建築物理複習:室內聲學原理及音質設計,材料和結構的聲學特性

2021-01-21 建築學小渣

導讀:聲學的主要內容主要由室內聲學原理、材料和結構的聲學特性、室內音質設計以及噪聲控制四個主要章節組成,本文將分別對此進行重點歸納。我是正在備考期末考試的建築生,如果你也是,不妨點個關注,一同進步。

01室內聲學原理

本章的重點主要有以下四點:

混響時間以及計算公式混響半徑室內穩態聲壓級的計算房間共振,共振簡併、聲染色及防治方法

1.1混響和混響時間的計算公式

混響時間:室內聲場達到穩態後,聲源突然停止發聲,室內的聲壓級將按照線性規律衰減。

衰減60db所經歷的時間即混響時間T60,單位s;聲能密度衰減到原來的百萬分之一所經歷的時間為混響時間T60。

在音質的設計中,用混響時間作為控制室內混響過程長短的定量指標。

混響時間的長短會影響聽音的清晰度,越長越不清晰,但是太短會使聲音很乾。

計算公式主要有三種:

賽賓公式:T60=0.161V/A伊林公式【僅考慮室內吸聲】:T60=1.161V/-s lin(1-a)依林-努特生公式【考慮空氣吸聲】:T60=0.161V/-s ln(1-a)+4mV賽賓公式表示混響時間近似於房間的體積成正比,而與房間吸聲量成反比。

T60——混響時間(s);

V——房間容積(m);

A——房間總吸聲量(m);

a——房間平均吸聲係數。【在混響室,平均吸聲係數為0,在普通廳堂位於0-1之間,在消音室其數值等於1】

伊林公式僅用於方案設計階段,因為其僅僅考慮了室內吸聲,而依林-努特生公式用於施工圖階段,將空氣吸聲也考慮到了計算中。

混響時間計算會存在一定局限性:主要有室內條件與假設條件不完全一致、計算用材料吸聲係數與實際情況有誤差兩點。

T60的意義:

「控制性」指導材料的選擇與布置;預測建築室內的聲學效果;分析現有建築的音質缺陷。

1.2室內聲壓級計算與混響半徑

聲壓級計算需要注意,其由兩部分組成,分別是直達聲與混響聲。

計算公式為:

Lp=Lw+10lg(Q/4πr+4/R)

或Lp=10lgW+10lg(Q/4πr+4/R)+120

推導:Lw=10lgW+120

公式的應用前提:點聲源、連續發聲、聲場分布均勻

註:Lw表示聲源的聲功率級,dB;

W表示聲源聲功率級,W;

r表示離開聲源的距離,m;

R表示房間常數,R=Sa/1-a;

Q表示指向性因素,當房間中心-自由中心時Q=1,壁面中心-半自由空間時Q=2。

計算室內聲壓級的意義:預計所設計大廳內能否達到滿意的聲壓級及聲場分布是否均勻。

應用方面,可以求指定位置Lp、保證指定位置Lp,求W、吸聲降噪的理論依據。

在降低室內噪聲時,求得混響半徑r0的意義:

若接收點在r0之內,由於接收到的主要是直達聲,用增加房間吸聲量的方法沒有效果;如果接收點在r0之外,即遠離聲源,接收到的主要是反射聲,用增加房間吸聲量的方法能夠明顯降噪。

1.3房間共振和共振頻率

共振定義:當某一頻率與房間本身固有頻率相等時,該頻率處就發生共振現象。

簡併現象:不同共振方式的共振頻率相同時,會出現共振頻率的重疊。正方體聲學最不利,最容易出現簡併現象。

聲染色:簡併出現時,共振頻率聲音被大大加強,形成頻率特性失真,低頻會產生翁聲,頻率畸變。

錄音室、播音室等尺寸較小、體型較簡單的播音室和錄音室的影響尤為重要。

如何克服簡併現象:改變尺寸、不規則形狀、不規則布置吸聲材料、布置聲擴散構件。

常見的琴房等都是不規則狀。

02材料和結構的聲學特性

本章重點:

吸聲係數和吸聲量影響多孔材料吸聲係數的因素共振吸聲結構空間吸聲體透射係數和隔聲量單層隔牆聲頻特性及質量定律撞擊聲隔絕措施聲音的反射與擴散2.1吸聲材料和吸聲結構

吸聲係數的定義:a=(E總-E反)/E總,聲波接觸吸聲界面後失去能量佔總能量的比例,且數值永遠小於1。

吸聲材料的分類:

a.多空吸聲材料:纖維狀、顆粒狀、泡沫狀;

b.共振吸聲結構:空腔共振吸聲結構、薄板共振吸聲結構、薄膜共振吸聲結構;

c.其他吸聲結構:空間吸聲體、吸聲尖劈

2.2隔聲和構件的隔聲特性

聲音在房屋建築中的傳播途徑:

空氣傳播圍護結構傳播機械的撞擊與振動隔聲的分類:

空氣聲隔絕固體聲隔絕隔聲性能與入射聲波的頻率、牆本身的面密度、勁度、材料的內阻尼等有關。

質量定律:牆越厚重、越密實、隔聲越好輕質填充牆:要採用雙層牆或複合結構牆上不能有孔洞:孔洞的衍射效應門窗的歌聲性能很薄弱,一般門窗的隔聲輕薄,而且存在較多縫隙,隔聲性能比牆體低得多。

