建筑声学
第二章 声环境设计的基本知识
2.1 声音的基本性质
声音产生于振动;如人的讲话有声带振动引起，扬声 器发声是由扬声器膜片的振动产生的。
振动的物体是声源。声源在空气中振动时，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播开来，当传到人耳时，引起耳膜产生振动，最后通过听觉神经产生声音感觉。
“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播。
2.1.1 声音的产生 和传播
在空气中，声源的振动引起空气质点间压力的变化，密集（正压）稀疏（负压）交替变化传播开去，形成波动即声波。（如图）
2.1.2 频率、波长与声速
?描述声音的基本物理量
?f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）
?：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位没m(米)
声波完成一次振动所走的距离。
C：声速，声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。
在空气中声速：
在0℃时，C钢=5000m/s, C水=1450m/s
在15C时，C空气=340m/s
参数间存在如下关系：c=f* ? 或 ?=c/f
人耳可听频率范围为20Hz~20KHz, <20Hz为次声，>20KHz为超声 其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm
2.1.3 声波的绕射、反射和散射
波阵面：声波从声源发出，在某一介质内按一定方向传播，在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。
球面波：波阵面为球面的点声源发出的波，声线与波阵面垂直。如人、乐器。
平面波：波阵面为平面的波，声源互相平行，如线声源，多个点声源叠排。如马路上并排行驶的汽车。平面波的声能在传播过程中不聚集、不离散，声强不变
点声源发出的球面波，距离每增加一倍，声压级衰减6dB。
声波的绕射
声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。与原来的波形无关。
能绕到障碍物的背后改变原来的传播方向继续传播。如古语“只闻其声不见其人”“隔墙有耳” 声波的反射
当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。 反射的规则：1）入射线、反射线法线在同一侧。
2）入射线和反射线分别在法线两侧。
3）入射角等于反射角。Li=L?
散射
当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成散射。
2.1.4 声波的透射与吸收
?声波具有能量，简称声能。
?当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。
透射系数：
反射系数：
吸声系数：
不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。
2 .2 声音强弱的计量
?声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。
?2.1.1 声功率、声强、声压
1、声功率：单位时间内物体向外辐射的能量W。（瓦或微瓦）
声功率是声源本身的一种重要属性。
人正常讲话——50?W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。
训练有素的歌手——5000~10000 ?W。
汽车喇叭——0.1 W,喷气飞机——10KW。
在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。
2、声强：单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。
对于点声源有：
3、声压：指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化（改变量）。符号P。单位N/m 2 (牛顿/米2 ) ，或Pa(帕斯卡）
? 声压和声强有密切的关系，在自由声场中，测得声压和已知测点到声源的距离，就可计算出该测点之声强和声源的声功率。
2 .2.2声压级、声功率级及其叠加
由于以下两个原因，实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）1）声压对人耳感觉的变化非常大（人耳能感受到声压范围较宽）1000Hz的声音，听觉下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。
2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。
1、声压级Lp
取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：
听觉下限： p=2*10-5N/m2 为0dB
能量提高100倍的 P=2*10-3N/m2 为20dB
听觉上限： P=20N/m2 为120dB
2、声功率级Lw
取Wo为10-12W,基准声功率级
任一声功率W的声功率级Lw为：
3、声强级：
3、声压级的叠加
10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10dB=? 答案分别是：13dB,3dB,10dB.
几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号。即：
声压级为：
声压级的叠加
?两个数值相等的声压级叠加后，总声压级只比原来增加3dB，而不是增加一倍。这个结论对于声强级和声功率级同样适用。
?此外，两个声压级分别为不同的值时，其总的声压级为
两个声强级获声功率级的叠加公式与上式相同
2.3 声音的频谱与声源的指向性
2 .3.1 声音的频谱
傅立叶理论及现代信号处理技术证明：
理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。
表征声音的物理量：除声压级与频率外，还有各个频率的声压级的综合量，即声音的频谱。频谱通常以频率为横坐标，声压级为纵坐标的频谱图表示
频谱——表示某种声音 频率成分及其声压级组成情况的图形
复合声不仅需要知道总声级的大小，而且要分析频率的组成成分。在噪声控制中，要了解噪声的那些频率是比较突出的，先降低或消除这些高频率
分立谱：如弦振动产生的声音。（线状谱如小提琴，一个单一频率的简谐声信号---纯音 连续谱：谈话、机器设备发出的噪声，大多的自然声。
在通常的声学测量中，不是逐个测量声音的频率，而是将声音的频率范围划分成若干个区段，成为“频带”。每一个频带有一个下界频率f1和上界频率f2 ,而△f= f2 -f1 成为“带宽”。 f1 和 f2 的几何平均称为频带中心频率
在建筑声学中，频带划分的方式通常不是在线性标度的频率轴上等距离的划分频带，而是以各频率的频程数n都相等来划分。
如何获得声音的频谱：
使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。
频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。
在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。
倍频程：通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：
16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K
1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：
12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160
2.3.2 声源的指向性
?声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。
?声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。
?声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。声源尺寸比波长大的越多，指向性就越强。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。
?频率越高，指向性越强；指向性越强，则直达声声能越集中于声源轴线附近。
2.4 人耳的主观听觉特性
2.4.1 听觉范围
最高最低频率可听极限
一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。
?最小最大可听极限
人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。
?最小可辩阈（差阈）
声压级变化的察觉：
一般是1dB
3dB以上有明显感觉
频率变化的察觉：
一般是3%，低频时3Hz。
2.4.2 听觉定位
?人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。
?人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。（有声源发出的声波到达两耳可以产生时间差和强度差）
?
