《建筑聲學(xué)基礎(chǔ)》word版

1、PAGE PAGE 10第2節(jié)：建筑聲學(xué)基礎(chǔ)有關(guān)建筑聲學(xué)的記載最早見于公元前一世紀(jì)羅馬建筑師維特魯威所寫的建筑十書，書中記述了古希臘劇場(chǎng)中的音響調(diào)節(jié)方法，如利用共鳴缸和反射面以增加演出的音量等。 19 世紀(jì)末，歐洲經(jīng)典聲學(xué)發(fā)展到最高峰（這一時(shí)期維也納金色大廳開始修建，并于1867年開工1869年竣工）。 20 世紀(jì)初，建筑聲學(xué)的創(chuàng)始人美國(guó)學(xué)者賽賓提出了著名的混響理論，建筑聲學(xué)內(nèi)容逐漸充實(shí)，禮堂、劇院等的聲學(xué)設(shè)計(jì)有規(guī)律可循。與此同時(shí)，歐洲也造就了很多專家，使聲學(xué)其它方面也有所發(fā)展。建筑聲學(xué)是研究建筑中聲學(xué)環(huán)境問(wèn)題的科學(xué)。它主要研究室內(nèi)音質(zhì)和建筑環(huán)境的噪聲控制。建筑聲學(xué)的基本任務(wù)是研究室內(nèi)聲波傳輸

2、的物理?xiàng)l件和聲學(xué)處理方法，以保證室內(nèi)具有良好聽聞條件；研究控制建筑物內(nèi)部和外部一定空間內(nèi)的噪聲干擾和危害。室內(nèi)聲學(xué)的研究方法有幾何聲學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法和波動(dòng)聲學(xué)方法。當(dāng)室內(nèi)幾何尺寸比聲波波長(zhǎng)大得多時(shí)，可用幾何聲學(xué)方法研究早期反射聲分布以加強(qiáng)直達(dá)聲，提高聲場(chǎng)的均勻性，避免音質(zhì)缺陷；統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法是從能量的角度，研究在連續(xù)聲源激發(fā)下聲能密度的增長(zhǎng)、穩(wěn)定和衰減過(guò)程 (即混響過(guò)程)，并給混響時(shí)間以確切的定義，使主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和聲學(xué)客觀測(cè)量結(jié)合起來(lái)，為室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)；當(dāng)室內(nèi)幾何尺寸與聲波波長(zhǎng)可比時(shí)，易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可用波動(dòng)聲學(xué)方法研究室內(nèi)聲的簡(jiǎn)正振動(dòng)方式和產(chǎn)生條件，以提高小空間內(nèi)聲場(chǎng)的均勻性和頻

3、譜特性。 一、室內(nèi)聲音情況（理論分析） 1、站在時(shí)間的角度上：室內(nèi)聲音組成（直達(dá)聲和早期反射聲與混響聲的時(shí)間關(guān)系） = 1 * GB3 在房間中存在三種聲。自然聲源直接到達(dá)接受點(diǎn)的聲音叫直達(dá)聲(Direct Sound)，它是聲音的最主要信息；相對(duì)直達(dá)聲延遲在50ms內(nèi)的短延時(shí)的一次、二次以及少數(shù)三次等反射聲叫做早期反射聲，由于這部分聲音與直達(dá)聲間隔太短，人耳難以將其與直達(dá)聲分開，故對(duì)直達(dá)聲有加強(qiáng)作用，影響聲音的宏亮感與空間感；比直達(dá)聲晚50ms以上，不包含聲音信息，但能使聲場(chǎng)均勻、音質(zhì)豐滿的多次反射聲稱為混響聲。三者的一般關(guān)系如圖所示:2-1同一聽音位置直達(dá)聲、早期反射聲、混響聲時(shí)間關(guān)系圖

