《建筑物理》课程授课教案（建筑声学）第二十讲 声学的基本知识

第10周，第2课程名称：《建筑物理》进摘要第三篇建筑声学第一章建筑声学基本知识第1-7节授课题目（章、节）【目的要求】掌握声功率、声强、声压等概念，了解声波的传播规律、驻波、房间混响等知识点

课程名称：《建筑物理》 第 10 周，第 2 讲 摘 要 授课题目（章、节） 第三篇 建筑声学 第一章 建筑声学基本知识 第 1-7 节 【目的要求】掌握声功率、声强、声压等概念，了解声波的传播规律、驻波、房间混响等知识点

第一节声音、声源的方向性几个定义1声音：人耳所感到的“弹性”介质中振动或压力的迅速而微小的起伏变化。“弹性”介质：在受到振动的波干扰后，介质的质点即回到其原来的位置。声音在空气中传播时，传播的只是振动的能量，空气质点并不传到远处去。2声源：受到外力作用而产生振动的物体。3行波：膜片的继续振动使这种密集与稀疏一次扰动空气质点，这就是所谓“行波”。4波振面：声波在同一时刻到达的球面。点声源：单个声源的尺度比所辐射的声波波长小的多。线声源：辐射柱面波。面声源：强度的减弱很慢。5声音的方向性第二节声功率、声强、声压、分贝几个定义：1声功率：声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位为瓦（W)或微瓦（μW)2声强：在声波传播过程中每单位面积波振面上所通过的声功率。记为1，单位为W/m公式：I-W/SW/m式中：S一声能所通过的面积，m距声源中心为r的球面上的声强为：I=W/S=W(4元r2)W/m注意：在计算中通常都假设声音在介质的传播中是无损耗、无衰减的，但是在实际上，在一般介质传播中，声能总是有损耗的。3声压：空气质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力起伏，记P.单位牛顿/平方米(N/m2)注意：任何一点的声压都是随时间而变的，每一瞬间的声压称为瞬时声压，某段时间内瞬时声压的平均值称为有效声压。声压和声强的关系：在自由声场中，某处的声强与该处声压的平方成正比，而与介质密度与声速的乘积成反比。I=p2/p.C

第一节 声音、声源的方向性 几个定义 1 声音：人耳所感到的“弹性”介质中振动或压力的迅速而微小的起伏变化。 “弹性”介质：在受到振动的波干扰后，介质的质点即回到其原来的位置。 声音在空气中传播时，传播的只是振动的能量，空气质点并不传到远处去。 2 声源：受到外力作用而产生振动的物体。 3 行波：膜片的继续振动使这种密集与稀疏一次扰动空气质点，这就是所谓“行 波”。 4 波振面：声波在同一时刻到达的球面。 点声源：单个声源的尺度比所辐射的声波波长小的多。 线声源：辐射柱面波。 面声源：强度的减弱很慢。 5 声音的方向性 第二节 声功率、声强、声压、分贝 几个定义： 1 声功率：声源在单位时间内向外辐射的声能，记为 W，单位为瓦（W)或微瓦（μ W） 2 声强：在声波传播过程中每单位面积波振面上所通过的声功率。记为 I，单位为 W/㎡ 公式：I=W/S W/㎡ 式中：S—声能所通过的面积，㎡ 距声源中心为 r 的球面上的声强为： I=W/S=W/(4πr2) W/㎡ 注意：在计算中通常都假设声音在介质的传播中是无损耗、无衰减的，但是在实 际上，在一般介质传播中，声能总是有损耗的。 3 声压：空气质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力起伏，记 P. 单位 牛顿/平方米(N/m2) 注意：任何一点的声压都是随时间而变的，每一瞬间的声压称为瞬时声压，某段 时间内瞬时声压的平均值称为有效声压。 声压和声强的关系： 在自由声场中，某处的声强与该处声压的平方成正比，而与介质密度与声速 的乘积成反比。 I = p2 /ρ0 c