?人耳的水平方向感要强于竖直方向感。
?
?通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。
2.4.3 哈斯(Hass)效应
?人耳有声觉暂留现象（就像人眼视觉暂留：20ms以内连续），人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。
?如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。
?直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”——哈斯效应。
?
?根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。
?
2.4.4 掩蔽效应
?人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。
?一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。
?低频声对高频声的掩蔽作用大。
2.4.5 人耳频率响应与等响曲线
?人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。
?
?不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。
?
?以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。
?
?响度单位是“方”。
?
?随着声压级的提高，人耳对频率的相对敏感度也不同
声压级高，相对变化感觉小；
声压级低，相对变化感觉大。
40方等响
20 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4k 8k
87dB 75dB 58dB 45dB 43dB 42dB 40dB 36dB 32dB 48dB
声级
?线性声级（L声级）
将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。
20 31.5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k 20k L生级
30db 35db 40db 45db 50db 51db 52db 52db 52db 40db 38db 30db 58.8db
对于复合声，不能使用纯音等响曲线，其响度级需通过计算求得。目前在测量声音响度级与声压级时所使用的仪器称为“声级计”。
在声级计中设有A、B、C三个计权网络，这三个计权网络大致是参考几条等响曲线而设计的。他们与相应的曲线是倒置关系：
A计权网络是参考40方等响曲线，对500HZ以下的声音有较大的衰减，以模仿人耳对低频不敏感的特性。
C计权网络具有接近线性的较平坦的特性，在整个可听范围内几乎不衰减，以模仿人耳对85方以上的听觉响应，可代表 总声压级。
A、B、C、D计权网络
A:模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。
B:以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。
C:以85方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。
D:主要用于航空噪声测量。
第三章 室内声学原理
3.1 声音在室外与室内的传播
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：
R(r):测点与声源之间的距离。
距离增加一倍，声压级减少6dB。
声波在室外空旷地带的传播规律
对于存在地面反射的情况，有：
L :声源的声功率
3.1.2声波在室内封闭空间的传播
与室外情况很不同。室内形成“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，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射或散射。
3.1.3 建筑声学
在室内声学中，可以用几何声学、统计声学和波动声学的理论加以分析。但对于建筑师来讲，可以少些关心复杂的理论分析和数学推导，重要的是在于弄清楚一些声学基本原理，掌握一些必要的解决实际问题的方法和计算公式，特别是弄清楚物理意义。
3.2 声波在室内的反射与几何声学
3.2.1 反射界面的平均吸声系数
（1）吸声系数：用以表征材料和结构吸声能力的基本参量通常采用吸声系数，以α表示，定义式：
混响室 界面全反射，声能在声音停止后，无限时间存在。
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。
材料和结构的吸声特性和声波入射角度有关。
声波垂直入射到材料和结构表面的吸声系数，成为“垂直入射（正入射）吸声系数”。 这种入射条件可在驻波管中实现。其吸声系数的大小可通过驻波管法来测定。
当声波斜向入射时，入射角度为θ，这是的吸声系数称为斜入射吸声系数， 。