4、= 2 * GB3 、室內(nèi)聲場(chǎng)的增長(zhǎng)、穩(wěn)定和衰減與聲場(chǎng)混響時(shí)間及其計(jì)算（塞賓公式、愛林公式、菲茲羅依公式）如果在室內(nèi)打開一個(gè)聲源，等聲場(chǎng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)后，立即關(guān)掉聲源，會(huì)看到室內(nèi)接收點(diǎn)聲音沒有馬上消失，而是有一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程。某一個(gè)頻率的聲音在某一房間內(nèi)達(dá)到最大值以后衰減60dB所需要的時(shí)間，稱為此房間此頻率的混響時(shí)間。一般計(jì)算至少4個(gè)頻點(diǎn)(125Hz，500Hz，1kHz，4kHz)的頻率的混響時(shí)間取平均值定位該房間的混響時(shí)間?；祉憰r(shí)間按照房間用途有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。2-2室內(nèi)聲場(chǎng)增長(zhǎng)、穩(wěn)定和衰減圖*同一聲源在不同的空間，聽著聽到的聲音不同。*電音真實(shí)聲音制作的和擬音。建筑聲學(xué)的著名學(xué)者賽賓

5、(Sabine)、愛林(Eyring)、菲茲羅依(Fitztoy)都提出了混響時(shí)間的計(jì)算公式：S=房間表面積(單位：平方米) V=房間總?cè)莘e(單位：立方米)=房間表面的平均吸聲系數(shù)百分率賽賓公式RT60=0.16V/S 適用于0.2時(shí)菲茲羅依公式(Fitztoy)RT60=0.16V/S2XY/-ln(1-XY)+2XZ/-ln(1-XZ)+2YZ/-ln(1-YZ) X,Y,Z為房間尺寸；適用于室內(nèi)吸聲不均的矩型房間混響時(shí)間的計(jì)算較為復(fù)雜，一般計(jì)算至少4個(gè)頻點(diǎn)(125Hz，500Hz，1kHz，4kHz)的平均吸聲系數(shù)：=(S 11+ S 22+ S nn)/(S1+S2+Sn)例如，某房間

6、長(zhǎng)寬高分別為20、12、7m，材料的吸聲系數(shù)如下表所示，計(jì)算500Hz的混響時(shí)間。材質(zhì)(500Hz時(shí))尺寸面積：平方米S地毯(地面)0.620*12240144膠合板(天花板)0.220*1224048石膏板(側(cè)墻)0.0420*71405.6石膏板(側(cè)墻)0.0420*71405.6磚墻(前墻面)0.512*78442垂簾(后墻面)0.5512*78446.2 合計(jì)928291.4=(S 11+ S 22+ S 33+ S 44+ S 55+ S 66)/(S1+S2+S3+S4+S5+S6) =291.4/928=0.31用愛林公式計(jì)算：RT60=0.16V/-Sln(1-) =(0.16

7、*1680)/-928*ln(1-0.31)=0.78s按照菲茲羅依公式計(jì)算：RT60=0.16V/S2XY/-ln(1-XY)+2XZ/-ln(1-XZ)+2YZ/-ln(1-YZ) =269/861184480/0.51+168/0.73+280/0.04=2.4s思考：為何計(jì)算差異這么大？那個(gè)數(shù)據(jù)更可靠一些？3、站在空間距離的角度上：聽到的聲音有哪些？（直達(dá)聲和早期反射聲與混響聲的距離關(guān)系）（室內(nèi)聲音的清晰度、豐滿度與聽音者的距離關(guān)系）2-3不同聽音位置直達(dá)聲+早期反射聲、混響聲與距離關(guān)系（圖示直達(dá)聲+早期反射聲曲線即清晰度曲線，混響聲曲線即豐滿度曲線）上面所示圖中C點(diǎn)，直達(dá)聲能密度等于

8、混響聲能密度，此處距離聲源距離為R，此距離稱為混響半徑或者臨界距離。它的計(jì)算公式為：R=( Ro Q/16)1/2=0.14(Ro Q)1/2Q為聲源或者音箱的指向性因子，Q=180o/sin -1 (sin(/2)sin(/2) , 、分別為聲源或者音箱水平和垂直覆蓋角，其他情況考慮音源位置，當(dāng)音源位于舞臺(tái)上或房間中間時(shí)Q=1；在地面或者一面墻上時(shí)Q=2；在兩墻的交線處時(shí)Q=4；在三面的交線處時(shí)Q=8。Ro為房間的吸聲常數(shù)，RC= S/1-,單位為M2據(jù)圖我們有如下結(jié)論：當(dāng)直達(dá)聲的作用大于混響聲，即聽音點(diǎn)的距離小于混響半徑時(shí)，聲場(chǎng)以直達(dá)聲場(chǎng)為主，容易得到非常高的聲音清晰度；吸聲處理效果不大當(dāng)

