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第二章 室内声学原理第一节 室内声场第二节 室内稳态声压级计算第三节 混响时间计算第四节 房间共振,1、随与声源距离的增加，声能发生衰减。对于点声源，无地面反射有：,2、对于存在地面反射的情况，有：,一、声音在室外与室内的传播（一）声音在室外空旷地带的传播,第一节 室内声场,自由声场：室外露天（自由空间）声音的传播。,距离增加一倍，声压级减少6dB。,（二）声波在室内封闭空间的传播,与室外情况不同，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，会有一个交混回响过程。3、房间较大，且表面形状变化复杂，会形成回声和声场分布不均，有时出现声聚焦等。 以上现象源于：封闭空间内各个界面使声波被反射或扩射。,【例】：在户外距离歌手10m处听到演唱的声压级为86dB，在距离80m处的声压级为多少？解：室外声场自由声场；点声源，距离增加一倍，减少6dB；10m86 20m86-6=80 40m80-6=74 80m74-6=68dB。,（三）建筑声学,室内声学中，可用几何声学、统计声学和波动声学的理论加以分析。但对于建筑师来讲，可少些关心复杂的理论分析和数学推导，重要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。,1. 几何声学：声线法（虚声源法），主要考虑声音的反射，特别是一、二次反射。考虑重点2. 波动声学：利用声音的波动性解释一些声学现象，如声衍射（绕射）、驻波。 3. 统计声学：从能量角度分析室内声音的状况，增长、稳态和衰减三个过程。,二、声波在室内的反射与几何声学,反射界面的平均吸声系数：,按面积加权平均,混响室,消声室,（一）声音在房间内的反射 当一声源在室内发声时，声波由声源到各接收点形成了复杂的声场。任一点接收到的声音都可看成由三个部分组成： （1）直达声：声源直接到达接收点的声音，不受室内界面影响，遵循距离平方反比定律。 （2）早期反射声：一般是指直达声到达后，相对延迟时间50ms（音乐声可放宽到80ms）内到达的反射声，对直达声起加强作用。前次反射声 （3）混响声：早期反射声后陆续到达，经过多次反射后的声音 统称为混响声。有些场合除直达声外，反射声统称为混响声。,比较混响声与回声,混响声：有益反射声,回声：强短延时反射声，有害,声音在房间内的反射,一次,二次,三次,三、 室内声音反射的几种情况 室内声学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。,几何声学：用声线的方法来研究声波在空间的传播（空间分布） 。使用几何声学方法时应注意：1）声波所遇到的反射界面、障碍物尺寸比声音的波长大得多。适合中、高频。如：63125Hz低频声，相应的波长为5.42.7m，在一个各个表面尺寸均小于声波波长的小房间，几何反射定律不适用。通常大房间可用几何声学研究。2）仅考虑反射，忽略波动性。,几何声学,第二节 室内稳态声压级计算公式及混响半径一、室内声音的增长、稳态和衰减统计声学,从能量角度，考虑室内声源开始发声、持续发声、停止等情况下声音形成和消失的过程。,当声功率级为Lw的点声源在室内连续发声，声场达到稳态时，距声源为r米的某一点的稳态声压级，可近似看作由直达声和混响声两部分组成。 直达声强度与距离r的平方成反比，而混响声强度则主要取决于室内吸声情况。,二、稳态声压级计算公式,1、计算公式：当室内声源声功率一定时，稳态时，室内距离为r的某点稳态声压级的计算公式为：,公式应用前提：1）点声源2）连续发声3）声场分布均匀,指向性因数：QQ=1（房间中心自由空间）；2（壁面中心半自由空间）；4（两壁面交线1/4自由空间）；8（角落上1/8自由空间）,R：房间常数,由直达声场和混响声场组成,3、意义： 通过对室内声压级的计算，可预计所设计大厅内能否能达到满意的声压级及声场分布是否均匀，如果采用电声系统，还可计算扬声器所需功率。4、应用 （1）求指定位置LP ； （2）保证指定位置LP ，求W； （3） 吸声降噪的理论依据。,【例题】 某观众厅体积为20000m，室内总表面积为6527m。已知500Hz的平均吸声系数为0.232，演员声功率为340微瓦。在舞台上发声，求距声源39m处（观众席最后一排座位）的声压级。解： 求得： 而一般要求基本满足要求，不需电声设备。,例题,三、混响半径rc1、当r较小（靠近声源）O，直达声大于混响声，以直达声场为主随着距离r的增大，混响声作用逐渐加强 2、当r较大（远离声源），直达声小于混响声，以混响声场为主声压级大小主要决定于室内吸声量大小，与距离无关 3、直达声与混响声作用相等处距声源距离称 “混响半径”rc 。,讨论稳态声压级计算公式3种情况引入混响半径,混响半径,4、求混响半径 rc的意义 降低室内噪声时：1）若接收点在rc 之内，由于接收到的主要是直达声，用增加房间吸声量的方法没有效果；2）如果接收点在rc 之外，即远离声源，接收到的主要是反射声，用增加房间吸声量的方法能明显降噪。,吸声降噪依据,【例题】 位于房间中部一个无方向性声源在频率500Hz的声功率级为105dB，房间总表面积为400m2，对频率为500Hz声音的平均吸声系数为0.1。求： （1）在与声源距离3m处的声压级？ （2）混响半径是多少？ 