射线在法线两侧；3、入射线、法线、反射线在同一平面内。
透射系数：τ=Eτ/E0 ；反射系数：γ=Eγ/E0 ；吸声系数：α=1-γ=1- Eγ/E0一般情况下，透射部分的能量要小于反射部分的能量。
τ小的材料成为“隔声材料”，γ小的材料称为“吸声材料”。
建筑物理声学分析解析
计算式为：
fnx ,ny,nz2 c L nxx2L nyy2L nzz2
其中： fnx,ny,nz—简正频率（Hz） Lx，Ly，Lz——分别为房间的3 个边
长 C——为空气中的声速
nx，ny, nz——分别为任意正整数
选择nx，ny, nz为一组不全为零的非负整 数，就为一种振动方式。
5、声音的吸收
在声音的传播过程中，由于振动 质点的摩擦，将一部分声能转化成热 能，称为声吸收。在考虑远距离声传 播时，需考虑声吸收的影响。
声波投射到建筑材料和构件时引 起声吸收，吸收量的大小取决于材料 的有关特性和表面有关状况和构造等。
材料的吸声效率是用材 料对某一频率声音的吸 收系数来衡量的。
当声音达到稳态时，若声源突然停止 发声，室内接收点上的声音并不会立即消 失，而要有一个过程。首先直达声消失， 反射声则将继续下去；每反射一次，声能 被吸收一部分。因此，室内声能密度将逐 渐减弱，直至完全消失。把这一衰减过程 称为“混响过程”或简称混响。
（2）混响时间
混响可能影响人的听觉清晰度，也可 能使声音听起来更丰富。
五、人耳和听觉特性
１、音频、音调和音色
频率、音调和音色是声音的三要素，也 是声音的重要属性。
（1）频率：质点每秒钟振动的次数（Hz） 人耳对声音的反应范围是20～20000Hz 。 在建筑声环境中，下面的频率具有代表 性：
125，250，500，1000，2000， 4000Hz
对于音乐厅和音乐录音棚则需在标准频率 的下限和上限各延伸一个倍频，即增加 63Hz和8000Hz。
Ｃ、哈斯效应——回声感
当声源传来的声音和以一次反射回来
建筑物理复习资料声学部分框架整理
第三部分 声学■有关的声学基本知识（1）声音的产生、传播与基本物理性能； （2）声音的计量； （3）人耳的听觉特性； （4）室内声学原理 ■材料与结构的声学特性 (1)吸声材料与吸声结构；(2)建筑隔声； (3)声扩散处理。
■声环境设计中的噪声控制 ■音质设计（观演建筑）第一章 声音的物理特性和人对声音的感受 ■有关的声学基本知识● 声音的产生、传播与基本物理性能▲声速：340m/s p304频率、波长和声速之间的关系：ג=c/f 波长=声速/频率 ▲人耳听觉范围：20Hz~20kHz ▲倍频带▲声波传播过程中的特点反射 、衍射（绕射） 、散射、干涉、声吸收、声透射 ● 声音的计量▲常用术语声功率（W ，单位w ）：声源在单位时间内向外辐射的声音能量。
声强(I ，单位w/m2 ，10-12～1)：单位面积波阵面上通过的声功率。
声压(p ，单位N/m2，2×10-5～20)：声能密度 cp I 02ρ=▲ 声压级、声强级、声功率级——级、分贝 ①声压变化范围大，实际计量不方便②声压的变化与人耳的听觉特性不一致★级——取一个物理量的两个数值之比的对数 ★人耳对声音变化的反应——对数关系 ▲声级的叠加叠加计算表达式 简便估算法 ▲声音在户外的传播■点声源与平方反比率在距离为r1处的声压级为Lp1，在距离r2=nr1处的声压级为Lp2，则有 Lp2=Lp1-20lg （ r2/r1 ）=Lp1-20lgn 与声源的距离增加1倍，声压级降低6dB■线声源与反比率——距离较近，与声源的距离增加1倍，声压级降低3dB ；距离较远，与声源的距离增加1倍，声压级降低6dB ■面声源●人耳的听觉特性▲听觉范围■最高和最低的可听频率极限:20~20000Hz■最小和最大的可听声压级极限■最小声压级可辨阈：一般1.0dB，实验室环境0.3dB；噪声控制＞10dB有意义。
▲听觉特性■人耳的频率响应与等响曲线几个概念▲响度、响度级：响度：人耳对声音强弱的主观感受，除与声压大小有关外，还与声音频率有关，响度单位为宋（sone）响度级：响度的强弱采用10为底的对数计量时，称为响度级，单位为方（phone）。
