第一章第二節(jié)建筑聲學(xué)基礎(chǔ)

1、14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，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)境的噪聲控以保證室內(nèi)具有當(dāng)室內(nèi)幾何尺寸 提高聲場的均制。建筑聲學(xué)的基本任務(wù)

2、是研究室內(nèi)聲波傳輸?shù)奈锢項(xiàng)l件和聲學(xué)處理方法， 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)方法和波動聲學(xué)方法。比聲波波長大得多時，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，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、穩(wěn)定和衰減過程 （即混響過程），并給混響時間以確切的定義，使主觀評價標(biāo)準(zhǔn)和聲學(xué) 客觀測量結(jié)合起來，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可比時，易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可用波動聲學(xué)方法研究室內(nèi)聲的簡正振動方式和產(chǎn)生條件，以提高小空間內(nèi)聲場的均勻性和頻譜特性。一、室內(nèi)聲

3、音情況（理論分析）1、站在時間的角度上：室內(nèi)聲音組成（直達(dá)聲和早期反射聲與混響聲的時間關(guān)系） 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 Sou nd），它是聲音的最主要信息；相 對直達(dá)聲延遲在 50ms內(nèi)的短延時的一次、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，但能使聲場均勻、音、室內(nèi)聲場的增長、穩(wěn)定和衰減與聲場混響時間及其計(jì)算（塞賓公式、愛林公式、菲茲羅依公式）如果在室內(nèi)打開一個聲源，等聲場達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)后，立即關(guān)

4、掉聲源，會看到室內(nèi)接收點(diǎn)聲音沒有馬上消失，而是有一個逐漸衰減的過程。某一個頻率的聲音在某一房間內(nèi)達(dá) 到最大值以后衰減 60dB所需要的時間，稱為此房間此頻率的混響時間。一般計(jì)算至少4個頻點(diǎn)（125Hz，500Hz, 1kHz，4kHz）的頻率的混響時間取平均值定位該房間的混響時間?；?響時間按照房間用途有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 2-2室內(nèi)聲場增長、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（Sab in e）、愛林（Eyri ng）、菲茲羅依（Fitztoy）都提出了混響時間的計(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

5、方米）a =房間表面的平均吸聲系數(shù)百分率賽賓公式RT6o=O.16WS a適用于 a <0.2 時愛林公式RT6o=O.16W-Sln(1-a )適用于 a >0.2 時菲茲羅依公式（Fitztoy）RT6o=O.16WS 2XY/ -ln（1- a XY）+2XZ/ -ln（1- a XZ）+2YZ/ -ln（1- a 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間的計(jì)算較為復(fù)雜，一般計(jì)算至少 4個頻點(diǎn)（125Hz，500Hz，1kHz，4kHz）的平 均吸聲系數(shù)：a =（S 1 a i+ S 2 a 2+ + S n a n）/（S 1+ S2+S）例如，某房

6、間長寬高分別為20、12、7m材料的吸聲系數(shù)如下表所示，計(jì)算 500Hz的混響時間。材質(zhì)a (500Hz 時)尺寸面積：平方米S a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)928291.4a =(S 1 a 1+ S 2 a 2+ S 3 a 3+ S 4 a 4+ S 5 a 5+ S 6 a 6)/(S 1+S2+S3+S4+S5+S6)=291.4/928=0.31用愛林公式計(jì)算：R

7、T6o=O.16W-Sln(1- a )=(0.16*1680)/ -928*ln(1-0.31)=0.78s按照菲茲羅依公式計(jì)算：RT60=0.16V/S 2XY/ -ln(1- a xy)+2XZ/ -ln(1- a xz)+2YZ/-ln(1- a yz) =269/861184 480/0.51+168/0.73+280/0.04=2.4s思考：為何計(jì)算差異這么大？那個數(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

