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、20##、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
声压p：介质有无声波传播时压强的改变量。自由声场中
声能密度E：单位体积内声能的强度。
级的概念，声压级
；声强级
；声功率级
（其中p0=2×10-5Pa；I0=10-12W/m2；W0=10-12W）；几个等声压级的叠加
。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。
三、声音的频谱和声源的指向性
声音的频谱是用来表示声音各组成频率的声压级分布。声音分纯音、复音和复合音。
声源的指向性指声源辐射声音强度的空间分布。频率越高、声源尺寸比辐射波长大得越多，声源的指向性越强。声源因其尺寸与波长之比可分为点、线和面声源，点声源指发出振动的物体尺寸与声波波长相比小于1/4。
四、人的主观听觉特性
听觉定位，即双耳听闻效应，人可以根据声波到达双耳时的时间差、强度差和相位差，判断声源方位和远近，进行声像定位。
时差效应，即哈斯效应，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”。
掩蔽效应，人耳对一个声音的灵敏度因另一个声音的存在而降低的现象。存在的干扰声就是掩蔽声。
以1000Hz纯音的声压级作基准，则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”。1000Hz纯音的声压级数值就是待测声音的响度级，单位是方。人们对2000~4000Hz的声音特别敏感。人耳的对1000Hz的纯音“可闻阈”是0dB、“烦恼阈”是120dB、“痛阈”是130dB。
对于复合音，响度级要通过计算或用声级计测量得到。声级计中设有A、B、C计权网络，其中A计权网络参考40 phon等响曲线，对500Hz以下的低频声衰减很大，以模拟人耳对低频不敏感的特性。要使人耳的主观听闻的响度增加一倍，声压级要增加10dB。
声音的三要素：声音的强弱、音调的高低、音色的好坏。
室内声学原理：
五、自由声场与室内声场
点声源在无反射的自由场中辐射声波时，声场中一点的声压级为，
，或
。在点声源的情况下，接受点与声源的距离增加一倍，声压级大约降低6dB；在线声源的情况下，接受点与声源的距离增加一倍，声压级大约降低3dB；在交通声源的影响下，接受点与声源的距离增加一倍，声压级大约降低4 dB（点6线3交通4）。
声音在封闭空间中传播形成的声场比自由声场复杂很多。声场中除直达声外还有反射声，反射声的时空分布、房间的比例、形状、界面材料的声学特性对室内声场有很大影响。
六、混响时间及计算公式
混响是指室内的声源停止发声后，在声场中还存在着来自各界面迟到的反射声形成的“声残留”现象。当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压级衰减60dB所经历的时间就是混响时间。赛宾公式
（
；依林公式
七、室内稳态声压级
室内稳态声压级
，且
八、房间的共振和共振频率
两列相同的波沿相反方向传播时叠加后产生的波称为驻波。两平行墙面间产生驻波的条件是
。房间的共振频率是
不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠现象，称为共振频率的简并。在简并的共振频率范围内的声音会被大大地加强，共振导致原有的声音出现失真，产生“声染色”。房间的三个尺度不相等或不成整数倍，能减少房间的共振，音质好。
第3.2章材料的声学特性
材料和结构的声学特性，即吸声、隔声、反射性质，与入射声波的频率和入射角度有关。