9、直達(dá)聲的作用小于混響聲，即聽音點(diǎn)的距離大于混響半徑時(shí)，聲音的混響感逐漸提高；聲場(chǎng)以混響聲場(chǎng)為主，此時(shí)做吸聲處理降低混響聲能才有效果。*劇場(chǎng)、電影院、音樂廳票價(jià)的制定（考慮視角與聲音，最貴的與舞臺(tái)成60度角區(qū)域） 北京天地劇場(chǎng)座位圖4、室內(nèi)聲音的大?。菏覂?nèi)聲壓級(jí)計(jì)算(測(cè)量繪制圖表法、公式計(jì)算法)Lp=Lw+10lg(Q/4r2+4/Ro)其中聲源聲功率級(jí)Lw=10Lg(P/10-12)=10lgP+120，P為聲源聲功率房間常數(shù)Ro=S/(1-)，S為房間總表面積，為房間表面的平均吸聲系數(shù)指向性因數(shù)Q=180o/sin -1 (sin(/2)sin(/2) , 、分別為音箱水平和垂直覆蓋角，其他

10、情況考慮音源位置，當(dāng)音源位于舞臺(tái)上或房間中間時(shí)Q=1；在地面或者一面墻上時(shí)Q=2；在兩墻的交線處時(shí)Q=4；在三面的交線處時(shí)Q=8。二、室內(nèi)常見聲學(xué)問(wèn)題（理論分析）1、噪聲與干擾治理通風(fēng)、照明、溫度控制設(shè)計(jì)。聲波的吸收、投射和反射現(xiàn)象：聲波入射到諸如墻壁等物體時(shí)，聲能一部分被反射，一部分被吸收或者熱損耗，還有一部分頭過(guò)墻壁繼續(xù)向空間傳播。設(shè)單位時(shí)間傳播到物體表面的初始聲能或者總聲能為Eo，反射、吸收損耗、透射聲能分別為Er、Ea、Et，距能量守定律，四者之間的關(guān)系為：注意，一般高頻聲音吸收投射的比較多Eo=Er+Ea+Et據(jù)此，可以定義任意材料的吸聲系數(shù)：=（Ea+Et）/ Eo圖片1-7聲波的

11、透射與吸收2、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色” 共振及其對(duì)策在建聲設(shè)計(jì)不良的房間里，當(dāng)聲源發(fā)聲時(shí)會(huì)激起房間的某些固有頻率(或稱共振頻率、簡(jiǎn)正頻率)的聲音，即出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況時(shí)。聲源的某些頻率被加強(qiáng)。房間的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的共振有如下關(guān)系： fn=(c/2)(nx/Lx)2+(ny/Ly)2+(nz/Lz)21/2式中Lx、Ly、Lz為矩形房間的長(zhǎng)、寬、高尺寸， nx、ny、nz為0到正無(wú)窮大的任意整數(shù)，但不能全為零。每一組值即為一頻率。為解決這個(gè)問(wèn)題一般采取如下措施：聲學(xué)測(cè)量時(shí)，不使用純音而使用復(fù)合音，因?yàn)榧円裘黠@形成駐波嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。房間的長(zhǎng)、寬、高不能相同或者呈簡(jiǎn)單倍數(shù)關(guān)系，使其長(zhǎng)、寬、高

12、之比成無(wú)理數(shù)，從而不易形成簡(jiǎn)并現(xiàn)象。房間容積應(yīng)盡量大一些(最好大于200m2)，使較寬的共振頻率得到均勻的激發(fā)，減少對(duì)音質(zhì)的影響。3、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色”梳狀濾波效應(yīng)及其對(duì)策，2-5梳狀濾波效應(yīng)4、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色”聲聚焦等其他聲學(xué)缺陷的治理三、室內(nèi)聲音的擴(kuò)散與吸收1、聲擴(kuò)散與聲擴(kuò)散體：目的充分利用自然聲能，均勻擴(kuò)散聲音使聲場(chǎng)均勻，聲能有效利用節(jié)省電功率且音質(zhì)良好（實(shí)際操作）改善建筑聲學(xué)特性除過(guò)吸聲處理外，經(jīng)常采用擴(kuò)散聲音的辦法，即在墻面或聲波反射的地方設(shè)置擴(kuò)散面/體，使聲波產(chǎn)生漫反射并分散室內(nèi)共振頻率?；蛘咴O(shè)計(jì)特殊形狀的反射面，把聲音反射到特定空間。目前常用的有擴(kuò)散體有尖劈形、帆形,商

