环境声学及其相关技术(第3次课)3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,环境声学及其相关技术,(,一,),环境声学,环境声学的研究目的是改善人们的生活和工作的声环境。,随着科技的发展，文化素质的提高和生活的改善，无论是对音乐的美的享受还是抑制周围环境的噪声，都要考虑人的主观感受。,环境声学是声学和现代科技与生命科学结合的科学。,3,声环境控制的意义,创造良好的满足要求的声环境,保证居住者的健康,提高劳动生产率,保证工艺过程要求,录音棚、演播室,高保真音乐厅,环境声学,上世纪前半期，主要研究,建筑物,(,如报告厅、音乐厅、剧院、体育馆等,),内的声学效果。,上世纪中期,伴随着出现大量的噪声问题，如机器噪声，交通噪声等，在,60,年代前后，“,噪声控制,”作为一门独特的学科从建筑声学中分离出来，得到迅速发展。,建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。,建筑声学,建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。,（一）建筑声学问题,室内音质的评价标准：,（,1,）混响时间（,2,）主观评价（,3,）客观评价,吸声材料和吸声结构,建筑中的噪声控制,建筑隔声,音质设计,电声系统,建筑声学测量,（一）建筑声学问题,室内音质的评价标准,混响时间,:,当室内声场达到稳态后，令声源停止发声自此刻起至声压级衰变,60dB,所历经的时间，记作,T,60,。,主观评价,:,语言声听闻主要有清晰度和可懂度，音乐声主要有清晰度（或称明晰度）和响度的要求外，还有丰满度、平衡感和空间感等。,客观评价,:,混响时间与早期衰减时间、声压级与强度指数、侧向能量因子与双耳互相关系数、混晌时间的频率特性,（一）建筑声学问题,吸声材料和吸声结构,吸声材料和吸声结构的主要用途有：在音质设计中控制混响时间，消除回声、颤动回声、声聚焦等音质缺陷；,在噪声控制中用于室内吸声降噪以及通风空调系统和动力设备排气管中的管道消声。,（一）建筑声学问题,建筑中的噪声控制,建筑中噪声控制的任务就是通过一定的降噪减振措施，使房间内部噪声达到允许噪声标准。,（一）建筑声学问题,音质设计,室内音质设计，特别是对于观众厅音质设计的目标主要包括以下方面：,1),在混响感（丰满度）和清晰度之间有适当的平衡,;,2),具有适当的响度；,3),具有一定的空间感；,4),具有良好的音色，即低、中、高音适度平衡；,5),无噪声干扰，无回声、多重回声、声聚焦、声影等音质缺陷。,（一）建筑声学问题,建筑声学测量,声环境的优劣主要决定于声源及围护结构的声学特性。建筑声学测量服务于声环境设计，其主要内容包括：声源声学特性、材料和结构声学特性及环境声学特性测量等,.,空气中声音的传播速度,建筑声环境的基础知识,声速与媒质的弹性、密度和温度有关,空气中的声速：理想气体中,k,绝热指数，,R,气体常数，,T,绝对温度。,近似：,340,m/s,。,固液体中的声速,钢,5000,m/s,松木,3320,m/s,水,1450,m/s,软木,500,m/s,声音的频带,建筑声环境的基础知识,人耳可以听见范围为,20 20000Hz,人耳听不见的范围,20 Hz,以下：次声,20000 Hz,以上：超声,高频声,低频声,中频声,31.25 Hz,频率,简谐音（纯音）,声压变化为只有一个频率的余弦函数的声音,只需要频率,f,和声压幅值,P,m,就可以描述,复音,周期性信号，含有基频和谐频，谐频是基频的整倍数,其频谱图可以表示为在基频,f,0和,2,f,0,、,3,f,0,、,nf,0,处的一系列高矮不等的竖直线,线状谱,(,离散谱,),普通声响频谱一般为连续频谱,声音的频带,建筑声环境的基础知识,音调的高低取决于基频，而音色取决于谐频分量的构成,基频,谐频,880,1320,1760,2200,2640,3080,3520,乐声的线状谱,建筑声环境的基础知识,17,普通声响频谱一般为连续频谱,可闻阈,(,听阈,),人耳刚能感受的声音,p,0,=210,-5,Pa,I,0,=110,-12,W/m,2,疼痛阈,闻之,人耳则,痛,，,p,0,=200 Pa,，,I,=100 W/m,2,烦恼阈,闻之烦恼不安,p,0,=20,Pa,I,0,=1W/m,2,听觉范围,建筑声环境的基础知识,量级差非常大,什么是噪声？