建筑声环境中，出现垂直入射和斜入射的情况较少，而普遍情况是声波从各个方向同时入射到材料和结构表面，如果入射声波在半空间中均匀分布， ，则称这种入射情况为“无规则入射”或“扩散入射”。这时材料和结构的吸声系数称为“无规则吸声系数”获“扩散吸声系数”， 这种入射条件是一种理想的假设条件 ，在混响室内可以较好的接近这种条件，通常也是在混响室内测定“扩散吸声系数”
某一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。工程上通常采用125，250，500，1000，2000，4000 Hz六个频率的吸声系数来表示某一种材料和结构的吸声频率特性 。有时也把250，500，1000，2000Hz四个频率吸声系数的算术平均值（取为0.05的整数倍）称为“降噪系数”（NRC），用在吸声降噪时粗略的比较和选择吸声材料。
2）吸声量：用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的量，它和构件的尺寸大小有关，对于建筑空间的围蔽结构，吸声量A是：
如一个房间由n面墙（包括顶棚和地面）：
对于在声场中的人（如观众）和物（如座椅）、或空间吸声体，其面积很难确定，表征它们的吸声特性，有时不用吸声系数，而直接用单个人或物的吸声量。当房间中有若干个人或物时，他（它）们的吸声量是用数量乘个体吸声量，然后再把结构纳入房间总的吸声量中。
房间的平均吸声系数：房间的总吸声量和房间界面面积的比值：
3.2.2 声音在房间内的反射
听众接收到的不仅有直达声，而且有陆续到达的来自顶棚、地面、墙面的反射声反射声遵循反射规则。
3.2.3 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。下图是房间内可能出现的四种声音反射的典型例子。在室内各接收点上，直达声及反射声的分布，即反射声在空间的分布与时间上的分布，对音质有着极大的影响。
室内声音反射的几种典型情况
A、B-平面反射；C-凸曲面的发散作用；D-凹曲面的聚焦作用
使用几何声学方法时应注意两个条件：
1）只考虑能量关系。（忽略声音的波动性，以几何的方法分析声音能量的传播、反射、扩散。声音传播方向和路径------声线）
2）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸应比声音的波长大得多。
3.2.4 室内声音的增长、稳态和衰减
从能量的角度，当声源在某一封闭空间开始辐射声能时，声波即同时在空间内传播。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。
在大多数情况下，大约经过1~2秒，声能密度即接近最大值（稳态）。
室内总吸声量大，衰减就越快；室内容积越大，衰减越慢。
增长：室内声能增长
稳态：在单位时间内被内表面吸收的声能与声源供给的能量相等，室内声能密度不再增加，而处于稳态状态。
衰减：当声音达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接受点的声音并不会马上消失，有一个过程。首先直达声消失，反射声将继续下去，每反射一次，声能被吸收一部分，室内声能密度逐渐减弱，直到完全消失。这一过程即为混响过程。
混响过程（衰减过程）的长短用混响时间来表示。
?3.3 混响时间Reverberation Time（ RT ）
混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。
混响，是指声源停止发声后，在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音的“残留”现象。这种残留现象的长短以混响时间来表示 。
3.3.1 什么是混响时间？
衰减过程即为混响时间，室内总吸声量越大，衰减越快，室容积越大，衰减越慢。
室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。
实际的混响衰减曲线。
由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线，因此有时取T30或T20代替T60。
3.3.2 赛宾(Sabine)公式
赛宾是美国物理学家，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，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。
3.3.3 伊林（Eyring)公式
在室内总吸声量较小（吸声系数小于0.2)、混响时间较长的情况下，有赛宾的混响时间计算
公式求出的数值与实际测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，
计算值与实测值不符。
在室内表面的平均吸声系数较大（大于0.2)时，只能用伊林公式计算室内的混响时间。 利用伊林公式计算混响时间时，在吸声量的计算上也应考虑两部分（1）室内表面的吸声量
（2）观众厅内观众和座椅的吸声量（有两种计算方法：一种是观众或座椅的个数乘其单个
吸声量；二种是按观众或座椅所占的面积乘以单位面积的相应吸声量。
3.3.3 伊林（Eyring)公式（伊林-努特生公式）
赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用，对于频率较高的声音（一般为2000Hz