柳孝图《建筑物理》课后习题及详解(建筑声学)【圣才出品】
第3篇建筑声学第1章声音的物理性质及人对声音的感受1．什么是正常听觉的频率范围，语言声、音乐声大致的频率范围，以及建筑声环境分析的主要频率范围？答：（1）正常人耳可听的频率范围为20～20000Hz，语言声的频率范围是160～5200Hz，音乐声的频率范围大致是50～11000Hz。
（2）就建筑声环境而言，常用的8个倍频带的中心频率是63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz及8kHz。
250Hz以下的倍频带通常称为低频，500Hz至1kHz 的倍频带是中频，2kHz以上的倍频带称为高频。
2．什么是声音的频谱图？用图分析连续的频谱和只有纯音成分的频谱的区别。
答：声音的频谱图是用来表示声音各组成频率的声压级分布图，其以频率（或频带）为横坐标，声压级为纵坐标。
连续频率成分的噪声的频谱是连续谱，为连续的曲线；纯音成分的频谱是具有单一频率的声音的频谱，其频谱图为一直线段。
图1-1 纯音的频谱图1-2 随机噪音的频谱3．什么是倍频带？倍频带中心频率与其上限频率及下限频率的关系如何？中心频率为500Hz的上限频率和下限频率各是多少Hz？答：（1）倍频带是两个频率限值之间的连续频率，频带宽度是频率上限值与下限值之差。
正常人耳可听的频率范围相当大（20～20kHz），不可能处理其中某一个的频率，只能将整个可听声音的频率范围划分成为许多频带，以便研究与声源频带有关的建筑材料和围蔽空间的声学特性。
（2）倍频带的中心频率须由上限频率与下限频率的几何平均值求得，就是上限频率与下限频率乘积的平方根。
（3）中心频率为500Hz，其上限频率为：=1.414×500=707Hz 下限频率为：=0.707×500=353.5Hz4．倍频带与1／3倍频带有什么关系？列出在建筑声环境频率分析中常用的倍频带中心频率和1／3倍频带中心频率。
答：（1）在某些情况下，为了更仔细地分析与声源频率有关的建筑材料、噪声环境和围蔽空间的声学特性，用1／3倍频带作测量分析。
建筑声学 复习资料
Lp 20lg
np p 20lg 10lg n p0 p0
•两个相等的声压级叠加
L = 3 dB
响度级：表示声音的强弱。
以1000Hz的纯音作为标准音，它在丌同声压级条件下 响度丌同，将待测纯音不他比较，二者听起来同样响时 ，该1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的“响度 级”，单位是”方”（phon）。
• 当房间容积越大，界面吸声量越小时，每次反射经 过的路程就越长，声音衰发就越慢，混响时间越长 ； • 赛宾公式应用亍 差； 的情况，否则将产生较大的误
0.2
2. 依林公式
0.161V T60 S ln(1 )
式中： V——房间容积，m3； S——室内总表面积,m2； ——室内表面平均吸声系数。 S和 计算方法同上。
代入依林公式得 查表得
=0.197 ln(1 ) =0.178
附表
室内声压级计算不混响半径
1. 室内声压级计算
当一点声源在室内连续収声时，假定声场充分扩散，则利用 以下的稳态声压级公式计算离开声源丌同距离处的声压级，即 或
Q 4 Q 4 L p 10 lg W 10 lg( ) 120 L p LW 10 lg( ) 2 2 4r R 4r R Lw －声源的声功率级，dB； W －声源声功率，W； r －离开声源的距离，m； R－房间常数， R S ， m2； 1 S－室内总表面积，m2； －室内平均吸声系数； Q－声源指向性因数，叏决亍声源不接收点的相对关系。
Lp 10 lg 0.00034 10 lg(
1 4 ) 120 58.7 dB 2 4 r 1869
混响半径：
r 0 0.14 RQ 6m
普通本科大学 建筑物理-声学总结
建筑声学第3.1章 建筑声学基本知识一、声音的基本性质声源是辐射声音的振动物体。
声波是纵波。
人耳可听到的声波频率范围是20-20000Hz 。