4分贝：声强和声压的变化范围很大，对声音的变化的反应不是线性的，很难直接用声强或声压来计量，改用对数标度不仅压缩了上述的范围，还能大致符合人耳对响度反应的特征。对声音计量常用的单位是分贝（dB）声强级表示式为：LI=10lgI/I声压级表示式为：Lp=20lgP/P声功率级表示式为：LW=10gW/W。注意：a.声强级、声压级、声功率级和声强、声压、声功率是不同的概念。b.当几个不同声源同时作用时，它们在某处形成的总声强是各个声强的代数和即I=I1+I2+.·+In而它们的总声压级为各声压级的均方根值例1：两个声源传到某处的声压相等，P1=P2=P，求其声压级。P?+PV2PP=201g/2+20lg=20lgL,= 20lgPPP例2：已知：Lp = 5dB10.4dB=9dB14.6dB(aaLp =13dB例3：在人行道测得二辆汽车声音的声压级分别是77dB和80dB，它们的总声压级是多少？声压级差SL,(dB)(4Lp=La-Lm,Ls>Lm）解：两个声压级差为80-70=3dB图3.1-5用于分贝相加的图查表：△L=1.8dB总声压级：80+1.8=81.8dB例4：在一个吵闹车间里测得总声压级为92dB，当某设备停止运转后，车间图里背景噪音声压级为88dB，求该设备运转噪声的声压级。11声压级差4L(dB)，(4L,=Lm-Lp）Lp-Lpu=92-88=4dB图3.1-6用于分贝相减的图AL=2.2dB设备运转噪声声压级：92-2.2=89.8dB

4 分贝： 声强和声压的变化范围很大，对声音的变化的反应不是线性的，很难直接用 声强或声压来计量，改用对数标度不仅压缩了上述的范围，还能大致符合人耳对 响度反应的特征。对声音计量常用的单位是分贝（dB） 声强级表示式为： LI = 10lgI/I0 声压级表示式为： Lp=20lg P/P0 声功率级表示式为：LW=10lgW/W0 注意： a. 声强级、声压级、声功率级和声强、声压、声功率是不同的概念。 b. 当几个不同声源同时作用时，它们在某处形成的总声强是各个声强的代数和, 即 I=I1+I2+.+In, 而它们的总声压级为各声压级的均方根值 例 1：两个声源传到某处的声压相等，P1=P2=P，求其声压级。 0 0 0 2 2 2 1 20lg 2 20lg 2 20lg 20lg P P P P P P P L p = = + + = 例 2：已知： LP 5dB 1 = LP 9dB 2 = LP 13dB 3 = 10.4dB 14.6dB 例 3：在人行道测得二辆汽车声音的声 压级分别是77dB和80dB, 它们的总声 压级是多少? 解：两个声压级差为 80-70=3dB 查表：△L=1.8dB 总声压级： 80+1.8=81.8dB 例 4：在一个吵闹车间里测得总声压级 为 92dB，当某设备停止运转后，车间 里背景噪音声压级为 88dB，求该设备 运转噪声的声压级。 LP − LP = 92 −88 = 4dB 总 背景 L = 2.2dB 设备运转噪声声压级： 92-2.2=89.8dB

第三节频率和频谱、音乐、噪声一、频率1定义：质点在一秒钟内的完全振动次数，用f表示，单位为赫兹(Hz)。2属性：a人耳听到的声音频率范围：20～20000Hz低于20Hz的声波称次声；高于20000Hz的称为超声。次声和超声不能使人耳产生声觉。b频率决定声音的音调，高频声音是高音调，低频声音是低音调低频声：1000Hz二、波长定义：声波在每次完成振动周期所传播的距离，用入表示，单位为米(m)三、声速1定义：声波的传播速度，称声速c，单位为m/s。2特点：是振动传播的速度，它的大小与振源的特性无关，而与介质的弹性、密度及温度有关。例如：当温度为0℃时，声波在不同介质中的传播速度为：松木：3320m/s软木：500m/s钢：5000m/s水：1450m/s在空气中，声速与温度的关系：C( )=331.45+0.61 0式中：0一空气温度，℃声速、波长、频率有如下关系：C=f 入或c=/T双耳效应：声音是以波的形式传播，而声波在空间不同位置上的相位是不同的（除非刚好相距一个波长）。由于两耳在空间上的距离，所以声波到达两耳的相位就可能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的，这个振动的相位差也就成为我们判别声源方位的一个因素。频率越低，相位差定位感觉越明显。四、频谱定义：以频率范围为横坐标与其相应的声压级为纵坐标所组成的图形。由一些离散频率成分形成的谱称为线谱。在一定频率范围内含有连续频率成分的谱称为连续谱。五、噪声人耳听不出其中包含有任何谐音或者音调的特征，但这种声音的主要频率是可以辨认的。噪声大多是连续谱

