聲環(huán)境設(shè)計(jì)的基本知識(shí).ppt

2.1 聲音的基本性質(zhì),2.1.1 聲音的產(chǎn)生和傳播,聲音產(chǎn)生于振動(dòng)，振動(dòng)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 在空氣中，聲源振動(dòng)迫使其周?chē)o鄰的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，該振動(dòng)迅速在空氣中傳播開(kāi)來(lái)，這種振動(dòng)的傳播稱為聲波。 聲波為縱波，介質(zhì)（空氣等）的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行聲波傳播方向（疏密變化）。 聲波傳播到人耳，引起人耳鼓膜的振動(dòng)，帶動(dòng)聽(tīng)骨振動(dòng)，由耳蝸、聽(tīng)神經(jīng)等形成神經(jīng)脈沖信號(hào)，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)神經(jīng)傳至大腦聽(tīng)覺(jué)中樞，形成聽(tīng)覺(jué)。,振動(dòng)與波動(dòng),2.1.2 頻率、波長(zhǎng)與聲速,描述聲波的基本物理量 f：頻率，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，單位Hz(赫茲） ：波長(zhǎng)，在傳播途徑上，兩相鄰?fù)辔毁|(zhì)點(diǎn)距離。單位m 聲波完成一次振動(dòng)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(shí)，C鋼=5000m/s, C水=1450m/s 在15oC時(shí)，C空氣=340m/s 參數(shù)間存在如下關(guān)系：c=f* 或 =c/f,user: 聲源、介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、聲接收點(diǎn)的振動(dòng)頻率相同；傳播的振動(dòng)形式而非質(zhì)點(diǎn)。,人耳可聽(tīng)頻率范圍（聽(tīng)域）為20Hz20KHz, 20KHz為超聲。其中，人耳感覺(jué)最重要的部分約在100Hz4000Hz,相應(yīng)的波長(zhǎng)約3.4m8.5cm,2.1.3 聲波的繞射、反射和散射,聲波作為機(jī)械波，具有機(jī)械波的所有特征。有繞射、反射、散射和干涉等，有透射、吸收等。 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(shí)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(lè)器。 平面波：波陣面為平面的波，聲源互相平行，如線聲源，多個(gè)點(diǎn)聲源疊排。,聲波的繞射 聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙或孔洞時(shí)將發(fā)生繞射。繞射的情況與聲波的波長(zhǎng)和障礙物（或孔）的尺寸有關(guān)。,聲波的反射 當(dāng)聲波遇到一塊尺寸比波長(zhǎng)大得多的障礙時(shí)，聲波將被反射。類(lèi)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,散射 當(dāng)障礙物的尺寸與聲波相當(dāng)時(shí)，將不會(huì)形成定向反射，而以障礙物為一子波源，形成散射。,2.1.4 聲波的透射與吸收,聲波具有能量，簡(jiǎn)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(duì)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(jì)中需要選擇吸聲材料，控制室內(nèi)聲場(chǎng)。,2 .2 聲音強(qiáng)弱的計(jì)量,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(gè)聲音比另一個(gè)聲音響或不響，這就提出了聲音強(qiáng)弱的計(jì)量。,2.2.1 聲功率、聲強(qiáng)、聲壓 1、聲功率：?jiǎn)挝粫r(shí)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50W,100萬(wàn)人同時(shí)講話50W,相當(dāng)于一個(gè)燈泡。 訓(xùn)練有素的歌手500010000 W。 汽車(chē)?yán)?.1 W,噴氣飛機(jī)10KW。 在廳堂設(shè)計(jì)中如何充分利用有限的聲功率是很重要的問(wèn)題。 2、聲強(qiáng)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)聲波傳播方向垂直單位面積上的聲能。 對(duì)于點(diǎn)聲源有： 3、聲壓：指在某一瞬時(shí)壓強(qiáng)相對(duì)于無(wú)聲波時(shí)的壓強(qiáng)變化。符號(hào)P。 單位N/m 2 (牛頓/米2 ) ，或Pa(帕斯卡）,2 .2.2聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及其疊加 由于以下兩個(gè)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(duì)值，而采用相對(duì)單位級(jí)（類(lèi)似于風(fēng)級(jí)、地震級(jí)）。 