建筑声环境与材料课件.ppt

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1、建筑声环境与材料,1,建筑声学与材料,主讲 戎志丹 2011.4.19,建筑声环境与材料,2,本章内容,建筑声学发展简史 建筑声学基本知识 人体对声环境的反应原理与噪声评价 声音传播与衰减原理 噪声控制与治理建筑声学材料与结构 建筑声学材料与结构,建筑声环境与材料,3,为创造安静的环境，降低、隔绝和 控制不需要的声音 - 噪声控制,提供良好的听闻环境，满意的音质 - 音质设计,建筑声环境与材料,4,主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功能厅、电影院等。 设计得好:音质丰满、浑厚、有感染力、为演出和集会创造良好效果。,设计得不好:嘈杂、声音或干瘪或浑浊，听不清、听不好、听不见。,音质设计,建筑声

2、环境与材料,5,噪声的判断标准是什么？如何避免噪声？如何解决噪声？,主要针对有安静要求的房间，如录音室、演播室、旅馆客房、居民住宅卧室，等,环境噪声控制,建筑声环境与材料,6,噪声控制的意义,保证居住者的健康 提高劳动生产率 保证工艺过程要求,建筑声环境与材料,7,第一节建筑声学发展简史,建筑声环境与材料,8,音乐厅声学设计理论的出现,从十九世纪开始，在维也纳、莱比锡、格拉斯哥和巴塞尔等城市，都建造了一些供演出的音乐厅，这些十九世纪建造的音乐厅已反映出声学上的丰硕成果，直到今天仍然有参考价值。 到二十世纪，赛宾（Wallace Clement Sabine，1868-1919，哈佛大学物理学家

3、、助教） 在1898年第一个提出对厅堂物理性质作定量化计算的公式混响时间公式，并确立了近代厅堂声学，从此，厅堂音质设计的经验主义时代结束了。,建筑声环境与材料,9,室内声学设计的相关理论,(A) 马歇尔的侧向声原理： 马歇尔（A. H. Marshall）提出了“早期侧向反射声”对音质起重要作用，认为需要有较多的早期侧向反射声，使听者有置身于音乐之中的一种“空间印象（spatial impression）”感觉，空间感对响度及与低音相关的温暖感很重要。 (B) IACC两耳互相关函数 日本声学家安藤四一（Y. Ando）教授在70年代做了一系列模拟双耳接收的“内耳互相关”实验研究，实验表明音质

4、与反射声的水平方向分布有关。定义了“双耳听觉互相关函数(IACC)”，它表示两耳上的信号之间的相互关系，这种相互关系又是声场空间感的量度。,建筑声环境与材料,10,现代的建筑声学,1930年以后出现了电影 声学材料的大量生产和实验室实验 噪声处理问题在现代社会中被重视,建筑声环境与材料,11,第二节建筑声学基本知识,1.声波的基本物理性质 2.声音的计量,建筑声环境与材料,12,1.声音是什么？,在弹性媒质中以声波的方式传送出去的振动波 声源：振动的固体、液体、气体 声音的特性：波长、频率 f、声速 c,声源,传声通道,听者,建筑声学的主要研究对象,建筑声环境与材料,13,声音的传播速度,声速

5、与媒质的弹性、密度和温度有关 空气中的声速：理想气体中 k 绝热指数，R 气体常数，T 绝对温度。 空气中声速是温度的单值函数。在建筑环境领域中变化范围很小，近似：340 m/s 固液体中的声速 钢 5000 m/s 松木 3320 m/s 水 1450 m/s 软木 500 m/s,建筑声环境与材料,14,声音的频带,人耳可以听见范围为 20 20000Hz 人耳听不见的范围 20 Hz 以下：次声 20000 Hz 以上：超声,建筑声环境与材料,15,声音的频带,简谐音（纯音） 声压变化为只有一个频率的余弦函数的声音 只需要频率f 和声压幅值Pm就可以描述 复音 周期性信号，含有基频和谐频