一、吸声系数
工程上通常用125、250、500、1000、20##、4000Hz六个频率下的吸声系数表示某种材料或结构的吸声频率特性。多用混响室法来测量无规入射的吸声系数。250、500、1000、2000Hz四个倍频程的吸声系数的平均值称为降噪系数。
二、多孔吸声材料和吸声构造
多孔材料中有大量的内外相连的微小间隙和通道。入射声波进入多孔材料的微孔，引起微孔中空气的振动，由于材料的摩擦阻力和空气的粘滞阻力，使一部分声能耗散为热能。中、高频声波的吸声效果良好。
影响多孔材料吸声系数的因素有空气流阻、孔隙率、容重、厚度与背后条件（可提高中低频吸声系数）、饰面处理、温度和湿度。增加多孔吸声材料的厚度、容重、背后空气层，均有利于中低频声的吸收；多孔吸声材料的罩面常用金属网，窗纱，纺织品，厚度<0.05mm的塑料薄膜，穿孔率>20%的穿孔板。
三、空腔共振吸声构造
空腔共振吸声构造是在构造中封闭有一定体积的空气，并通过开口或小孔与声场空间连通。亥姆霍兹共振器、穿孔板、狭缝板等。入射波的频率与共振器的固有频率一致时，孔颈中的空气柱由于共振而剧烈振动并与孔壁摩擦而消耗声能。
穿孔板的吸声特性取决于板厚、孔径，孔距、空气层厚度以及底层材料。穿孔板吸声结构的吸声频率在中频段，板后填充多孔吸声材料会使共振频率向低频段方向移动，并提高高频吸声效果。
四、薄膜、薄板共振吸声结构
薄膜吸声构造作为中频范围的吸声材料，吸声系数0.3-0.4，薄板构造作为低频吸声结构，吸声系数0.2-0.5。
五、其他吸声构造
空间吸声体，将吸声材料制成一定形状，悬吊在建筑空间中就构成了空间吸声体。
吸声尖劈用于消声室等特殊场合，要求房间界面在较低的频率范围以上都具有较高的吸声系数（0.99以上）。
幕帘（看作多孔吸声材料）、洞口（朝向自由空间的洞口吸声系数为1，其它为0.3-0.5）、人和家具等。
六、空气声隔绝
工程上常用隔声量来表示构件对空气声的隔绝能力。
或
，会计算组合墙的隔声量。
常用125-4000Hz的6个倍频带或100-3150Hz的16个1/3倍频带的隔声量表示某构件的隔声性能，称为构件的隔声频率特性曲线。隔声性能的单一指标有平均隔声量和计权隔声量。住宅楼板和分户墙的隔声量不小于40dB（一、二级标准为50dB，45dB）。一般教室间隔墙和楼板的隔声量不小于40dB，特殊用房与教室间的隔墙与楼板的隔声量不小于50dB。
单层匀质墙的隔声量
。单位面积的质量每增加一倍，隔声量增加6 dB，这一规律称为“质量定律”。入射声波的波长与墙体固有弯曲波的波长相吻合而产生共振，致使构件对该频率的声波的隔声能力大大降低的现象，称为“吻合效应”。采用硬而厚或软而薄的板使吻合效应的频率控制在100 ~ 2500Hz以外。
双层墙的隔声量等于两侧单层墙的隔声量加上空气层的附加隔声量。空气间层的厚度一般为8-12cm。双层墙之间的应采用弹性连接，且两层墙应具有不同的面密度或厚度来避免吻合谷。当入射声频率f >
f0 (f0为系统固有共振频率) 时，双层墙的隔声量才有明显地提高。24cm砖墙的隔声量为53dB，双层石膏板重量只有24cm砖墙的1/10，但隔声量相当。
提高轻型墙体隔声量的措施有：多层复合、双墙分立、薄板叠合、弹性联结、加填吸声材料、增加结构阻尼。
提高门的隔声能力的措施有：门的周边密封处理、厚重或多层复合门扇、设置声闸。住宅建筑中，面临楼梯间或公共走廊的户门，其隔声量不小于20 dB。
提高窗的隔声能力的措施有：多层玻璃窗、双层玻璃不平行设置、窗框周边吸声和密封处理。
房间的吸声降噪量
七、撞击声的隔绝
用标准的打击器撞击预测的楼板，在楼下房间测量100~3150Hz范围内1/3倍频带声压级Lpi，经过接受房间吸声量的修正，就得到了规范化撞击声级Lpn。