13、用化的還有最長(zhǎng)序列散射體（MLS）、平方余數(shù)散射體（QRD）、原根數(shù)列散射體（PRS）、相位衍射柵（RPG）。 尖劈擴(kuò)散板 帆形擴(kuò)散板 最長(zhǎng)序列散射體（MLS）聲擴(kuò)散的實(shí)際應(yīng)用聲擴(kuò)散的實(shí)際應(yīng)用2、吸聲材料與吸聲結(jié)構(gòu)：目的使噪聲和干擾小音質(zhì)良好（實(shí)際操作）改善建筑聲學(xué)特性除過(guò)采用擴(kuò)散聲音的辦法外，經(jīng)常采用吸聲處理， = 1 * GB3 、多孔吸聲材料與效果多空吸聲材料主要包括纖維材料(玻璃棉、礦棉及棉、毛、麻制品)和顆粒材料(膨脹珍珠巖、微孔磚板)。吸聲機(jī)理不是因?yàn)楸砻娲植?，而是因?yàn)橛写罅績(jī)?nèi)外連通的微小空隙氣泡，對(duì)聲能產(chǎn)生較大阻尼。一般對(duì)對(duì)中高頻率有良好吸聲效果。 = 2 * GB3 、腔體共振

14、吸聲結(jié)構(gòu)與效果腔體共振吸聲結(jié)構(gòu)是由金屬板、薄木板、石膏板等穿以一定密度的小孔后固定在龍骨上，背后留有空氣層而構(gòu)成共振吸聲系統(tǒng)，可以等效為許許多多亥姆霍茲共振器，在共振頻率附近有最大吸聲系數(shù)，共振頻率為： f=c/2p/(+0.8D)1/2 c為聲速，p為穿孔率（穿孔面積與總面積比），為平均吸聲系數(shù)，D為吸聲板的空間厚度，d為穿孔直徑 = 3 * GB3 組合吸聲材料將多種吸聲材料或多種吸聲材料組合，提高吸聲效果。 = 4 * GB3 、特殊吸聲結(jié)構(gòu)與效果 一般使用特殊材料，經(jīng)過(guò)盡心設(shè)計(jì)而成，吸聲頻率比較平直。各種吸聲材料與結(jié)構(gòu)吸聲特性見下圖：2-4各種吸聲材料與結(jié)構(gòu)吸聲特性圖前四種吸聲材料和結(jié)

15、構(gòu)比較常見，后一種需要特殊設(shè)計(jì)，比如西安賓館就利用了這個(gè)結(jié)構(gòu)。*建筑聲學(xué)小故事學(xué)術(shù)會(huì)堂建設(shè)測(cè)試高度1.11.2測(cè)試點(diǎn)測(cè)試報(bào)告及參數(shù)要求故宮太和殿北京故宮的太和殿俗稱“金鑾殿”，位于北京紫禁城南北主軸線的顯要位置，明永樂十八年（1420年）建成，稱奉天殿。明嘉靖四十一年（1562年）改稱皇極殿。清順治二年（1645年）改今名。自建成后屢遭焚毀，又多次重建，今天所見為清代康熙三十四年(1695年)重建后的形制。太和殿是中國(guó)現(xiàn)存最大的木結(jié)構(gòu)大殿。太和殿匾額“建極綏猷”匾，為乾隆皇帝御筆。（建：建立、創(chuàng)設(shè)。極：從木,亟聲。本義:房屋的正梁。最高的地位。特指君位 。建用皇極。書洪范 綏：從糸(m),從妥