6、，谐频是基频的整倍数 其频谱图可以表示为在基频f0和2f0、3f0、 nf0 处的一系列高矮不等的竖直线线状谱(离散谱) 普通声响频谱一般为连续频谱,建筑声环境与材料,16,乐声的线状谱,音调的高低取决于基频，而音色取决于谐频分量的构成,880, 1320, 1760, 2200, 2640, 3080, 3520,建筑声环境与材料,17,普通声响频谱一般为连续频谱,建筑声环境与材料,18,频程 把声频范围划分成几个频段，称作频程或频带 倍频程 两个频率之比为2:1的频程。一般用倍频程划分频带，中心频率分别为：31.3(31.25)、63(62.5)、125、250、500、1000、2000

7、、4000 、8000 Hz。,建筑声环境与材料,19,2. 声音的计量,声功率W：声源在单位时间内对外辐射的声能，即在全部可听范围所辐射的功率，单位W。也可特指在某个有限频率范围所辐射的功率，亦称频带声功率。 声强 I：单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的平均声功率，W/m2。 声压 p：声波的压强与媒质的静压之差，Pa,（c为声速）,建筑声环境与材料,20,听觉范围量级差非常大,可闻阈(听阈) 人耳刚能感受的声音p0=210-5 Pa I0=110-12 W/m2,疼痛阈 闻之人耳则痛，p=200 Pa，I =100 W/m2,烦恼阈 闻之烦恼不安 p0=20 Pa，I0=1W/m2,

8、建筑声环境与材料,21,声音的度量,分贝标度和声级L ，单位dB 设立的必要性 数据范围太大，如 2105Pa 20Pa 人的听觉响应与声强、声压呈对数关系 声强级 声压级 声功率级,建筑声环境与材料,22,声源的扩散和叠加特性,点声源的声功率和声强：声音球面扩散 声强可以直接叠加，故有: 总声压是各声压的均方根:,如何利用声压得到声强和声功率呢？ 在自由声场中测声压p 距声源的距离r,建筑声环境与材料,23,声源声级叠加：非线性！,两个声源叠加(I、P、W 声级同理)： n 个相同声源L1叠加： 两个相同声源叠加，声级增加了 10lg2 = 3 dB,L = 3 dB,建筑声环境与材料,24

9、,声源的指向性,在距声源中心等距离的不同方向的空间位置处的声压级不相等 指向性指数DI在离声源相同距离r 处，某个方向的实际声压级Lp(r, , )与参考声压级Lp0(r)之差 指向性因数Q 实际声强I (r, , )与参考声强I0(r )的比值。 Q与指向性指数DI的关系：DI = 10 lg Q,建筑声环境与材料,25,S0为声源面积，f 为频率，IIV是声源的4种位置,指向性因数Q,声源尺寸比波长大得越多，指向性就越强 指向性与边界对声波自由扩散的阻碍有关 处于喇叭状角落，指向性最强,建筑声环境与材料,26,第三节人体对声环境的反应原理与噪声评价,人的主观听觉特性 噪声的评价 噪声的标准

10、,建筑声环境与材料,27,人的主观听觉特性,什么是噪声？ 人们不愿意听到的任何声音,空气声：经空气和围护结构传播,固体声：振动噪声,建筑声环境与材料,28,听觉机构,建筑声环境与材料,29,人耳的听觉特征,特征：对高频声比对低频声敏感 响度级：用1000 Hz 纯音的声压级代表其等响曲线的响度级，单位Phon（方）,等响曲线,建筑声环境与材料,30,声级计：A、B、C、D计权网络,声级计为模拟人耳听觉而进行滤波，分别模拟人耳对40方、70方和100方纯音的反应而得到A、B、C三种计权方式。D计权用于测量航空噪声。 对不同的频率有不同的衰减。1000Hz的衰减均为是0。,建筑声环境与材料,31,