8、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)聲能密度等于混響聲能密度，此處距離聲源距離為 離稱為混響半徑或者臨界距離。它的計(jì)算公式為：n )1/2=0.14(Ro Q)1/2R=( Ro Q/16R，此距Q為聲源或者音箱的指向性因子， 別為聲源或者音箱水平和垂直覆蓋角， 間時Q=1 ;在地面或者一面墻上時Ro為房間的吸聲常數(shù)， RC= Sa /1- aQ=180°/sin'1(sin( o /2)sin( 0 /2)，w、0 分其他情況考慮音源位置，當(dāng)音源位于舞臺上或房間中Q=2 ;在兩墻的交線處時 Q=4 ;在三面的交線處時 Q=8。 ,單位為

9、M據(jù)圖我們有如下結(jié)論：聲場以直達(dá)聲場為主， 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，容易得到非常高的聲音清晰度；吸聲處理效果不大 當(dāng)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，高；聲場以混響聲場為主，此時做吸聲處理降低混響聲能才有效果。*劇場、電影院、音樂廳票價的制定(考慮視角與聲音，最貴的與舞臺成聲音的混響感逐漸提60度角區(qū)域)吳加ms皿T<»ni lOI Th«»tr« 5e«t XnclillcatlonL-id-id I jh n I“臨癖嚴(yán)務(wù) .I a V .代TftwpBWnhhhHBft 旨ffii

10、 妄SsiK frSTAGEB;43Q7u北京天地劇場座位圖4、室內(nèi)聲音的大?。菏覂?nèi)聲壓級計(jì)算(測量繪制圖表法、公式計(jì)算法)Lp=Lw+10lg(Q/4 n r2+4/Ro)其中聲源聲功率級 Lw=10Lg( P/10-12)=l0lg P+120, P為聲源聲功率房間常數(shù)Ro=s a /(1- a ) , S為房間總表面積，a為房間表面的平均吸聲系數(shù)co 、指向性因數(shù) Q=180o/sin-1 (sin(3 /2)sin( 0 /2) , o、0分別為音箱水平和垂直覆 蓋角，其他情況考慮音源位置， 當(dāng)音源位于舞臺上或房間中間時 Q=1 ;在地面或者一面墻上 時Q=2;在兩墻的交線處時 Q=4

11、;在三面的交線處時 Q=8。二、室內(nèi)常見聲學(xué)問題(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，聲能一部分被反射，一部分被吸收或者熱損耗，還有一部分頭過墻壁繼續(xù)向空間傳播。設(shè)單位時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)：a = (Ea+Et) / Eo2、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色”一一共振及其對策在建聲設(shè)計(jì)不良的房間里，當(dāng)聲源發(fā)聲時會激起房間的某些固有頻率（或稱共

12、振頻率、簡正頻率）的聲音，即出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況時。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/L x) 2+( ny/L y)2+( nz/Lz) 21/2式中Lx、Ly、Lz為矩形房間的長、寬、高尺寸，nx、ny、nz為0到正無窮大的任意整數(shù)，但不能全為零。每一組值即為一頻率。為解決這個問題一般采取如下措施： 聲學(xué)測量時，不使用純音而使用復(fù)合音，因?yàn)榧円裘黠@形成駐波嚴(yán)重影響測量結(jié)果。 房間的長、寬、高不能相同或者呈簡單倍數(shù)關(guān)系，使其長、寬、高之比成無理數(shù)，從 而不易形成簡并現(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

13、到均勻的激發(fā)，減少對音質(zhì)的影響。3、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色”一一梳狀濾波效應(yīng)及其對策，亠T、L 、*f t廠任、1 X 1 r f1 r1ii1 hJ；U-1 111T * 11 J11i h+ 5o弼器20 30*口IM)2 XiJO SOOlOOO2000 3000/Hzn-5V -!O.lalllin iI2IVIOAin 2-5梳狀濾波效應(yīng)4、房間的結(jié)構(gòu)與“聲染色”一一聲聚焦等其他聲學(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)特性除過吸聲處理外， 經(jīng)常采用擴(kuò)散聲音的辦法，

