简单的室内声学原理设计教程

室内声学原理教程(上)
一 建筑声学
3 p0 i: [! n6 E8 ]0 R, s* ?% \5 d　　建筑声学研究与建筑环境有关的声学问题。它是一门古老年轻 的科学。公元前，古希腊的露天剧场曾在座位下的空间中安置翁作 为 共鸣器，以改善音质。中国古典剧场也有在舞台下设水缸或水 井作 为共鸣器的做法。北京天坛的回音壁、圜丘等也是以运用声 学原理 创造了独特的建筑艺术而闻名于世的。
　　建筑声学包括厅堂音质和噪声控制两大部分内容。前者是为各 种听音场所建立最佳的语言或音乐的听闻条件；后者则为减低噪声 和振动的干扰。两者既相互独立，又密切联系。由于建筑声学属于 边缘学科，它与许多学科有密切联系，所以解决建筑中的声学问题 往往还需要与其他方面密切配合，这些方面诸如建筑设计、城市规 划、物理学、电声学、环境保护以及生理学等。建筑师应该知道什 么是好的声环境，以及如何创造（设计并实现）符合人们听闻要求 的环境。例如，设计一个多功能礼堂或影剧院，就要求音乐动听， 语言清晰；设计一个工业厂房，就要求噪声低，保护工人听觉器官 ；设计一栋住宅、医院或学校，就要求环境安静、隔声好。实现上 述要求，就是建筑声学设计所要解决的问题。
/ x2 v% r- s) p' \5 W1 O二 声音的基本知识
: x! S6 @0 c' E9 n5 ]6 v　　为了解决建筑中的声学问题，首先要了解声音是怎样产生和传 播的；声波有哪些性质；声音大小是怎样计量的；声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性；人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。
! k/ S4 B' b+ `" n5 o% c: ]+ y7 s( \0 b　　 声音在人类生活中具有重要意义，人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的；扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动；锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的；弦乐器是*弦的振动发声的；笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源，传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质（如在真空中）， 同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播，传至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉 神经产生声音的感觉。
. @8 q/ v( f$ P& t8 M" z$ X二 声音的基本知识
　　为了解决建筑中的声学问题，首先要了解声音是怎样产生和传 播的；声波有哪些性质；声音大小是怎样计量的；声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性；人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。
& ]- W1 |% ]9 a, t　　 声音在人类生活中具有重要意义，人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的；扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动；锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的；弦乐器是*弦的振动发声的；笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源，传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质（如在真空中），
同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播，传至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉 神经产生声音的感觉。
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二 声音的基本知识
/ l% t6 ?+ n9 p$ S1 ]% C# ~) T$ W* y　　为了解决建筑中的声学问题，首先要了解声音是怎样产生和传 播的；声波有哪些性质；声音大小是怎样计量的；声波一般用哪些 量来反映客观存在的客观特性；人的听觉在判断声间上有哪些主观 特性等等。