。住宅楼板的计权标准化撞击声压级不应大于75dB（一级标准为65dB）。
撞击声隔绝的措施：楼板表面铺设弹性面层、楼板面层和结构层间铺设弹性垫层、楼板下做弹性吊顶。
第3.3章噪声控制
一、环境噪声的危害噪声损害人的听觉器官、噪声引起多种疾病、噪声干扰人们的正常生活、噪声降低劳动生产率、高声强的噪声可损坏建筑物。
二、噪声评价指标
A声级LA 用于稳态噪声的测量。等效连续声级Leq 用以测量起伏噪声（通常用来评价交通噪声）。累计分布声级LN 用于对交通噪声和某些非稳态噪声的评价（如背景噪声L90，中值噪声L50，峰值噪声L10）。噪声评价曲线NR（噪声评价数NR等于1000Hz倍频带声压级）。语言干扰级SIL。
三、噪声允许标准
工业企业卫生标准规定，企业按每天工作8小时，允许噪声为85dB，不得高于90dB。
住宅建筑卧室、书房允许噪声级不高于50dB（一、二级标准为40、45dB），起居室一、二级标准为45、50dB，夜间允许噪声级相应减小10dB。学校建筑中的一般教室的允许噪声级不高于50 dB。
城市区域环境噪声昼（夜）限值：特殊安静区50（40）、居民区55（45）、商业区60（50）、工业区65（55）、交通干线70（55）。
四、噪声控制措施
噪声控制原则：①降低声源的噪声。改进设备，声源处吸声、隔声、减振等技术措施。②在噪声传播途径中控制。噪声源远离、城市防噪规划与建筑平剖面设计、吸声减噪、隔声屏障、管道消声。③对声源接受者采取保护措施。佩带耳塞、减小暴露时间。
城市噪声的控制：噪声管理和控制法规；从城市规划和总体布局方面控制人口和建立合理的城市功能分区；进行交通道路控制，改善道路设施，限制车速和车辆。
居住区规划中的噪声控制：道路分级，避免交通干道从居住区域穿过；道路两侧建筑防噪布局；居住区道路布局和设计有助于低车速和流量；高噪声场所应消声和隔声处理，并远离住宅房间；居住区与噪声干扰区设防护带；限制居住区附近的施工作业时间。
总体平面布局及平剖面合理可降低15-24dB，吸声降噪可降低6-10 dB，构件隔声可降低10-50 dB，消声处理可降低15-40dB，噪声通过开启的窗户传入室内后噪声级降低10 dB。
五、室内吸声减噪
在室内界面上布置吸声材料或悬挂空间吸声体，使反射声减弱，从而降低接受处的噪音级，这种利用吸声原理降低噪声的方法就是吸声减噪。吸声减噪只能降低混响声能，对直达声无效。减噪量
六、隔声构件降噪
隔声罩是用来隔绝机器设备向外辐射的噪声。隔声罩由外壳内涂阻尼层，再覆盖强吸声材料制成，外壳应有足够的隔声量，
隔声间是在强噪声环境内用于供工作人员操作和观察的小室。隔声间的墙体采用砖墙、混凝土预制板等，内表面铺设强吸声材料，悬吊空间吸声体，使用多层玻璃窗。
隔声屏障用来遮挡声源和接受点之间的直达声。常用在街道两侧，在屏障后形成“声影区”，对刺耳的高频最为有效，低频声由于声绕射而效果不明显。隔声屏障的隔声效果与屏障的长度、高度、其自身的隔声量和吸声特性、噪声源的频谱特性和传播行程有关。降噪量一般为10-15dB，朝向声源的一侧铺设吸声材料或者靠近声源安装隔声屏可提高减噪效果。
七、管道消声
气流噪声是气体在管道中流动形成湍流或在管道出口处高速喷射，导致管道振动而产生的。消声器的种类有阻性、抗性、阻抗复合性。阻性消声器是一种吸声性消声器，主要消除中高频噪音，如直管式阻性消声器消声量与消声系数、消声器的有效长度、气流通道的有效断面周长呈正比，而与气流通道的断面面积成反比。抗性消声器利用管道的扩张、收缩、旁接共振腔，来消除中低频噪音。
八、设备隔振
机器设备（风机、水泵等）在运行时会由于振动而产生固体声，在振源和围护结构间应置减振装置（钢弹簧、橡胶、毛毡、软木等）加以隔绝。减振系统的传递率与频率比f : f0和系统的阻尼比有关。提高减振效率就要降低减振系统的共振频率，即增加静态压缩量，可通过减小弹性系统的弹性系数或者增加系统的质量来得到。