介质的密度越大，声音的传播速度越快，声音在空气中的传播速度为340 m/s 。
将声音的频率范围划分为若干个区段，称频带。
声学设计和测量中常用倍频带和1/3倍频带。
倍频带的中心频率有11个：16、31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz 、16kHz 。
小于200 Hz 为低频，500～1000Hz 为中频，大于2000Hz 为高频。
声波从声源出发，在介质中传播，声波同一时刻所到达的各点的包络面称波阵面。
声线表示声波的传播方向和途径。
声波可分为球面波、平面波和拄面波。
声波在传播过程中会发生反射（镜像反射和扩散反射）、绕射（声波绕过障蔽边缘进入声影区的现象）、干涉（相同频率、相位的两列波在叠加区域内引起的振动加强和削弱的现象）。
材料的反射系数r 、透射系数τ和吸收系数α分别表示被反射、透过和吸收的声能占总声能的比例。
τ小的材料就是隔声材料，α> 0.2的材料就是吸声材料。
二、声音的计量声功率W ：声源在单位时间内向外辐射的声能。
声强I ：单位时间，垂直于声波传播方向上单位面积通过的声能。
点声源 24/r W I π=声压p ：介质有无声波传播时压强的改变量。
自由声场中 c p I 02/ρ=声能密度E ：单位体积内声能的强度。
c I E /=级的概念，声压级0/lg 20p p L p =；声强级0/lg 10I I L I =；声功率级0/lg 10W W L W =（其中p 0=2×10-5Pa ；I 0=10-12W/m 2；W 0=10-12W ）；几个等声压级的叠加n p p L p lg 10lg 200+=。
两个等声压级叠加时，总声压级比一个声压级增加3dB ，两声 级之差超过10dB 时，附加值可忽略不计，总声压级等于最大声压级。
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空腔共振吸声结构：结构中封闭有一定体积的 空腔，并通过一定深度的小孔与声场空间连接。 其吸声原理可以用亥姆霍兹共振器来说明。
• 亥姆霍兹共振器的固有频率
f0
c
2
s
V t
c——声速，34000cm/s； s——颈口面积，cm2； V——空腔体积，cm3； t——孔颈深度，cm； δ——开口末端修正量，cm，对于圆孔，δ=0.8d
第三讲 材料和结构的声学特性
建筑声环境的形成及其特性，一方 面取决于声源的情况，另一方面取决于 建筑空间以及形成建筑空间的物质。
无论是创造良好的音质还是控制噪 声，都需要了解和把握材料和结构的声 学特性，以便正确合理地、有效灵活地 加以使用。
在研究建筑空间 围护结构的声学特性时， 对室内声波而言，通常 考虑的是反射和吸收 （这里的吸收含透射， 即吸收是指声波入射到 围护结构后不再返回该 空间的声能损失）；对 室外声波而言，通常考 虑的是透射。
• 吸声量
• 对于建筑围蔽结构
A S
n
A 1S12S 2 nS n iS i i 1
• 对于在声场中的人、物或空间吸声体，由于 表面积很难确定，常直接用吸声量。
开窗
50厚玻璃棉 240砖墙
吸声系数 α 材料面积S (m2) 吸声量A =αS
1.0 100 m2 100 m2
0.8 100 m2
注意3
材料或结构的声学特性和入射声波 的频率和入射角度有关。
即某一材料或结构对不同频率的声 波会产生不同的反射、吸收和透射；相 同频率的声波以不同角度入射时，也有 不同的反射、吸收和透射。所以说到材 料或结构的声学特性时，总是与一定的 频率和入射角对应。
• 吸声材料和吸声结构 • 隔声和构件的隔声特性 • 反射和反射体
薄膜（板）共振
• 对于不受张拉或张力很小的膜
f0
1
2
0c2 600
M0L M0L
M0——膜的单位面积质量，kg/m2 L——膜与刚性壁之间空气层的厚度，m
薄膜吸声结构的共振频率通常在200～1000Hz 范围，最大吸声系数约为0.3～0.4，一般作为中频范 围的吸声材料。