1）聲壓對(duì)人耳感覺(jué)的變化非常大 1000Hz的聲音，聽(tīng)覺(jué)下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。 2）人耳對(duì)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(duì)數(shù)成正比，兩個(gè)同樣的聲源放在一起，感覺(jué)并不是響一倍。,1、聲壓級(jí)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(tīng)覺(jué)下限： p=2*10-5N/m2 為0dB 能量提高100倍的P=2*10-3N/m2 為20dB 聽(tīng)覺(jué)上限： P=20N/m2 為120dB 2、聲功率級(jí)Lw 取Wo為10-12W, 任一聲功率W的聲功率級(jí)Lw為：,3、聲壓級(jí)的疊加 10dB+10dB=? 0dB+0dB=? 0dB+10dB=? 答案分別是：13dB,3dB,10dB. 幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí)，某點(diǎn)的聲能是各個(gè)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(kāi)根號(hào)。即： 聲壓級(jí)為：,2.3 聲音的頻譜與聲源的指向性,2 .3.1 聲音的頻譜 頻譜表示某種聲音 頻率成分及其聲壓級(jí)組成情況的圖形 傅立葉理論及現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)證明： 理論上，任何振動(dòng)的波形都可以分解為若干單頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。,分立譜：如弦振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。 連續(xù)譜：談話、機(jī)器的噪聲，大多數(shù)的自然聲。,如何獲得聲音的頻譜： 使用帶通濾波器進(jìn)行測(cè)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(gè)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。,在進(jìn)行聲音計(jì)量和頻譜表示時(shí)，往往使用中心頻率作為頻帶的代表，聲壓級(jí)值使用整個(gè)頻帶聲壓級(jí)的疊加。,倍頻程：通常將可聞?lì)l率范圍內(nèi)2020Hz分為十個(gè)倍頻帶，其中心頻率按2倍增長(zhǎng)，共十一個(gè)，為： 16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K 1/3倍頻程：將倍頻程再分成三個(gè)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(zhǎng)，為： 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 .,2.3.2 聲源的指向性,聲源發(fā)出的聲音在各個(gè)方向上分布不均勻，具有指向性。 聲源尺寸比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看作點(diǎn)聲源，無(wú)指向性。 聲源尺寸比波長(zhǎng)差不多或更大時(shí)，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。,2.4 人耳的主觀聽(tīng)覺(jué)特性,人耳的結(jié)構(gòu)：外耳、中耳、內(nèi)耳、骨傳導(dǎo),2.4.1 聽(tīng)覺(jué)范圍,最高最低頻率可聽(tīng)極限 一般地，青少年2020KHz,中年3015KHz,老年10010KHz。,最小最大可聽(tīng)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135140dB。下限頻率與頻率有關(guān)。 最小可辯閾（差閾） 聲壓級(jí)變化的察覺(jué)： 一般是1dB 3dB以上有明顯感覺(jué) 頻率變化的察覺(jué)： 一般是3%，低頻時(shí)3Hz。,2.4.2 聽(tīng)覺(jué)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(duì)時(shí)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(shí)，時(shí)間差起主要作用。這就是人為什么對(duì)蚊子的定位比較準(zhǔn)而對(duì)電話鈴聲的定位比較差的原因。,2.4.3 哈斯(Hass)效應(yīng),人耳有聲覺(jué)暫留現(xiàn)象，人對(duì)聲音的感覺(jué)在聲音消失后會(huì)暫留一小段時(shí)間。 