以上），当房间较大时，在传播过程中，空气也将产生很大的吸收。这种吸收主要决定于空
气的相对湿度，其次是温度的影响。在计算混响时间时，考虑空气的吸收：
4m:空气吸收系数，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20℃时,其值见下表：
计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率，求出各个频带的
混响时间
空气吸收系数4M值 （室内温度20度）
频率（Hz) 室内相对湿度
30% 40% 50% 60%
2000
4000
6300 0.012
0.038
0.084 0.010
0.029
0.062 0.010
0.024
0.050 0.009
0.022
0.043
3.3.4 混响时间计算的不确定性
室内条件与原公式假设条件（一、声场是一个完整的空间；二、声场是完全扩散的）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 计算用材料的吸声系
数与实际情况有误差，一般误差在10%——15%
计算RT的意义：
1）“控制性”地指导材料的选择与布置。
2）预测建筑厅堂室内的声学效果
3）分析现有的音质问题
3.4 室内声压级计算及混响半径
（一）当室内声源声功率一定时，稳态时，在室内距离为r的某点声压级可以计算，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
Q---是指向因数，其取值见下表：
（二）混响半径：
根据室内稳态声压级的计算公式，室内的声能密度有两部分组成：
第一部分是直达声，相当于 表述的部分；第二部分是扩散声（包括第一次及以后的反射声），即 表述的部分。
在离声源较近处 直达声大于扩散声
在离声源较远处
混响半径
在直达声的声能密度与扩散声的声能密度相等处，距声源的距离称为“混响半径”，或“临界半径”
3.5 房间的共振与共振频率
房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身有共振频率（也称“固有频率”或“简正频率”）。声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，共振频率的声能密度也就越强。 如噪声能使窗扇上的玻璃产生振动而发出声音，而且声音的音调是一定的。普遍存在的共振现象还有：暖瓶倒水、口腔发声等等。
? 在一房间中，空气振动的共振频率主要有房间的大小来决定。
驻波
两个平行墙面间的共振
在自由空间中有一面反射性的墙，一定频率的声音入射到此墙面上，产生反射，入射波与反射波在同一直线上相向传播，叠加后产生的“干涉”波。即在入射波与反射波相位相同的位置上，振幅因相加而增大，在相位相反的位置上，振幅因相减而减小，这就形成了位置固定的波腹与波节。即驻波。
两个平行墙面间的共振：当L=n?λ/2时，产生驻波的例子（a） n=1；（b） n=2 1—入射波；2—反射波；3—驻波
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“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，低频会产生翁声，或产生“声染色”（coloration)
在矩形房间中的共振
1—轴向共振；2—切向共振；
3—斜向共振
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。
第四章 吸声材料与吸声结构
吸声材料和吸声结构概述
吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。
对建筑师来说，把材料和结构的声学特性和其他建筑特性如力学性能、耐火性、吸湿性、外观等结合起来综合考虑，是非常重要的。
通常把材料和结构分成吸声的、或隔声的、或反射的，一方面是按材料分别具有较大的吸收、或较小的透射、或较大的反射，另一方面是按照使用时主要考虑的功能是吸声、或隔声、或反射。但三种材料和结构没有严格的界限和定义。
吸声材料和吸声结构
吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。
吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理，制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。
在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。
4.1 吸声系数与吸声量
吸声系数定义：?=(E总-E反）/ E总，即声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量（入射）的比例。 ?大，吸收的声能大，吸声系数永远小于1。
同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同。一般常用100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。
? 有时使用平均吸声系数或降噪系数粗略衡量材料的吸声能力。