　　 声音在人类生活中具有重要意义，人们就是*声音传递语言 、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动 引起的；扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动；锣、鼓是*锣面 、鼓面膜的振动发声的；弦乐器是*弦的振动发声的；笛、箫等则 依*空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源，传 播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质（如在真空中）， 同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能 够传播。当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以 波动的方式向四周传播，传至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉 神经产生声音的感觉。

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三 声波的反射、吸收和透射
4 U9 q* z8 k1 X! V4 E; k　　声波在传播过程中，除传入人耳引起声音大小、音调高低的感 觉外，遇到障碍物如孔洞等还将产生声波的反射、绕射、吸收、透 射以及在室内由于多次反射所引起的混响等现象。这些现象在建筑 声学设计中有着重要的作用。
1 g7 w  t6 W& F& E　　当声波在传播过程中遇到尺度比波长大得多的障板（界面或障 碍物）时，就会被反射，满足反射定律。反射定律的基本内容是：
3 c: S+ l# D. Q0 A$ }% {: f: F# Z（1） 入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内。
# a* M( Y' b2 Q! \4 S+ N; N（2） 入射声线和反射声线分别位于法线的两侧。
（3） 入射角等于反射角。
四 声波的绕射
　　“闻其声而不见其人”，这是司空见惯的现象。怎样解释这种 现象呢？当声波遇到障碍物或孔洞，其大小比声波波长大得多时， 可认为声波仍沿着直线传播，由于障碍物的反射作用，在障碍物后 面开有成一个“声影区”，障碍物或孔洞的大小比声波波长小得多 时，则声波不是沿着直线传播，而是改变前进的方向绕过障碍或孔 洞，到达按直线传播时要成为：阴影的地方，这种现象称为波的绕 射或衍射。小孔处的质点可近似地看作一个集中的新声源，产生新 的球面波，它与原来的波形无关。
/ p( l, s* `/ c　　 一切波都能发生绕射，其程度与波长、障碍物的大小有关。 在通常条件下，有的声波会发生明显的绕射，有的表现为直线传播 。 我们能听到的声波，波长在17cm—17m的范围内，是可以与一般 障碍物（如墙角、柱子等建筑部件）的尺度相比的，所以能绕过一 般障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音。声源的频率越低，绕 射现象越明显。由于声波有绕射的本领，所以室内开窗比不开窗更 能听到邻室的谈话声，而当墙壁存在缝隙和孔洞时，隔声能力大大 下降了。与此相反，我们也可利用声波的绕射现象设计穿孔板一类 的吸声结构来吸声。
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五 声波的干涉
　　在观众厅内通常会出现声干现象。例如，从声源发出的直射声 波和来自壁面或平顶的反射声波在空间各点要相互干涉。如果是单 频声（即纯音），这种干涉现象必然引起空间各点声场之间的很大 差异，有些地方声波会加强，有些地方声波会减弱，甚至抵消而形 成“死点”。使干涉效应不太明显。
　 在一般情况下，观众厅的尺度（长、宽、亮）比低频小波长大 十几倍，形状也不“破坏”引起干涉的条件。因此，在大型观众厅 内，干涉现象就不那么严重。只有在小室内，如录音、播音、监听 和琴室等小房间需特别注意这一问题。 声波入射到建筑构件（如墙、板等）时，声能一般分为三个部分。
. w! ~- V1 ]. y: v3 W（1）一部分能量被反射，即前面所述的声波的反射。例如，大理 石、玻璃等硬而光滑的材料能够把绝大部分的声波反射回去。
; ~! Q$ G, O* j( \5 B& J7 v（2）一部分能量透过构件，即声波遇到障碍物时，其疏密相间的 压力将推动障碍物发生相应的振动。其振动又引起另一侧的传声介 质随之振动。声音透过障碍物的现象称为声波的透射。墙、楼板的 质量越轻，声波就越容易推动客观存在们发生振动动。墙、楼板的 透射本领越好，则说明其隔声能力越差。
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六 声源的指向性
　　人的头和扬声器与低频声的波长相比是小的，这种情况下可视 为无指向性点声源，但对高频声，就具有明显的指向性。频率高， 声波波长短，声源下面的声压比背面和侧面大得多，直达声声能就 集中于辐射轴线附近，指向性强；而低频声，声源前后的声压变化 不大。实际上，演员在舞台上的对白或演唱，随频率的高低都带有 指向性。人在话讲时，并不是均匀地向四周辐声音的，而是下面最 响，背后最轻，也即沿着嘴唇前面有一定的指向性，与发声者相同 距离的前、后位置，对于较高频率的语言声，其响度的差别可达 1倍以上。因此，站在讲话者后面或侧面的人，由于直达声中缺少 很重要的高频成分，很难清听懂。如果适当地在讲话者的周围加设 反射面，可以提高讲话者后面的清晰度，但高频声比低频声更容易 被墙面材料和空气所吸收，所以在讲话者后面时听起来总是比较差 些。所以，厅堂形状的设计、场声器位置的布置，都要考虑声源的 指向性。
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