11、掩蔽效应,一种声音存在提高了另一种声音的可闻阈 频率相近则掩蔽作用显著；对高频掩蔽作用比对低频掩蔽作用大 有利有弊 弊：听不清要听的内容，降低工作效率 利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率,建筑声环境与材料,32,掩蔽效应,适合的掩蔽背景声的特点 无表达含义 响度不大 连续 无方位感 掩蔽背景声 低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声 轻微的音乐声 隐约的语言声,建筑声环境与材料,33,日本办公楼噪声干扰感觉的调查,建筑声环境与材料,34,我国的室内噪声标准,房间类型NR(dB) A声级dB(A) 卧室、书房、病房 3545 4050 起居室4045 4050 语言教室 35 40 一

12、般教室45 50 门诊室5055 5560 手术室4045 4050 宾馆客房3045 3550 会议室30 35 学术报告厅、阅览室 25 30 室内乐、演唱厅20 25 办公室35 40 宴会厅35 40,建筑声环境与材料,35,噪声评价：A声级,用A计权方式测得的噪声级称作A声级，是一个综合叠加得到的单一的数值。 环境噪声响度多在40方上下，故A声级能够较好地反映人对噪声的主观反应。 A声级LA(或LpA) 针对稳态噪声。对于一个噪声的倍频带谱 ：,建筑声环境与材料,36,噪声评价：A声级,等效连续A声级 针对声级随时间变化的噪声，在一段时间内能量平均的等效声级 累积分布声级LX 用随机

13、噪声声级出现的累积概率来表示:例如L1070dB，表示有10%的测量时间内声级超过70dB,离散噪声,建筑声环境与材料,37,噪声评价曲线：NR(Noise Rating),单值A声级不能反映噪声的频谱特性 NR曲线：中国、欧洲常用，ISO推荐 考虑了低频噪声难消除的因素 LA =NR+5 dB,建筑声环境与材料,38,噪声评价曲线：NC,NC曲线(Noise Criterion Curves)，Beranek于1957年提出，1968年开始实施。ISO推荐，英、美、日常用。 对低频的要求比NR曲线苛刻 LA =NC+10 dB NCNR5,建筑声环境与材料,39,噪声评价曲线：PNC,PNC

14、(Preferred Noise Curves)是对NC曲线进行的修正 对低频部分更进一步进行了降低 PNC=3.5+NC,建筑声环境与材料,40,第四节声音传播与衰减原理,建筑声环境与材料,41,声音的传播规律,遇到障碍物：反射、散射、衍射(绕射),AE 障碍物相对波长的尺度由大至小,建筑声环境与材料,42,声音的透射和吸收,透射,反射,入射,透射系数,反射系数,吸声系数,围护结构隔声量：,一般情况下，透射部分的能量要小于反射部分的能量 值小的材料称为“隔声材料”;值小的称为“吸声材料”,建筑声环境与材料,43,情况1：在自由场的声音的传播和衰减,对于点声源,相对参考值,建筑声环境与材料,4

15、4,情况2：声音在室内空间中的传播,室内声场 由直达声与多次反射声组成 声音比自由声场大，且不随距离平方衰减 有“混响现象 ” 平均吸声系数 室内声级随时间t 衰减量,建筑声环境与材料,45,声音在室内的增长和衰减,室内吸声量越大，衰减越快 房间容积越大，衰减越慢,停止发声后衰减60dB的时间称为混响时间：,建筑声环境与材料,46,混响时间,混响时间T60：从声源发出声音到衰减了60dB，声波的能量只剩下百万分之一所需的时间。,Lp声压级 T衰减时间,建筑声环境与材料,47,赛宾公式： 艾润公式：,建筑声环境与材料,48,最佳混响时间,对于语言，一般混响时间要短些，以保证语言的清晰度 对于音乐