平均吸声系数：100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值
降噪系数（NRC)：125Hz/250Hz/500Hz/1000Hz吸声系数的平均
值（尾数四舍五入整理成.5或.0）
吸声量：对于平面物体A= ?S, 单位是平米（或塞宾）
对于单个物体，表面积难于确定，直接用吸声量
? 吸声量或吸声系数的测量：
1、混响室法
其中：V --混响室体积 ； S-- 材料表面积； n --吸声体个数； T1 --空室混响室混响时间； T2--放入材料后混响时间。
2、驻波管法：
利用在管中平面波入射波和反射波形成极大声压Pmax和极小声压Pmin推导出?0
3、 ?T 和? 0 的值有一定差别， ?T是无规入射时的吸声系数， ? 0是正入射时的吸声系数。 工程上主要使用?T
4.2 多孔材料的吸声机理
? 多孔吸声材料，如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能，不是因为
表面粗糙，而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。
? 当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。 ? 多孔材料吸声的必要条件是 ：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。
错误认识一：表面粗糙的材料，如拉毛水泥等，具有良好的吸声性能。
错误认识二：内部存在大量孔洞（单个闭合、互不连通）的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。
4.3 影响多孔吸声材料吸声系数的因素
? 多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能。影响多孔吸声材料吸声特性的因素主要有：材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。
? 密度：每立方米材料的重量。
? 孔隙率：材料中孔隙体积和材料总体积之比。
? 结构因子：反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况，是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。
? 空气流阻：单位厚度时，材料两边空气气压和空气流速之比，反映空气通过多孔阻力的大小。空气 流阻是影响多孔吸声材料最重要的因素。流阻太小，说明材料稀疏，空气振动容易穿过，吸声性能下降；流阻太大，说明材料密实，空气振动难于传入，吸声性能亦下降。因此，多孔材料存在最佳流阻。 在实际工程中，测定空气流阻比较困难，但可以通过厚度和容重粗略估计和控制（对于玻璃棉，较理想的吸声容重是12-48Kg/m3,特殊情况使用100Kg/m3或更高）
1、随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大（多孔吸声材料对高频总有较大的吸收）。
2、厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到一定程度时，材料变得密实，流阻大于最佳流阻，吸声系数反而下降。
3、多孔吸声材料的吸声性能还与安装条件有着密切的关系。当多孔吸声材料背后有空腔时，与该空气层用同样的材料填满的效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高，吸声系数将随空气层的厚度增加而增加，但增加到一定值后效果就不明显了。
4、使用不同容重的玻璃棉叠和在一起，形成容重逐渐增大的形式，可以获得更大的吸声效果。
5、多孔吸声材料表面附加有一定透声作用的饰面，如厚度小于0.05mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等，基本可以保持原来材料的吸声特性。
使用穿孔面材时，穿孔率须大于20%，若材料的透气性差时，如塑料薄膜，高频吸声特性可能下降。低频吸声系数将有所提高。膜越薄、穿孔率与大，影响越小。
6、高温、高湿会影响材料的吸声性能。是由于吸湿吸水后，材料中孔隙减少。首先使高频吸声系数降低，随含湿量的增加，其影响的频率范围将进一步扩大。
玻璃棉吸声系数的比较
4.4其它吸声结构
1、空腔共振吸收---亥姆霍兹共振器：是一个封闭空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构，
当空的深度 t 和孔径 d 比声波波长小得多时,孔径中的空气柱弹性变形小，可作为质量
块,类似活塞。空腔V中的空气起着空气弹簧的作用。当外界入射波的频率等系统的固有频率时，孔径中的空气柱就由于共振而产 生剧烈震动在振动过程中，克服摩擦阻力而消耗声能。
共振吸声结构及类比系统 （a）亥姆霍兹共振器；（b）机械类比系统 ，（c）穿孔板吸声结构
对于穿孔板吸声结构，板后空气层可划分为许多小空腔，每一个开孔与背后一个小空腔对应，是许多并联的亥姆霍兹共振器。 计算穿孔板吸声结构共振频率的公式
在设计时，根据主要吸收频率，确定共振频率。在共振频率附近有最大的吸声系数，离之越远，吸声愈小。