第三节 频率和频谱、音乐、噪声 一、频率 1 定义：质点在一秒钟内的完全振动次数, 用 f 表示, 单位为赫兹(Hz)。 2 属性： a 人耳听到的声音频率范围：20～20000Hz 低于 20Hz 的声波称次声；高于 20000Hz 的称为超声。 次声和超声不能使人耳产生声觉。 b 频率决定声音的音调,高频声音是高音调,低频声音是 低音调 低频声：1000Hz 二、波长 定义：声波在每次完成振动周期所传播的距离, 用λ表示, 单位为米(m). 三、声速 1 定义：声波的传播速度，称声速 c，单位为 m/s。 2 特点：是振动传播的速度，它的大小与振源的特性无关，而与介质的弹性、密 度及温度有关。 例如：当温度为 0℃时，声波在不同介质中的传播速度为： 松木：3320 m/s 软木：500m/s 钢：5000m/s 水：1450m/s 在空气中，声速与温度的关系： C(θ)=331.45+0.61θ 式中：θ—空气温度，℃ 声速、波长、频率有如下关系： c=fλ或 c=λ/T 双耳效应：声音是以波的形式传播，而声波在空间不同位置上的相位是不同的（除 非刚好相距一个波长）。由于两耳在空间上的距离，所以声波到达两耳的相位就可 能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的，这个振动的相位差也就成为我们判 别声源方位的一个因素。频率越低，相位差定位感觉越明显。 四、频谱 定义：以频率范围为横坐标与其相应的声压级为纵坐标所组成的图形。 由一些离散频率成分形成的谱称为线谱。 在一定频率范围内含有连续频率成分的谱称为连续谱。 五、噪声 人耳听不出其中包含有任何谐音或者音调的特征，但这种声音的主要频率是 可以辨认的。 噪声大多是连续谱

第四节声音在户外的传播一、吸收衰减1点声源随距离的衰减定义：所谓点声源就是声源的尺寸相对于声波的波长或传播距离而言较小时，声源可近似视为理想点声源或球面声源，它向媒质辐射球面声波。声功率稳定时,声压级的公式：LP=LW+10lg（1/4r2)=LW- 10lg4 π - 101g r2= LW- 11-20lgr已知rl处的声压级为Lpl，距离r2=nrl处的声压级Lp2，则：LP1=LW-11-20lg rlLP2=LW - 11- 20lg r2Lp2 = Lp1 -201gr2/rl = Lp1 - 20lgn2声源的衰减：定义：所谓线声源就是指声源的尺寸相对于声波的波长或传播距离而言，当其高度和宽度可以忽略，但长度不能忽略时，则声源可近似视为线声源或柱面波。Lp=Lw-8-10lgr衰减规律：无限长线声源：距离增加1倍，声压级降低3dB有限长线声源：距离较近时，距离增加1倍，声压级降低3dB距离较远时，距离增加1倍，声压级降低6dB3面声源的衰减：衰减规律：观测点与声源距离较近时，声能没有衰减距离较远时，降低的数值为3~6dB二、传播衰减1空气吸收：空气的吸收性能可用空气的衰减常数m表示，其值主要取决于空气的相对湿度，其次是温度。空气的吸声量为：房间的容积×相应的吸声系数2绿色植被的吸收2.3气流和大气温度梯度的吸收

第四节 声音在户外的传播 一、吸收衰减 1 点声源随距离的衰减 定义：所谓点声源就是声源的尺寸相对于声波的波长或传播距离而言较小时，声 源可近似视为理想点声源或球面声源，它向媒质辐射球面声波。 声功率稳定时,声压级的公式： LP=LW+10lg（1/4πr2） = LW - 10lg4π- 10lg r2 = LW - 11- 20lg r 已知 r1 处的声压级为 Lp1，距离 r2 =n r1 处的声压级 Lp2，则： LP1= LW - 11- 20lg r1 LP2= LW - 11- 20lg r2 Lp2 = Lp1 -20lgr2/r1 = Lp1 - 20lgn 2 声源的衰减： 定义：所谓线声源就是指声源的尺寸相对于声波的波长或传播距离而言，当其高 度和宽度可以忽略，但长度不能忽略时，则声源可近似视为线声源或柱面波。 Lp = Lw -8-10lgr 衰减规律： 无限长线声源：距离增加 1 倍,声压级降低 3dB 有限长线声源：距离较近时,距离增加 1 倍,声压级降低 3dB 距离较远时,距离增加 1 倍,声压级降低 6dB 3 面声源的衰减： 衰减规律：观测点与声源距离较近时，声能没有衰减 距离较远时，降低的数值为 3~6dB 二、传播衰减 1 空气吸收：空气的吸收性能可用空气的衰减常数 m 表示，其值主要取决于空气 的相对湿度，其次是温度。 空气的吸声量为：房间的容积×相应的吸声系数 2 绿色植被的吸收 2.3 气流和大气温度梯度的吸收