16、，混响时间长一些，可以使音乐更丰满，低音更有力度 房间尺寸小时，混响时间比较短，反之，则要长些。,建筑声环境与材料,49,室内的声压级,室内某点声压级 Q指向性因数，取决与声源与接收点的相对关系 R房间常数 S房间总表面积 a平均吸声系数,建筑声环境与材料,50,室内的声压级,吸声降噪： 当房间界面吸声系数R很小时；进行吸声处理，增加界面吸声系数R ，就可以使Lp减小，达到降低噪声的效果 但是，吸声增加，不能改变直达声，即 不会改变,建筑声环境与材料,51,第五节 噪声控制与治理,吸声 消声 隔声 隔振与阻尼 有源减噪技术 掩蔽 涂抹阻尼材料,建筑声环境与材料,52,控制噪声的最根本的办法就是

17、从声源上控制它 几种常用的噪声控制技术：吸声、消声、隔声、隔振、阻尼等。,建筑声环境与材料,53,一、吸 声,用吸声材料装饰在房间的内表面 , 或在室内悬挂空间吸声体 , 房间内的反射声就会被吸掉 , 房间内的噪声级就会降低。这种控制噪声的方法就叫吸声。 吸声材料用的是一些多孔、透气的材料 , 如玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、吸声砖、木丝板、甘庶板等 吸声材料对于高频噪声有很好的效果 , 对于低频噪声 , 吸声材料不是很有效。 最常见的共振吸声结构是穿孔板共振吸声结构,一般可以降低噪声 5dB-10dB,建筑声环境与材料,54,二、消 声,消声是消除空气动力性噪声的方法。 消声器的作用：阻止

18、或减弱噪声传播而允许气流通过 消声器结构形式很多 阻性消声器是利用吸声材料消声的。 对于低频噪声,常采用抗性消声器。 阻抗复合消声器消声量大 , 消声频率范围宽。,建筑声环境与材料,55,三、隔 声,把发声的物体或需要安静的场所封闭在一个小的空间中,使它与周围环境隔绝,这种方法叫隔声。 典型的隔声措施是：隔声罩、隔声间、隔声屏,建筑声环境与材料,56,声屏障,我国铁路自1997年起至今已进行了六次大提速，并且“十一五”期间将有5300多公里路线时速将达到200公里以上 我国近几年已批准立项或开工的客运专线有以下9条：武广、郑西、石太、京津、合武、合宁、甬温、温福、福厦，各条线的速度目标值为20

19、0km/h350km/h。 从2006年到2010年，中国投资12500亿元人民币，建设17000公里铁路新线。其中时速200公里以上的客运专线7000公里，300公里以上的客运专线大约5457公里。,建筑声环境与材料,57,声屏障,在列车车速达到一定值后，会带来许多空气动力学问题 高速行驶的列车使列车周围的空气产生强烈扰动,当行驶的列车通过声屏障瞬间,这一扰动将会加剧,这将引起声屏障表面的空气压力发生突变,形成一种瞬态压力冲击,在极短时间内相继出现正、负压力峰值 。 德国科隆至法兰克福段声屏障在结构设计时没有考虑脉动力的影响，2003年当列车在运行速度超过250km/h时，产生很大的列车脉动

20、力，声屏障会随之发生波状的振动，该振动使两侧的金属声屏障结构几乎全部受到不同程度的损伤，金属声屏障背板在脉动力作用下象纸片一样呈波浪形振动，铝合金单元板跨中断裂，两端连接处遭受破坏,建筑声环境与材料,58,四、隔振与阻尼,为了减少机器振动通过基础传给其他建筑物 , 通常的办法就是防止机械基础与其他结构的刚性连接 , 这种方法就叫基础隔振 主要措施有三种 在机器基础与其他结构之间铺设具有一定弹性的软材料 在机器上安装设计合理的减振器。 在机器周围挖一定深度的沟, 也能起到隔振作用 为了提高隔振效果 , 可将三种措施综合利用,建筑声环境与材料,59,五、有源减噪技术,利用电子线路和扩声设备产生与噪