16、,車中把也。說(shuō)文。安撫。惠此中國(guó),以綏四方。詩(shī)大雅民勞 猷：計(jì)劃;謀劃，道;法則，功業(yè);功績(jī) 。建極綏猷的含義：君臨天下，建立雄偉強(qiáng)大的國(guó)家，安撫海內(nèi)的藩屬，創(chuàng)萬(wàn)世之功業(yè)。）太和殿面闊十一間, 進(jìn)深五間，建筑面積2377.00，高26.92m，連同臺(tái)基通高35.05m，為紫禁城內(nèi)規(guī)模最大的殿宇。其上為重檐廡殿頂，屋脊兩端安有高3.40m、重約4300k的大吻。檐角安放10個(gè)走獸，數(shù)量之多為現(xiàn)存古建筑中所僅見。太和殿共有七十二根大柱支撐其全部重量，其中頂梁大柱最粗最高，直徑為一米零六，高為十二米七零。明代用的是楠木，采自川、廣、云、貴等地；清代重建后，用的是松木，采自東北三省的深山之中。太和殿前

17、有寬闊的平臺(tái)，稱為丹陛，俗稱月臺(tái)。月臺(tái)上陳設(shè)日晷、嘉量各一，銅龜、銅鶴各一對(duì)，銅鼎18座。龜、鶴為長(zhǎng)壽的象征。日晷是古代的計(jì)時(shí)器，嘉量是古代的標(biāo)準(zhǔn)量器，二者都是皇權(quán)的象征。殿下為高8.13m的三層漢白玉石雕基座，周圍環(huán)以欄桿。欄桿下安有排水用的石雕龍頭，每逢雨季，可呈現(xiàn)千龍吐水的奇觀。波恩議會(huì)大廈事件1992年12月,波恩聯(lián)邦議會(huì)大廳剛落成,在舉行第一次會(huì)議時(shí),擴(kuò)聲系統(tǒng)突然中斷.當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行全國(guó)電視實(shí)況轉(zhuǎn)播,662位議員忿然退出會(huì)場(chǎng),只好回到老會(huì)議廳去開會(huì).這項(xiàng)耗資巨大(2.7億馬克)的新會(huì)議大廈工程為此震動(dòng)了德國(guó)工程界.由于這座四周用玻璃建造起來(lái)的圓形大廳,存在嚴(yán)重的聲聚焦現(xiàn)象,不僅造成聲場(chǎng)

18、不均勻,而且增加了擴(kuò)聲系統(tǒng)的聲反饋.經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)大廳和內(nèi)休息廊之間的圓弧形玻璃墻,將聲音反射回來(lái),集中到大廳中央,而這些地方正是設(shè)置講臺(tái)、話筒和揚(yáng)聲器的地方。 建筑師設(shè)計(jì)圓形玻璃大廳的構(gòu)思是可以從各個(gè)方向透視聯(lián)邦會(huì)議的會(huì)議情況，充分體現(xiàn)議會(huì)的透明性。應(yīng)聯(lián)邦政府建設(shè)部的要求，為解決議會(huì)大廳聲聚焦問(wèn)題，采用現(xiàn)有吸聲材料的各種可能方案因不能滿足建筑師的設(shè)計(jì)意圖而被否決。這個(gè)難題最后被中國(guó)訪問(wèn)學(xué)者查雪琴教授等人解決了。她在德國(guó)的斯圖加特費(fèi)朗霍夫建筑物理研究所，根據(jù)我國(guó)著名聲學(xué)專家中科院院士馬大猷教授在20世紀(jì)70年代提出的微穿孔吸聲理論，在5mm厚的有機(jī)玻璃上，用激光鉆孔，打出了孔徑為0.8mm、孔距為6mm（每平方米有30000個(gè)孔）的透明的微穿孔板，具有很好的吸聲效果。將面積約1.2萬(wàn)平方米的透明微穿孔吸聲傾斜地安裝在會(huì)議大廳的各個(gè)門上，與原玻璃門的間距為2070mm。在其他的玻璃墻上，安裝了未穿孔的有機(jī)玻璃反射板，從而消除了聲反射產(chǎn)生的聚焦問(wèn)題，也使整個(gè)圓柱形的玻璃外廊因此而顯得更加活潑。 所以說(shuō)我國(guó)的聲學(xué)研究