解 （1）该声源的指向性因数Q=1，将各已知数据带入公式， 得： （2）由公式 ，带入数据，得：,例题,第三节 混响时间的计算公式,一、混响过程：声源在室内发声后，由于界面反射与吸收的作用，使室内声场经历逐渐增长稳态；若声源停止发声，声音不会立即消失，而要经历逐渐衰减的过程混响过程。,二、混响时间 Reverberation TimeRT1、定义：可从两个方面定义（1）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。（2）声能密度衰减到原来的百万分之一所经历的时间叫混响时间T60。,音质设计中，用混响时间作为控制室内混响过程长短的定量指标。,混响时间长，将增加音质丰满度，但过长，会影响听音清晰度。混响时间短，有利于清晰度，但过短，会使声音显得干。根据厅堂用途来选择合适混响时间,专业英语关于混响时间的定义：The time it takes for an initial sound to fade out is called reverberation time。,2、计算公式（1）赛宾公式,赛宾美国物理学家，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，并提出混响时间经验计算公式赛宾公式。,讨论：T60V，T601/A 当趋近于1时，T600.161V=C（常数） 而实际物理过程，趋近于1时，T60=0 适用于平均0.2 规划阶段使用,T60 混响时间（s）； V 房间容积（m3）； A 房间总吸声量（m2）； 房间平均吸声系数； S1 、S2 Sn 室内各界面不同材料的表面积（m2）1 、2 n 不同材料的吸声系数（m2）,赛宾公式,观众吸声： A观=nAj单个座椅吸声,（2）伊林公式,讨论：当趋近于1时，ln（1）趋向于，使T60 趋向于零， 与实际物理过程相符，故平均无限制适用于方案设计阶段。,（3）改进的伊林公式适用于施工图阶段,4m：空气吸收系数,计算RT时，频率一般取125、250、500、1k、2k、4k六个倍频程,仅考虑室内吸声,考虑空气吸声,3、混响时间计算的局限性1）室内条件与假设条件并不完全一致。（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。,以扩散声场为假设条件： 1）声能密度在室内均匀分布。即在室内各点上，声能密度处处相等； 2）在室内任一点上，来自各个方向声强都相同。,2）计算用材料吸声系数与实际情况有误差，一般误差在10%15%。,混响室模拟扩散声场的实验室,4、计算RT的意义：1）“控制性”地指导材料的选择与布置；2）预测建筑室内的声学效果；3）分析现有的音质问题。,【例题】：据测定，某大厅内稳态声场衰减35d时间为1.0s，根据混响时间定义，可知该厅混响时间为多少秒？ 解：/35T6060 T601.7s,例题,【例题】：据称，伦敦圣保罗大教堂的总容积为150000立方米，其空场混响时间为11.7s（500z），满场时为6.3s，请推算当满场时，教堂内坐了多少人？解：空场： T600.16110.161150000111.7 12064.1 满场： T6020.16120.1611500006.3 23833.3 n1769.20.44423人,例题,第四节 房间共振 无法用几何声学解释什么样的房间出现共振现象。一、共振1、定义：当某一频率与房间本身固有频率（共振频率或简正频率）相等时，该频率处就发生共振现象振动加强。2、驻波：由两列同频率、同振幅的声波相向传播叠加而形成。同一条直线入射波、反射波相向传播时，入射波、反射波叠加后形成的波,相距为L的两平行墙面间驻波产生的条件：L=n/2,驻波形成,图中竖线处，均是始终不振动的点，声压为零，称波节；两波节间中点处，有固定的压力起伏，振幅达到最大，称波腹。振动加强共振,切向振动,斜向振动,轴向振动,矩形房间会产生一维、二维、三维空间上的驻波共振,只要nx 、ny 、 nz不全为零，就对应一组振动方式。一个房间有无限个共振频率；其值与房间几何尺寸有关。如：计算尺寸为7m7m 7m的矩形房间的十个最低共振频率：,3、共振频率：（1）数目无数个；（2）分布特点：房间越大，个数越多，易均匀；房间越小，个数越少，不易均匀。,1、简并现象 不同共振方式的共振频率相同时，会出现共振频率的重叠（分布不均匀或集中）。如777（0，0，1），（0，1，0），（0，0，1），共振频率相同，故正方体声学最不利最易出现简并现象；2、声染色 简并出现时，共振频率声音被大大加强，形成频率特性失真，低频会产生翁声，频率畸变“声染色”（coloration)。小房间：录音室、播音室。,简并,矩形小房间低频段最容易引起简并现象,二、共振频率的简并,3、防止根本原则：使共振频率分布尽可能均匀。4、克服简并现象的措施： 1）改变房间的尺寸、比例。 小房间：1.25：1.6；中：1.6：2.5。 2）房间墙面或顶面做成不规则形状。 3）不规则的布置吸声材料。 4）布置声扩散构件。,琴房,小房间形状与声学关系,录播音室2,录播音室1,录音室平面图,不规则吸声消除声染色,某录音室立面图,不规则吸声消除声染色,小结：室内稳态声压级、混响时间和房间共振重点：混响半径、混响时间及计算公式；共振频率简并、声染色及防止方法。难点：驻波概念；共振频率简并、声染色及防止方法。,作业：教材P301 1-6 1-7 1-8 1-9,