各种穿孔板、狭缝板背后设置空气层形成吸声结构，其吸声机理均属于空腔共振吸声结构。可使用穿孔的：石膏板、硬质纤维板、胶合板、钢、铝板等。使用这些板 材和一定的结构做法，可以很容易的根据要求来设计所需要的吸声特性，并在施工中达到设计要求，而且材料有足够的强度，故此吸声结构广泛应用。
狭缝吸音砖内放入吸声材料增大吸声效果
右图为某音乐教室。
下图为狭缝吸音砖放入玻璃棉的情况。
2、薄膜、薄板共振吸声结构，如玻璃、薄金属板、架空木地板、空木墙裙等。
薄膜吸声结构：皮革、人造革、塑料薄膜于其背后封闭的空气层形成的共振系统。对中频（300—1000HZ)有较好的吸收。
薄板吸声结构：石膏板、胶合板、硬质纤维板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层构成振动系统。对低频（80---300HZ）有较好的吸收
共振吸声效果和吸声腔内加入吸声材料（玻璃棉）后的吸声效果
背后填25-50mm后的玻璃棉等吸声材料
3、空间吸声体。
把吸声材料和结构做成放置在建筑空间内的吸声体。可以根据使用场合的具体条件，把吸声特性的要求与外观艺术处理结合起来，设计成各种形状，以达到良好的声学效果和建筑效果。
4、尖劈—强吸声结构
吸声尖劈是消声室中最常用的强吸声结构，其构造是用直径3.2～3.5钢筋制成所需形状和尺寸的框子，在框架上粘缝布类罩面材料，内填棉状多孔材料。近年来多把棉状材料制成厚毡，裁成尖劈，装人框架内。
5、空气吸收。由于空气的热传导与粘滞性，以及空气中水分子对氧分子振动状态的影响等造成。声音频率越大，空气吸收越强烈(一般大于2KHz将考虑空气吸收)。
6、洞口。在剧院中，舞台台口相当于一个偶合空间，台口后有天幕、侧幕、布景等吸声材料。其吸声系数一般为0.3-0.5
大面积使用尖劈进行吸声降噪。 （如图示）
4.6 吸声在建筑声学中的应用举例
4.6.1 室内音质的控制
玻璃棉产品可以制成吊顶板、贴墙板、空间吸声体等，在建筑室内起到吸声作用，降低
混响时间。
一般地，房间体积越大，混响时间越长，语言清晰度越差，为了保证语言清晰度，需要在室内做吸声，控制混响时间。如礼堂、教室、体育场，电影院。
对音乐用建筑，为了保证一定丰满度，混响时间要比较长一些，但也不能过长，可以使用吸声控制。
在厅堂建筑中，为了防止回声、声反馈、声聚焦等声学缺陷，常在后墙面、二层眺台栏杆面、侧墙面及局部使用吸声。
4.6.2 吸声降噪
? 在车间、厂房、大的开敞式空间（机场大厅、办公室、展厅等），由于混响声的原因，会使噪声比之同样声源在室外高10-15dB。，通过在室内布置吸声材料，可以使混响声被吸掉，降低室内噪声。
? 吸声降噪最多可以获得10-15dB的降噪量。降噪量=10lg(A0/A1),未加入吸声材料时室内吸声量越少，加入吸声材料后室内吸声量越多，降噪效果越好。
第五章 室内音质设计
概述：
室内音质设计是建筑声学设计的一项重要内容，其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素
室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中，直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价，进行适当的调整、修改、才有可能达到预期的效果。
5.1 音质的主观评价与客观指标
5.1.1音质的主观评价（音质好坏的最后标准是：听众包括演唱者的主观感受）
响度：指人们听到的声音的大小。足够的响度是室内具有良好音质的基本条件。与响度相对应的物理指标是声压级。
丰满度：指人们对声音发出后“余音”的感觉。在室外，声音感觉“干瘪”，不丰满。与丰满度相对应的物理指标是混响时间。
色度感：主要是指对声源音色的保持和美化。良好的室内声学设计要保持音色不产生失真。另外，还应对声源具有一定美化作用，如“温暖”、“华丽”、“明亮”。色度感：相对应的物理指标主要是混响时间的频率特性以及早期衰减的频率特性 。
空间感：指室内环境给人的空间感觉，包括方向感、距离感（亲切感）、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间分布有密切关系。
清晰度：指语言用房间中，声音是否听得清楚。清晰度与混响时间有直接关系，还与声音的空间的反射情况及衰减的频率特性等综合因素有关。
无声学缺陷:如回声、颤动回声、声聚焦、声遮挡、声染色等影响听音效果及声音音质的缺陷。
5.1.2 客观指标
（1）声压级：房间中某处的声压级反映了该处的响度。在声源功率一定的情况下，增大声压级需要获得更多的反射声。
（2）混响时间（ RT ）：RT与室内的混响感、丰满度、清晰度有很大关系。RT越长，越感丰满，但清晰度越差；RT越短，越感“干 ”，但清晰度提高。RT的频率特性与音色有一定关系。RT低频适当增长，声音有温暖感、震撼感；RT高频适当增长，声音有明亮感、清
脆感。
（3）反射声时间序列分布：人们最先听到的是直达声，之后是来自各个界面的反射声。一
般的，直达声后50ms到达的声音被称为近次反射声，这部分声音对加强直达声响度、提高
清晰度、维护声源方向起到很大 作用。
对于语言，人们提出清晰度D（difinition)的概念，对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概