21、声的相位相反的声音反声, 来抵销原有的噪声而达到减噪目的的技术 有源减噪的仪器系统 主要包括传声器、放大器、反相装置、功率放大器和扬声器。,建筑声环境与材料,60,六、掩蔽Sound Mask,用途1：大型敞开式办公室，减少相互干扰。 可利用适当的空调系统的背景噪声。,建筑声环境与材料,61,用途2：减少降低外部传入噪声的代价,建筑声环境与材料,62,七、涂抹阻尼材料,阻尼材料就是内损耗大的材料。 常见阻尼材料： 746 阻尼浆、沥青、软橡胶以及一些高分子涂料。 阻尼材料应具备尽可能高的阻尼系数, 并与金属板能紧密粘结。,建筑声环境与材料,63,第六节建筑声学材料与结构,建筑声环境与材料,64

22、,需要了解,吸声材料：材料的吸声机理、如何测定材料的吸声系数、不同吸声材料的应用，等 隔声材料：材料的隔声机理，如何提高材料的隔声性能，材料的隔声性能评定，材料隔振的机理，不同材料隔振效果，等,建筑声环境与材料,65,吸声材料和吸声结构,吸声材料的吸声系数和吸声量 吸声系数a：吸收声占入射声的比例 吸声特性和声波入射角度有关均匀方向的称作“无规入射”或“扩散入射” 室内声学设计中通常用扩散入射吸声系数 而在消声器设计中通常用垂直入射吸声系数 同一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。 吸声构件的实际吸声量与吸声构件的围蔽面积有关：AaS,建筑声环境与材料,66,多孔吸声材料 微孔很多

23、且相互连通，吸收多，反射少，效果好，如纤维板、毛毡、矿棉 微孔靠得很近却不相通，效果不好，如泡沫树脂、多孔橡胶 共振吸声结构 薄膜、薄板共振吸声结构 空腔、穿孔板共振吸声结构 空间吸声体,建筑声环境与材料,67,吸声材料吸声原理,声波导致空气在吸声材料中行进、反射、折射过程中产生摩擦而损耗声能，转变为热能 吸声材料也容易透声,建筑声环境与材料,68,吸声材料的频谱特性高频较易消除,建筑声环境与材料,69,吸声材料与结构,建筑声环境与材料,70,微 穿 孔 板,建筑声环境与材料,71,植物纤维环保材料,建筑声环境与材料,72,薄膜 薄板共振吸声结构,不透气薄膜薄板与板壁间有一空气夹层，薄膜、薄板

24、振动消耗声能。,建筑声环境与材料,73,共振消声,原理： 共振结构在声波激发下振动，部分振动能量转为热能而损耗，消耗声能，产生吸声效果； 在共振（f声波 f结构）时能量损耗最多 适应频带：中、低频 共振 共鸣！ 共鸣：机械能激发物体振动向空气辐射声能 共振：空气中传播的声能激发物体机械振动,建筑声环境与材料,74,空腔共振器,空腔孔颈空气柱由于共振而激烈运动，消耗能量，腔内空气起弹簧缓冲作用,建筑声环境与材料,75,穿孔板共振器,穿孔板与墙间空腔形成共振腔,建筑声环境与材料,76,空间吸声体,当房间表面不足作吸声表面时使用。,建筑声环境与材料,77,隔声隔振材料与结构,建筑声环境与材料,78,不同类型的隔声构件的隔声量,30 40,建筑声环境与材料,79,围护结构隔声,户间隔声： 质量定律： 墙越厚重、越密实，隔声越好 轻质填充墙：要采用双层墙或复合结构 墙上不能有孔洞：孔洞的衍射效应,建筑声环境与材料,80,空气间层的弹性变形具有减振作用 空气层厚度有一个最佳值,空气层对隔声效果的影响,建筑声环境与材料,81,小孔对隔声作用的影响,孔径相对波长越大，衍射作用越强,=11.7cm,=3.4m,建筑声环境与材料,82,课后思考题,简述影响吸声材料吸声特性的因素有哪些？ 结合实际工程，试述如何应用声波的反射、折射、投射以及吸收特性？,