隔振器（或减振器）有三种类型；金属弹簧减振器（荷载及静态压缩量大但阻尼小，适用转速低于1500转/分的设备）、弹性材料减振器（橡胶减振器能隔绝高频振动，适用转速高于1500转/分的机器）、组合隔振装置和空气弹簧。
第3.4章 室内音质设计
音质设计所遵循的原则：低噪音、足够响度、足够近次反射声、最佳混响、无声缺陷。
音质设计任务归结为：容积的确定、体形的设计、混响设计、电声系统配置等。
一、音质评价标准
主观评价标准：语言声要求具有合适的响度、高的清晰度和可懂度、频率不失真；音乐声要求具有适当的响度、高的明晰度、足够的丰满度、适当的亲切感、良好的空间感（即方向感和围绕感）、适当的平衡感（或色度），音色不失真。
客观评价指标：声压级、混响时间RT和早期衰变时间EDT、混响时间的频率特性（要求平直或低频略升，保证音色平衡不失真）、语言的清晰度和音乐的明晰度（评价反射声的时间分布特点）、早期侧向能量因子（关系到音质的空间感，评价反射声的空间分布特点）
二、厅堂容积的确定
根据大厅的规模和用途来确定厅堂的容积。应保证有足够的响度与合适的混响时间。
各类厅堂自然声的最大容积：教室500m3、讲演室20##-3000m3、话剧6000m3、独唱独奏10000m3、大型交响乐20000m3。
各类厅堂推荐的每座容积：音乐厅8-10 m3/座、歌剧院 4.5-7 m3/座、戏曲与话剧3.5-5.5 m3/座、多功能厅堂3.5-5.5 m3/座、讲演厅及大教室3-5 m3/座、电影院3.5-5.5 m3/座。
三、厅堂体形设计
体型设计的五项原则：①保证直达声到达每个观众。控制大厅的纵向长度，观众席最好在声源的140°范围内，地面陡坡设计。②保证近次反射声的良好分布。延时50ms以内的近次反射声强度、时间、空间分布对厅堂音质设计有很大作用，平剖面形状，尤其是利用舞台附近各界面和顶棚提供尽可能多的近次反射声。③争取充分的扩散反射。扩散反射使声场分布更均匀，提高室内音质，在界面上交错布置吸声材料或布置扩散构件可使声能扩散。④ 防止产生回声和其它声缺陷。采取合适的房间比例，或不规则体型以及吸声扩散处理来克服声共振现象，对引起声聚焦的凹曲面顶棚或墙面做吸声或扩散处理，对产生回声的后墙、后部天花、挑台拦板布置吸声材料、扩散处理或改变倾角，控制挑台的进深和高度比以避免回声。要求反射声的延迟小于50ms，对应的声程差小于17m。⑤合理利用舞台反射板。提高听众席内的声能密度和加强演员间的相互听闻。
四、混响设计
混响设计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，取得丰满度和清晰度的平衡。
不同厅堂推荐的中频满场混响时间。
混响时间频率特性：音乐用房低频的低音比是1.2-1.3，中高频平直；语言用房各频率混响时间相同。
混响设计计算。由厅堂的体型，计算厅堂容积和内表面积；由厅堂的功能确定最佳混响时间和频率特性；根据依林公式计算各个频率下的平均吸声系数，计算各频率下所需的总吸声量；选择适当的吸声材料和构造，确定它们的面积和形式。
五、电声设计
基本扩声系统的组成：传声器、功率放大器和扬声器。
扩声系统的要求：足够宽的频响；足够的频率输出；大厅声压分布均匀（声压级差≤6-8dB）；良好的声源方位感并使声像协调；控制声反馈和避免回声、颤声的干扰。
扬声器的布置方式：集中式、分散式和混合式。
声控室：面积不小于12-15m2，位置在观众席后部或耳光室附近，顶棚和墙面作吸声处理。
六、各类厅堂的音质设计
音乐厅
没有舞台和乐池，只设乐台。