念。
D值的意义：直达声及其后50ms以内的声能与全部声能之比。D值越高，对清晰度越
有利。
对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。研究结果表明：为了保证有满意的明晰度，
必须保证有C=0~3 dB
50ms以外的反射声一般被认为是混响声，混响声对丰满度、环绕度、清晰度、方向感有
一定影响。混响声越多、越强，丰满度、环绕度高，但清晰度变差；强的50ms以外的反射
声会产生回声，并影响方向判断。近次反射声和混响声中间不能脱节，否则，虽然混响时间
较长但丰满度不够。
（4）空间分布：
来自前方的近次反射声能够增加亲切感，来自侧向的反射声能够增加环绕感。一般讲，
听者左右两耳接收的侧向反射声有较大差别，形成了人们对声源的空间印象。
在小型厅堂（高为10m以内，宽为20m以内）中，20~35ms正是直达声与最早的一次反
射声的时间间隔；在大型厅堂（高为10m以上，宽为20m以上）中，这样的反射声要靠专
门设计的反射面来获得。在音乐厅设计中，应尽可能增大侧向的前次反射声在整个反射声能
中的比率，以此来增加环绕感
5.2 音质设计的方法与步骤
对音质的主观评价和客观指标的分析，要求在音质设计时应遵循以下几个原则：
1）防止外部噪声及振动传入室内，使室内的背景噪声足够低。---室内音质设计的一个前提
条件
2）充分利用直达声，使室内各处都有足够的响度，并保证声场分布尽可能均匀。（对于以自
然声为主的厅堂，要注意选择适当的规模。）
3）听众各点应安排足够的近次反射声。
4）使房间具有与使用目的相适应的混响时间。
5）防止出现回声、多重回声、声聚焦、声遮挡、声染色等声学缺陷。
5.2.1 大厅容积的确定（在大厅的音质设计中，首先要根据厅的用途和规模确定其容积）
1、保证厅内有足够的响度。对于以自然声为主的厅堂，大厅的体积有一定限度。以电声为
主的可以不受限制。（推荐值见下表）
用途 讲演 话剧 独唱 大
型交响乐
最大体积（m3) 2000-3000 6000 10000 20000
2、合适的混响时间。人的吸声量占房间吸声量很大的一部分。不同用途的厅堂的混响时间
与每座容积率关系较大。
用途
推荐每座容积（m3)
音乐厅
8-10
歌剧院
6-8
多功能厅、礼堂
5-6
演讲厅、教室
3-5
电影院
4
5.2.2 大厅体型的确定
1、体形的确定方法:几何声学法(声线法)：
其基本原理是以垂直于声波波阵面的直线(声线)代表声能传播的方向，在遇到反射体时，声能传播遵循如同光反射定律一样的反射定律；
另外，由于声波在厅堂中传播是在同一介质(空气)中传播的，因此不考虑在介质中的折射与衍射；
第三当两列声波相加时，只考虑其能量的相加，而忽略它们的干涉。
几何声学方法的应用不仅大大简化了分析工作，而且在很大程度上符合实际，是目前厅堂音质设计初期最常用的方法。下图给出一个用声线法设计观众厅顶棚断面的例子。
2、体形设计的五项原则：
1）保证直达声到达每个观众。
一般情况下，主要是防止前面的观众对后面观众的遮挡-----在较大的厅堂中，地面应从前到后逐渐升高。
2）、保证近次反射声的良好分布。
不同延时的反射声对声音有不同的作用。计算第一次反射声延迟的方法。
式中： 、 、 分别是直达声和一次反射声入射前后所经过的距离。单位是m。
对于规模小的厅，体型不作特殊处理，在大多数座位上接收到的第一次反射声的延时在50ms内。尺寸更大的厅，须在厅的体型设计上下功夫。
2）、保证近次反射声的良好分布。
在大型厅堂中，为了争取延时在50ms以内的前次反射声，其体型设计（平面、剖面设计）应作特殊设计。
(1)厅堂平面形状：
下图是第一次侧向反射声分布的几种基本形状，从这几种基本形状中可以看出，一次反射声的分布与厅堂的宽度和进深之比相关，在进行平面形状设计的同时必须了解其各自的特点。
从几种基本平面形状中演变出来的几种复杂又具有代表性的平面形状。
a、视线好，多用于表演需求的建筑。措施：顶棚反射板的使用；后墙与侧墙后部做扩散处理。
b、反射声易沿墙反射产生回声；中部缺乏前次反射声。措施：靠近舞台的两侧墙面做成折线形状；后部做扩散处理；舞台口前部的顶棚为中部供一次反射声。
C、观众席上易得一次反射声，是听闻理想的平面。如在两侧平行的墙壁上作适当的起伏，一次反射声更足。
（2）厅堂剖面形状：
剖面设计主要对象是顶棚，其次是侧墙、楼座、挑台。
在宽度较大的厅堂，采用落地式楼座在中央区域的听众席上获得较多的一次测向反射声。
获得一次反射声均匀分布的顶棚设计形式：
从台口上缘逐渐升高的折面或曲面。中部以后的天花，可设计成向整个观众席及侧墙反射的扩散面。
设有挑台的大厅
3）、争取充分的扩散处理
? 厅堂内表面若材料光洁而坚实，吸声系数较小，构件的尺寸起伏变化在声波波长的范围内，对声波起扩散反射的作用。这种作用能使声场分布均匀，使声能比较均匀 的增长和衰减，从而可以改善室内音质效果。
? 在欧洲一些古老的剧院或音乐厅中。有设计精美的壁柱、雕刻、多层包厢、凸凹变化的藻井顶及大型的花式吊灯等建筑和装修处理。这些对声音有良好的扩散作用。
? 在近现代的剧场和音乐厅设计中，在顶棚和墙面上经常安装一些专门设计制作的几何扩散构件，以提高音质效果。
? 扩散体的几何尺寸应与其扩散反射声波的波长相接近；声音的频率越低，声波的波长越大，要求扩散体的尺寸越大。
?