措施:做好周邊的密封處理、採用厚而重的門扇、採用多層複合結構;採用較厚的玻璃,雙層玻璃留較大的間隙、兩層玻璃間放吸聲材料、保證玻璃與窗框、窗框與牆壁之間的密封處理。

撞擊聲的隔絕途徑:使振動源減弱、阻隔振動在樓層結構中的傳播、阻隔空氣聲。

2.3反射與反射體

定向反射:設計的反射面能使一定方向來的入射波反射到指定的方向上;

擴散反射:無論聲波從哪個方向入射到界面上,反射聲波均向各個方向反射。

03室內音質設計

知識要點:

廳堂音質的主客觀評價方法和指標音質設計的主要內容廳堂音質的體型設計:容積、控制前次反射聲、避免音質缺陷混響時間設計音樂廳、會議廳、體育館等音質設計特點3.1音質的主管評價與客觀指標

主觀的評價標準:合適的響度、低的噪聲幹擾、無聲學缺陷(回聲、聲聚焦、聲染色)、高的清晰度、好的音色(夠豐滿、夠親切、擴散感、明晰度)

客觀技術指標:聲壓級與混響時間及頻率特性(混響時間的長短、頻率特性是否平直)、反射聲的時間與空間分布(聲脈衝響應分析)

混響時間相同,其清晰度、豐滿度、明亮度、親切感等可能不同,與廳堂形體、構造相關。

音質設計的主要內容主要包括以下方面:

選址:在總圖設計保證房間的合理配置,減少外界對主要環境的幹擾。確定容積:在要求滿足的前提下,確定經濟合理的房間容積和每座容積。通過體型設計,充分利用有效聲能,使反射聲在時間和空間上合理分布,並防止聲學缺陷。根據使用要求,確定合適的混響時間及頻率特性,計算大廳吸聲量,選擇吸聲材料與結構。根據房間情況及聲源聲功率大小計算室內聲壓級大小,並決定是否採用電聲系統。確定室內允許噪聲標準,計算室內背景聲壓級,確定採用哪些噪聲控制措施。在大廳主體結果完工之後,室內聲學裝修前,進行聲學測試,如有問題進行設計調整。工程完成後進行音質測量和評價。對於重要的廳堂,必要時應用計算機仿真及縮尺模型技術配合進行音質設計。對有擴聲系統的廳堂,尚必須配合電聲工程師進行擴聲設計。①大廳容積的確定:確定容積需要考慮的因素(響度)、每座容積、確定V方法(功能-每座容積、容量-觀眾數量)

②大廳的體型設計:利用直達聲、爭取和控制好早期反射聲(天花、側牆)、擴散設計、消除聲缺陷(回聲、顫抖回聲、聲聚焦、聲影)

③大廳的混響設計:最佳混響時間、頻率特性曲線、明白混響時間的設計步驟

混響時間的設計步驟:

計算廳堂的V/S-平、剖面圖確定最佳T60(RT)及頻率特性-功能+容積計算各頻帶所需要的f總吸聲量A總確定必須的固定吸聲量Af固計算所需補充的吸聲量吸聲材料的選擇整理T60設計方案,驗算T60

3.2各類建築的音質設計

音樂廳:

使大廳具有較長的混響時間以保證廳內聲場有足夠的豐滿度。充分利用反射聲,使之均勻分布於觀眾席,使之均勻分布於觀眾席,以保證大多數座位有足夠的響度與親切感,特別注意增加側向反射,使廳內有良好的圍繞感。體育館:

防止天花與場地間的多重反射。控制混響時間。設置強指向性擴聲系統。本章重點總結:

音質的評價指標音質設計步驟廳堂容積的確定方法充分利用直達聲的方法爭取和控制前次反射聲的方法音質缺陷的種類,以及對應方法通過平面、剖面判斷廳堂音質的好壞設計混響時間的頻率特性

04噪聲控制

本章要點:

噪聲的評價指標噪聲允許標準和法規城市噪聲控制建築中的噪聲控制設備減振4.1噪聲允許標準和法規

評價指標:穩態噪聲評價、環境噪聲限值

4.2噪聲控制的原則與方法

噪聲汙染源:交通噪聲、工業噪聲、生活噪聲

方法:聲源處控制、接收點控制(護耳器、減少暴露時間等)

噪聲控制的工作步驟:

調查噪聲現狀,確定噪聲聲級確定噪聲允許標準選擇控制措施

4.3城市噪聲的控制

城市噪聲分為交通噪聲、工業噪聲、建築施工噪聲、生活噪聲四種。

噪聲控制規劃:

城市規模控制:城市噪聲與城市人口數量有定量關係區域規劃:工業區、商業區、居住區、安靜區道路規劃建築布局屏障綠化噪聲控制實例:

居住區道路網規劃設計中,應對道路的功能與性質進行明確分類、分級,分清交通性幹道和生活性道路。生活性道路只允許通行公共運輸車輛、輕型車輛和少量為生活服務的貨運車輛,並且對通行時間也做一個限值。居住區內道路的布局與設計應有助於保持低的車流量和車速。有噪聲幹擾的工業區域必須用防護地帶與居住區分開,布置時還需要考慮主導風向。對於居住區或居住區附近產生的高噪聲或震動施工機械,必須限值作業時間,避免對居民的幹擾。本章重點:噪聲控制原則;城市噪聲控制規劃介紹;噪聲控制實例說明。

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