鞋盒式古典音乐厅特点是矩形平面、高顶棚、窄厅，有一两层浅楼座和丰富的装饰构件，具有良好的音质。山地葡萄园式及环绕式厅将座位分区布置，乐台侧面和后面也有观众席，各座位区高低错落，座位区的拦墙为邻近坐席提供近次反射声。
音乐厅音质设计要点：最佳混响1.8-2.2s；混响时间频率特性的低音比是1.1-1.25；每座容积8-10 m3/座；充分的利用近次反射声，挑台进深高度比小于1:1；大厅布置扩散构件，具有良好的声扩散，增加环绕感；背景噪声标准应满足NR 20曲线。
剧场设有高大舞台空间，通过镜框式台口和观众厅相耦连，有的剧场是开敞式舞台。
传统歌剧院是马蹄形平面和多层包厢。新式歌剧院多采用钟形、扇形或多边形，并设置一至三层楼座或跌落式包厢。歌剧院满场混响1.3-1.6s，混响时间频率特性满足标准要求，每座容积4.5-7m3/座。
戏剧院、话剧院规模较小，每座容积3.5-5.5m3/座，混响时间1.1-1.4s，混响时间频率特性满足标准。
剧院挑台进深高度比宜小于1:1.2，甲等剧场符合NR 25，乙等NR 30，丙等NR 35。
多功能厅建筑形式上与剧院大体相同，有舞台和观众厅，有的设有乐池。每座容积3.5-5.5m3/座，多配有电声系统，满场中频混响1.1-1.4s，频率特性与话剧院相当。根据使用要求设置可调吸声结构，将部分墙面和顶棚设成反射和吸声的活动构造。舞台上设置可移动、易装卸的音乐罩。
电影院电影院是采用电声系统的场所，要求较短的混响时间。普通电影院的扬声器布置在银幕后面，满座混响时间0.9-1.1s。立体声电影院主扬声器布置在银幕后面，环绕声扬声器布置在侧墙和后墙上，满座混响时间0.6-1.0s。电影院的长度不宜大于36-40m，保证声像同步，每座容积3.5-5.5m3/座。银幕后面做吸声处理，侧墙做扩散或吸声处理，座椅采用大吸声量的软坐席。观众厅地面要有坡度，普通影院每排升起高度6cm，立体声影院大于10cm。楼座挑台进深高度比小于1:2。放映室和观众厅有良好的隔声。
体育馆体育馆建筑特点是容积大，观众多、场地大且空旷，顶棚高。
声学要求以能听清致词、广播、通报为主，满足语言清晰度要求。混响时间为和混响时间频率特性满足标准。
体育馆音质设计要点：采用吸声吊顶或空间吸声体控制混响时间，防止多重回声；设置指向性强的扩声系统；扬声器采用结合布置方式，保证足够响度和声源方向感。
报告厅和审判厅音质要求：比较高的语言可懂度，混响时间短，无回声干扰，高质量的扩音和录音设备。每座容积2.3-4.3m3/座，压缩空间容积，严格控制体形，防止声聚焦。顶棚做反射和扩散处理，后墙和侧墙做吸声处理。抬高声源，地面起坡，选择吸声量较大的座椅和地面材料。
播音室、录音室、演播室
音质设计要求：低的背景噪声，做好隔声、隔振和降噪处理；避免房间的共振简并；声扩散处理使声场分布均匀。
播音室供1-2人使用，混响时间0.3-0.4s，背景噪声满足 NR 20要求。房间的最佳比例为1:1.25:1.6或2:3:5，避免采用简单的整数比。
自然混响录音室的混响时间1.2-1.6s，良好的声扩散，应有足够的容积以利于声音的平衡和融合。强吸声多声道录音室要求短的混响时间0.5-0.6s 和平直的混响时间频率特性。背景噪声满足 NR 20要求。
演播室规模从几十到1千平米，采用强吸声来获得短的混响时间0.6-1.0s，混响时间频率特性以平直为宜，低频可提升10%-15%。背景噪声取 NR 20-25
计算机仿真技术室内声场的计算机仿真技术，用来设计观众厅体形、检验声缺陷、获得反射声分布比较不同声学处理方式对声场的影响。
缩尺模型实验声学设计中的缩尺模型实验是将厅堂的比例缩小后，在其中研究声波的传播规律，推断实际厅堂的音质。若实际厅堂与模型的比例为n:1，则两者的频率比为1:n，两者在相应频率下的声学特性应保持不变。通过模型实验可以了解反射声的传播过程、脉冲响应，声场分布、混响时间等客观参量。