14、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。或者設(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，商用化的還有最長序列散射體（ 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rd 盈.>f曲'-YIar-帆形擴(kuò)散板2 3 4“JO網(wǎng)一單元660-：。林”蝎60./.-爲(wèi)嚴(yán)竽口M0 65兒Z）5O5a .<,； 5八物魁旳，：/ I軸，牡r?C)" . . $ "丿 圧.最長序列散射體（MLS ）R聲擴(kuò)散的實(shí)際應(yīng)用貳滇IrII、”rniHr；

15、M : f I 陽小nny rf f. i： .i r f mt圧J仃海彬I叭吶碩I:毎梟汗樂伸彳：5廠i4 k * '覇 小 *"聲擴(kuò)散的實(shí)際應(yīng)用=士 兀二2、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)特性除過采用擴(kuò)散聲音的辦法外，經(jīng)常采用吸聲處理， 、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?nèi)外連通的微小空隙氣泡， 對聲能產(chǎn)生較大阻尼。一般對對中高頻率有良好吸聲效果。 、腔體共振吸聲結(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

16、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：1/2f=c/2 n p/（ a +0.8D ）a為平均吸聲系數(shù)，D為吸聲板的空c為聲速，p為穿孔率（穿孔面積與總面積比） 間厚度，d為穿孔直徑 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。 、特殊吸聲結(jié)構(gòu)與效果一般使用特殊材料，經(jīng)過盡心設(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：fl多孔吸聲材科養(yǎng)聲結(jié)構(gòu)穿孔板組合吸聲結(jié)構(gòu)叢聲結(jié)星玻璃棉，礦棉 木體板 袍株塑料 半穿孔纖維板微孔磚膠合板 玦質(zhì)纖堆板 石膏板 石棉

17、水泥板 鋁板*華 吸聲特性各種特制共 振吸聲髀穿孔膠合板 穿孔鋁板 徽穿孔板空沖體暮劈 各聲簾尖At 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)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結(jié)構(gòu)。 *建筑聲學(xué)小故事1、學(xué)術(shù)會堂建設(shè) 測試高度1.1 1.2 測試點(diǎn) 測試報(bào)告及參數(shù)要求2、故宮太和殿XV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。太和殿是中國現(xiàn)存

18、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。建用筆。（建：建立、創(chuàng)設(shè)。極：從木 ，亟聲。本義：房屋的正梁。最高的地位。特指君位皇極。書洪范 綏：從糸（mi），從妥，車中把也。說文。安撫?；荽酥袊越?四方。一一詩大雅民勞 猷：計(jì)劃；謀劃，道；法則，功業(yè)；功績。建極綏猷的含義：君 臨天下，建立雄偉強(qiáng)大的國家，安撫海內(nèi)的藩屬，創(chuàng)萬世之功業(yè)。）太和殿面闊一間，進(jìn)深五間，建筑面積2377.00 rf,高26.92m，連同臺基通高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 g的大吻。檐角安放10個走獸，數(shù)量之多為現(xiàn)存古建筑中所僅見。

19、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。太和殿前有寬闊的平臺，稱為丹陛，俗稱月臺。月臺上陳設(shè)日晷、嘉量各一，銅龜、 銅鶴各一對，銅鼎18座。龜、鶴為長壽的象征。日晷是古代的計(jì)時器，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。3、波恩議會大廈事件1992年12月，波恩聯(lián)邦議會大廳剛落成，在舉行第一次會議時，擴(kuò)聲系統(tǒng)突然中斷.當(dāng)時正 在進(jìn)行全國電視實(shí)況轉(zhuǎn)播，662位議員忿然退出會場，只好回到老會議廳去開會.這項(xiàng)耗資巨大 （2.7億馬克）的新會議大廈工程為此震動了德國工程界.由于這座四周用玻璃建造起來的圓形大廳，存在嚴(yán)重的聲聚焦現(xiàn)象，不僅造成聲場不均勻，而且增加了擴(kuò)聲系統(tǒng)的聲反饋.經(jīng)過分析 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，集中到大廳中央，而這些地方正是設(shè)置講臺、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)思是可以從各個方向透視聯(lián)邦會議的會議情況，充分體 現(xiàn)議會的透明性。應(yīng)聯(lián)邦政府