f0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c
2
p
L t pL2 / 3
• 开微孔（孔径小于1mm）或在穿孔板后铺 多孔材料的办法，可以使共振频率向低频 偏移，整个吸声频率范围的吸声系数会显 著提高。
• 皮革、人造革、塑料薄膜等弹性可张拉材料与 其后封闭空气层形成共振吸声系统——薄膜共 振吸声结构
• 胶合板、硬质纤维板、石膏板、金属板等板材 固定在框架上，连同板后封闭空气层，也构成 振动系统——薄板共振吸声系统结构
• 吸声系数
E0 Er 1 r
E0
E0——入射到材料或结构表面的总声能，J Er——被材料或结构反射回去的声能，J
• 吸声系数与声波入射角有关。
• 垂直入射（正入射）吸声系数α0：声波垂直入射 到材料和结构表面的吸声系数
• 斜入射吸声系数αθ：入射角度为θ时的吸声系数 • 扩散入射（无规入射）吸声系数αT ：入射声波在
• 孔洞对外开口 • 孔洞之间互相连通 • 孔洞深入材料内部
诱敌深入 围而歼之
表面粗造的 密实材料
开孔型材料
闭孔型材料
• 影响多孔材料吸声特性的主要因素： （1） 材料孔隙率或表观密度
孔隙率是指材料中的 空气体积和总体积之 比。这里所说的空气 体积是指处于连通状 态的气泡并且是能够 被入射到材料中的声 波引起运动的部分。
E
E0
Er
E0
1 r 1 Er E E
E0
E0
吸声性能良好的材料或结构， 隔声性能是否也良好？
注意1
材料的吸声性能：着眼于声源一侧,声 波入射后不再返回该空间的声能损失；
材料的隔声性能：着眼于入射声源另 一侧透射声能的大小，目标是透射声 能要小。
注意2
某种材料或结构是吸声的，还是隔 声的、或是反射的，并没有严格的界定 和精确的定义。因为任何一种材料或结 构都会对入射声波产生反射、吸收和透 射，只是三者的比例不同，而这些比例 对不同频率的声波又会不同。
80 m2
0.02 100 m2
2 m2
• 吸声材料和结构，根据其吸声机理的不同，可 分为：
多孔吸声材料
吸声材料和吸声结构
共振吸声结构
复合吸声结构
• 多孔材料一直是主要的吸声材料。最初这类材料 以麻、棉等有机材料为主，现在则以玻璃棉、岩
棉为主。还可以加工成板状或加工成毡。
• 多孔材料吸声的必要条件是 ：
• 影响多孔材料吸声特性的主要因素有
（4）背部条件
多孔材料与刚性壁 之间留有空腔时， 与材料实贴在刚性 壁上相比中低频吸 声能力会有所提高， 其吸声系数随空气 层厚度的增加而增 加，但增加到一定 值后效果将不明显
• 影响多孔材料吸声特性的主要因素有
（5）面层影响
织物覆面，只要透气性强，基本无影响； 油漆、粉刷的影响有时很严重； 穿孔板护面的影响主要取决于开孔面积、穿 孔率，孔径、板厚也会有影响； 其它形式饰面如木条、漏窗等，开孔率在25 %以上即很少影响。
穿孔（狭缝）板吸 声结构：
相当于许多并列的亥姆 霍兹共振器
f
0
c
2
p
L(t )
圆孔按正方形分布：
P
4
d D
2
0.8d
f
0
c
2
p
L(t )
• 上式使用的条件是孔距在孔径的2倍以上 ，穿 孔率和空腔厚度都不应过大。当穿孔率大于0. 15、空腔厚度大于20cm（室内吊顶）时，应 按下式计算。
半空间中均匀分布，同时入射声波的相位无规则， 干涉相应可忽略时的吸声系数。
• αT比α0更接近实际， αT和α0之间没有 普遍适用的对应关系。
• 驻波管法用于对垂直入射声波的测量；混 响室法测量无规则入射声波的吸收系数。
• 材料吸声系数实验 报告
• 标准:GBJ75-84 • 报告中必须指明材
料规格型号及安装 方法。报告中可以 读出平均吸声系数 和降噪系数。
• 影响多孔材料吸声特性的主要因素： （2） 厚度
增加材料厚度，可 增强低频声的吸收， 吸声频带相应变宽， 但对高频吸收的影 响则很小。因为高 频声波主要在多孔 材料的表面被吸收， 而低频声主要在材 料的内部被吸收。
• 影响多孔材料吸声特性的主要因素有
（3）材料吸湿
多孔材料受潮后， 材料的间隙和小孔 中的空气被水分所 替代，使孔隙率降 低。从而导致吸声 性能的改变。