根据经验，扩散体尺寸与波长关系如下：
a、扩散体宽度，m；
b、扩散体突出高度，m；
c、声速，m/s；
f、声音的频率，Hz；
4）、防止产生回声和其他声缺陷
? 回声的产生是个非常复杂的问题，在实际的设计工作中，须对所设计的大厅是否有出现回声的可能性进行检查，方法是：利用声线法检查反射声与直达声的声程差是否超过17m(即延迟是够超过50ms）
? 观众厅最易产生回声的部位是后墙（包括挑台上后墙）、与后墙相接的天花，以及跳台的前沿等。如后墙是曲面，更会由于反射声的聚集加强回声的强度。
回声与多重回声、声聚焦与声影
声影区：由于遮挡使近次反射声不能到达的区域。使大厅声场分布不均匀。
在有回声的部位处理措施：
?作吸声处理；
?作扩散处理；
?应改变其倾斜角度，使反射声落入近处的观众席；
?吸声处理最好与扩散处理并用，并应当与大厅的混响设计一起考虑。
5）、舞台反射板的利用
有镜框式的礼堂或剧场，舞台上演员的声音有相当大的部分进入了舞台内部，不能被观众接收。舞台反射板能使声能反射到观众厅，提高观众席上的声能密度；还有加强演员的自我听闻和演员与乐队、以及乐队各部分之间的互相听闻的作用。这是音乐演出的一个重要条件。
a、端室式（反射式）
b、分离式:在舞台口的附近设置若干分离的反射板，反射中、高频，同时可使低频声绕射至板后部空间经过混响后到达听众区。
c、舞台前移式：举行音乐会时，用防火幕墙将舞台间完全切离，大厅成为一个独立的空间（如图）
d、组合式：将端室反射罩扩大，使反射罩成为大厅的延续，为了避免罩内响度过大，再设分离式反射板。
5.2.3大厅的混响设计
? 混响设计是室内音质设计的一项重要内容，它的任务是使室内具有和使用要求相适用的混响时间及其频率特性。这项工作一般是在大厅的形状基本确定、容积和表面积能够计算时开始进行。
?具体内容：
1）确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性
2）混响时间的计算
3）室内装修材料的选择与布置
1、确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性
? 不同使用要求的大厅，有不同的混响时间的最佳值。同样用途的大厅，容积越大，最佳混响时间越长。
? 推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的，不同的作者，其值有所不同。
常用最佳混响时间(秒
音乐厅 1.8-2.2
剧院 1.4-1.7
多功能 1.0-1.3
电影院 0.8-1.0
高保真 0.4-0.6
录音室 0.3-0.4
在得到500Hz的最佳混响时间之后，还要依此为基准，根据使用要求，确定全频带上各个频率的混响时间，即混响时间频率特性曲线-----横坐标是频率，纵坐标是与500Hz的混响时间的比率。
曲线表明，高频混响时间应当尽可能与中频一致，而中频一下可以保持与中频一致，或随着频率的降低适当延长，这取决于大厅的用途。如音乐演出，125Hz附近可以是中频500Hz的1.2~1.5倍。
5.3各类建筑的音质设计
? 各类建筑不同，如音乐厅、各类剧场、电影院、多功能大厅、教室、讲堂、体育馆以及录音室等音质要求也不同，设计中要解决的问题也不同，要根据以上所阐述的原则和方法，结合实际，灵活处理。
? 另外，这些建筑中还有许多的附属房间，如门厅、休息厅、走廊等，它们对创造整个建筑的声环境也起重要作用。如沉寂的门厅、走廊、会使人感到观众厅的音质更 加丰满，
而混响很长的门厅、走廊，不仅会使整个建筑给人以嘈杂的印象，而且会影响人们对观众厅音质丰满度的感受。因此应把整个建筑物作为一个整体来进行声 环境设计。
5.3.1 音乐厅
音乐厅 是为交响乐、室内乐、声乐等音乐演出用的专用大厅。
混响时间的要求：交响乐1.8~2.2s ；民族乐1.6s 较为理想；室内乐1.7s较理想。 以一种功能为主，兼有其它功能的房间，可采用以下两种方法改变RT: 一种是改变房间的体积；二种是改变墙面的吸声量（开较多的窗户，要求RT长，关窗；RT短，可把窗户打开。）
5.3.2 剧院
? 剧院有歌剧院、戏剧院、话剧院等多种类型。特点是有独立于观众厅的大舞台空间，多以镜框式台口与观众厅相连，一般还有乐池。
?
? 剧院在体形上都应考虑使前次反射声均布于观众席。歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主，混响时间应当较长，但略小于音乐厅。
5.3.3 电影院
在电影院内听声音，与剧场内有所不同。电影录音的过程大致是在录音棚内用传声器拾音，然后经过一系列制作过程录在电影胶片上。观众在电影院内听到的是通过扬声器重放出来的声音。
电影的不同场面，在声学环境上有时差别很大，譬如可以包括表现一个大教堂内的特殊声学效果(其混响时间可达8s)或露天雪地的声音沉寂的空间。为了观众能清晰地听到影片某一特定场面录音效果，尽量不要受到观众厅内声学环境的影响。根据这一特点，电影院内应具有较短的混响时间。但混响时间也不宜过短，混响时间过短，一方面会使观众厅内声音过于“沉寂”，应按建议值 ；
另外，对后墙应加以分隔或采取强吸声处理，对于一些有可能产生回声、长延时反射、声聚焦的界面，应作认真的声学处理等。
5.3.4 多功能厅、礼堂
为了提高厅堂的利用率，不少观众厅设计成既可以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂，常被称作“影剧院”或“礼堂”。
多功能厅堂的音质设计一般多用折衷的方法。即在体形上争取前次反射声的均匀分布，适当安排扩散处理，以满足自然声演出的需要。同时又设置电声系统，满足会议、讲演以及小音量演出(独唱、独奏、部分戏剧)的需要。
混响时间取音乐厅与语言用大厅的中间值，或者以主要功能为主选择最佳混响时间，次要功能则用电声系统配合满足。