第五节声音在户外的传播一、声反射声波在传播中遇到尺寸比其波长大得多的界面时，声波将被反射；若声源发出的是球面波，经反射后仍是球面波。平面的反射：曲面的反射：波阵面反射面反射面波面反射面波阵面图3.1-122平面对声波的反射二、声折射：白天、晚上顺风、逆风声源声源声影(a)三、声衍射当声波在传播过程中遇到障壁或建筑部件（如墙角、梁、柱等）时，如果这些障壁或部件的尺度比声波波长大，则其背后将出现“声影”，然而也会出现声音绕过障壁边缘进入“声影”的现象。反射板尺度的影响：大尺度反射板反射作用强，衍射弱小尺度反射板反射作用弱，衍射强声音频率的影响：对高频声反射作用强，衍射弱对低频声反射作用弱，衍射强

第五节 声音在户外的传播 一、声反射 声波在传播中遇到尺寸比其波长大得多的界面时，声波将被反射；若声源发 出的是球面波，经反射后仍是球面波。 平面的反射： 曲面的反射： 二、 声折射： 白天、晚上 顺风、逆风 三、声衍射 当声波在传播过程中遇到障壁或建筑部件(如墙角、梁、柱等)时，如果这些 障壁或部件的尺度比声波波长大,则其背后将出现“声影”，然而也会出现 声音绕过障壁边缘进入“声影”的现象。 反射板尺度的影响： 大尺度反射板反射作用强，衍射弱 小尺度反射板反射作用弱，衍射强 声音频率的影响： 对高频声反射作用强，衍射弱 对低频声反射作用弱，衍射强

四、声扩散声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的界面就会被分解成许多小的比较弱的反射声波。五、声吸收声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦使一小部分声能转化为热能，常称为空气对声的吸收。吸声系数吸声量六、声透射当声波入射到某一围护结构时，使结构层产生振动，从而向另一面辐射声波的现象称声透射。隔声量：声音传过围护结构前后的声压级之差，它与透射系数的关系为：R=10lg(1/T)任何一种既定的隔墙，隔墙两侧的声级差是一个常数。第六节驻波和房间共振、混响时间、室内声压级一、驻波定义：当声波在传播方向遇到垂直的刚性反射面时，用声压级表示的入射声波在反射时没有振幅和相位的改变，入射波和反射波相互干涉形成了驻波。二、共振定义：两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另外一个物体振动，这种现象叫共振。三、混响时间1混响：在围蔽空间里，声源停止发声后，可以听到声音的延续。2稳态声压级：声音由直达声和不同延时的混响声建立起来，知道房间对声能的吸收与声源发出的能量相等，这是室内声音的能量达到稳定状态。只要在室内持续发声，室内的声音仍保持一定的声压级。3混响时间：在声源停止发声后，室内的声能立即开始衰减，声音自稳态声压级衰减60dB所经历的时间。四、室内声压级公式：Q4w+ 10lg(-=4 元r2R

四、声扩散 声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的界面就会被分解成许多小的比较弱 的反射声波。 五、声吸收 声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间的摩擦使一小部分声能转化 为热能，常称为空气对声的吸收。 吸声系数 吸声量 六、声透射 当声波入射到某一围护结构时，使结构层产生振动，从而向另一面辐射声波 的现象称声透射。 隔声量：声音传过围护结构前后的声压级之差，它与透射系数的关系为： R=10lg(1/ τ) 任何一种既定的隔墙，隔墙两侧的声圧级差是一个常数。 第六节 驻波和房间共振、混响时间、室内声压级 一、驻波 定义：当声波在传播方向遇到垂直的刚性反射面时，用声压级表示的入射声波在 反射时没有振幅和相位的改变，入射波和反射波相互干涉形成了驻波。 二、共振 定义：两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另外一个物体振动， 这种现象叫共振。 三、混响时间 1 混响：在围蔽空间里，声源停止发声后，可以听到声音的延续。 2 稳态声压级：声音由直达声和不同延时的混响声建立起来，知道房间对声能的 吸收与声源发出的能量相等，这是室内声音的能量达到稳定状态。只要在室内持 续发声，室内的声音仍保持一定的声压级。 3 混响时间：在声源停止发声后，室内的声能立即开始衰减，声音自稳态声压级 衰减 60dB 所经历的时间。 四、室内声压级 公式： Lp = Lw + 10lg( + ) Q 4πr 2 4 R