如果到達(dá)人耳的兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔小于50ms，那么就不會(huì)覺(jué)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(huì)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(huì)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(chǎng)演出時(shí)，多揚(yáng)聲器的情況下要考慮“聲象定位”的問(wèn)題。,2.4.4 掩蔽效應(yīng),人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽(tīng)覺(jué)靈敏度因另外一個(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象叫掩蔽效應(yīng)。 一個(gè)聲音高于另一個(gè)聲音10dB,掩蔽效應(yīng)就很小。 低頻聲對(duì)高頻聲的掩蔽作用大。,2.4.5 人耳頻率響應(yīng)與等響曲線,人耳對(duì)不同頻率的聲音敏感程度是不一樣的，對(duì)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(jí)的聲音，人聽(tīng)起來(lái)的響度感覺(jué)不一樣。 以1000Hz連續(xù)純音作基準(zhǔn)，測(cè)聽(tīng)起來(lái)和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級(jí)構(gòu)成一條曲線叫“等響曲線”。 響度單位是“方”。 隨著聲壓級(jí)的提高，對(duì)頻率的相對(duì)敏感度也不同 聲壓級(jí)高，相對(duì)變化感覺(jué)小； 聲壓級(jí)低，相對(duì)變化感覺(jué)大。,40方等響,聲級(jí) 線性聲級(jí)（L聲級(jí)） 將各個(gè)頻帶的聲音級(jí)疊加，得到線性聲級(jí)。,A 聲級(jí) A 聲級(jí)是使用40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜進(jìn)行加權(quán)，之后再進(jìn)行頻帶疊加。 A聲級(jí)對(duì)500Hz以下的聲音進(jìn)行較大衰減，模擬人耳對(duì)低頻不敏感的特性。 A聲級(jí)的數(shù)值單位表示是dB(A),如60dB(A)。,A、B、C、D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),A:模擬人耳響應(yīng)，40方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。 B:以70方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，低頻衰減比A聲級(jí)小。 C:以85方等響曲線作為計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),整個(gè)可聽(tīng)范圍內(nèi)衰減小。 D:主要用于航空噪聲測(cè)量。,課后作業(yè) 作業(yè)要求：必須抄題，包括選擇題。選擇題可能有多個(gè)答案。 一、 如果要求影院內(nèi)最后一排觀眾聽(tīng)到來(lái)自銀幕的聲音和畫(huà)面的時(shí)間差不大于100ms，那么觀眾廳的最大長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)多少？ 二、 聲音的物理計(jì)量中采用“級(jí)“的概念，為什么？ 三、 試證明在自由場(chǎng)中，Lp=Lw-20lgr-11。式中，Lw為聲源的聲功率級(jí)，Lp為距聲源r米處的聲壓級(jí)。,四、 要求距廣場(chǎng)上揚(yáng)聲器40m遠(yuǎn)處的直達(dá)聲聲壓級(jí)不小于80dB，如把揚(yáng)聲器看作是點(diǎn)聲源，它的聲功率至少為多少？聲功率級(jí)是多少？ 五、 下列純音相當(dāng)于多少方？ 頻率 1000Hz 2000Hz 5000Hz 100Hz 50 Hz 聲壓級(jí) 40dB 30dB 60dB 80dB 67dB 六、 一廠房測(cè)得機(jī)械噪聲聲壓級(jí)為94dB,關(guān)掉機(jī)器，聲壓級(jí)為88dB，求機(jī)器實(shí)際的聲壓級(jí)。 七、 70dB+70dB+70dB+70dB=? 八、 請(qǐng)寫(xiě)出Lp1+Lp2+.Lpn的聲壓級(jí)計(jì)算公式。,九、 人耳聽(tīng)覺(jué)最重要的部分為： A、2020KHz B、1004000Hz C、因人而異，主要在50Hz左右 D、因人而異，主要在1000Hz左右 十、 以下說(shuō)法正確的有： A、0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約5000m/s、1450m/s、331m/s。 B、 0oC時(shí)，鋼、水、空氣中的聲速約2000m/s、1450m/s、340m/s。 C、氣壓不變，溫度升高時(shí)，空氣中聲速變小。,十一、 公路邊一座高層建筑，以下判斷正確的是： A、1層噪聲最大，10層、17層要小很多，甚至聽(tīng)不見(jiàn)。 B、1層噪聲最大，10層、17層要小一些，但小得不多。 C、1層、10層、17層噪聲大小完全一樣。 十二、 以下說(shuō)法正確的有： A、1/3倍頻程和倍頻程的頻譜可以相互轉(zhuǎn)化。 B、1/3倍頻程的頻譜可以向倍頻程的頻譜轉(zhuǎn)化。 C、倍頻程的頻譜可以向1/3倍頻程的頻譜轉(zhuǎn)化。 D、得到了聲音的頻譜，可以得到