第七节人对声音的感受一、人耳的听觉、响度级、A声级听阅二、响度级人们对声音的响度感觉主要取决于频率或频谱。人耳对纯音的响度感觉，既随声音的频率而变，也随声音的强度而变。响度级（方））12010100g0（P)606050404030AIN202010闻酒T+H+Trm10k20k5005k1k2k2050100200频率(Hz)图3.1-25纯音的等响度级线由图可知：（1）人耳对低频声敏感度较差。（2）对于较高的声压级，人耳对于不同频率的响应比较一致。用声级计的不同网络测得的声级，可以记作：A计权网络参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低频不敏感的特性。通常，人耳对不太强的声音的感觉特性与40方的等响曲线很接近，常多使用A网络：目前世界各国声学界公认以A声级来作为保护听力和健康，以及环境噪声的评价量。C计权网络具有接近线性的较平坦的特性，在整个可听范围内几乎不衰减，以模拟人耳100方纯音的响应；B计权网络介于A、B两者之间，对低频有一定的衰减，模拟人耳70方纯音的响应；D计权网络用来测量航空噪声

第七节 人对声音的感受 一、人耳的听觉、响度级、A 声级 听阈 二、响度级 人们对声音的响度感觉主要取决于频率或频谱。人耳对纯音的响度感觉，既随 声音的频率而变，也随声音的强度而变。 由图可知： （1）人耳对低频声敏感度较差。 （2）对于较高的声压级，人耳对于不同频率的响应比较一致。 用声级计的不同网络测得的声级，可以记作： A 计权网络 参考 40 方等响曲线，对 500Hz 以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低 频不敏感的特性。 通常，人耳对不太强的声音的感觉特性与 40 方的等响曲线很接近，常多使用 A 网络；目前世界各国声学界公认以 A 声级来作为保护听力和健康，以及环境噪 声的评价量。 C 计权网络 具有接近线性的较平坦的特性，在整个可听范围内几乎不衰减，以模拟人耳 100 方纯音的响应； B 计权网络 介于 A、B 两者之间，对低频有一定的衰减，模拟人耳 70 方纯音的响应； D 计权网络 用来测量航空噪声

三、噪声对人的影响1掩蔽、环境噪声、干扰噪声1.1掩蔽：一个声音的听阈因另一个掩蔽声音的存在耳上升的现象称为掩蔽，上升的分贝数则是掩蔽的程度。低频声对高频声的掩蔽作用大，高频声对低频声的掩蔽作用小。1.2环境噪声：出现在听者所处环境理的总噪声，往往是由多个声源所产生。1.3干扰噪声：由室外传入的噪声或是由建筑围护结构传递的来自建筑物其它部分的噪声。2决定声音对人干扰程度的因素：1）声压或声级2）声音的持续时间3）声现象随时间的变化情况4）复合声的频谱成分5）人的身体状况3噪声对健康的影响1）高强度噪音会引起人们听觉器官损伤2）在矿山的爆破声，喷气飞机的测试声等高强度噪声环境中，人们的听力会受到永久性损伤3）人们长时间处在A声级为90dB以上的噪声环境中，可能引起"职业性耳聋4）短时间暴露在响噪声环境中，可能引起”暂时性耳聋”5）噪声级如果超过45dB(A),对正常人的睡眠就开始发生影响4噪声对各种活动的影响1）噪声对语言的影响2）噪声对工作效率的影响3）噪声对音乐欣赏的影响4）噪声对人的心理的影响

三、噪声对人的影响 1 掩蔽、环境噪声、干扰噪声 1.1 掩蔽： 一个声音的听阈因另一个掩蔽声音的存在耳上升的现象称为掩蔽，上升的分 贝数则是掩蔽的程度。 低频声对高频声的掩蔽作用大，高频声对低频声的掩蔽作用小。 1.2 环境噪声： 出现在听者所处环境理的总噪声，往往是由多个声源所产生。 1.3 干扰噪声： 由室外传入的噪声或是由建筑围护结构传递的来自建筑物其它部分的噪声。 2 决定声音对人干扰程度的因素： 1) 声压或声级 2) 声音的持续时间 3) 声现象随时间的变化情况 4) 复合声的频谱成分 5) 人的身体状况 3 噪声对健康的影响 1) 高强度噪音会引起人们听觉器官损伤 2) 在矿山的爆破声,喷气飞机的测试声等高强度噪声环境中,人们的听力会受 到永久性损伤 3) 人们长时间处在 A 声级为 90dB 以上的噪声环境中,可能引起”职业性耳聋” 4) 短时间暴露在响噪声环境中,可能引起”暂时性耳聋” 5) 噪声级如果超过 45dB(A),对正常人的睡眠就开始发生影响 4 噪声对各种活动的影响 1) 噪声对语言的影响 2) 噪声对工作效率的影响 3) 噪声对音乐欣赏的影响 4) 噪声对人的心理的影响