人们不愿意听到的任何声音,空气声：经空气和围护结构传播,固体声：振动噪声,人耳的主观听觉特性,人体对声环境的反应原理,人耳的主观听觉特性,人体对声环境的反应原理,自由场最小可听阈,烦恼阈,疼痛阈,听觉机构,人耳的主观听觉特性,人体对声环境的反应原理,听觉定位：,声波到达双耳时有一定的时间差、强度差和相位差，据此判断声源的方向和远近，进行声像定位。频率高于,1400Hz,，定位取决于双耳声音的强度差，低于,1400Hz,，取决于声音到达的时间差。,时差效应：,两个声音的时差超过,50ms,能够被分辨,直达声,50ms,后的反射声会形成回声的感觉，此规律哈斯效应。,纯音等响曲线,:,人耳对声音的响应并不是在所有频率上都 是一样的。,掩蔽效应,:,听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象,人耳的听觉特征,特征：对高频声比对低频声敏感,响度级：用,1000 Hz,纯音的声压级代表其等响曲线的响度级，单位,Phon,（方）,等响曲线,听阈,痛阈,一种声音存在提高了另一种声音的可闻阈,频率相近则掩蔽作用显著,对高频掩蔽作用比对低频掩蔽作用大,有利有弊,弊：听不清要听的内容，降低工作效率,利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率,掩蔽音的声压级,被掩蔽音的声压级,dB,掩蔽效应,人体对声环境的反应原理,曲线代表 掩蔽水平,适合的掩蔽背景声的特点,无表达含义,响度不大,连续,无方位感,掩蔽背景声,低响度,的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声,轻微的音乐声,隐约的语言声,掩蔽效应,人体对声环境的反应原理,日本办公楼噪声干扰感觉的调查,掩蔽效应,人体对声环境的反应原理,我国的室内噪声标准,房间类型,NR(dB,)A,声级,dB(A,),卧室、书房、病房,3545,4050,起居室,4045 4050,语言教室,35 40,一般教室,45 50,门诊室,5055 5560,手术室,4045 4050,宾馆客房,3045 3550,会议室,30 35,学术报告厅、阅览室,25 30,室内乐、演唱厅,20 25,办公室,35 40,宴会厅,35 40,声音在室内空间中的传播,简正频率,以刚性边界矩形房间,(,L,x,L,y,L,z,),为例,求解波动方程,简正频率（固有频率）,简正振动的叠加,声音在室内空间中的传播,驻波现象,各种反射声在室内往返传播，不可避免地要产生声波的干涉，从而引起复杂的驻波现象。,共振现象,当声源的激发频率与室内某个简正频率恰好一致时，便发生共振，室内声压达到一极大值。,29,声音在室内空间中的传播,室内声场,由直达声与多次反射声组成,有,“,混响现象,”,平均吸声系数,室内声级随时间,t,衰减的量,房间容积,房间界面总面积,声能密度,D,t,，,J/m,3,声音在室内的增长和衰减,室内吸声量越大，衰减越快,房间容积越大，衰减越慢,停止发声后衰减,60dB,的时间称为混响时间：,声音在室内的增长和衰减,混响时间,混响声能密度在声源停止发声后衰减,60,分贝所需要的时间，即,T60,。它与房间容积成正比，与房间吸声总量成反比。,塞宾（,Sabin,）公式,依林,(Eying),公式,较小时,较大时,声音在室内的增长和衰减,混响时间对人的听音效果有重要影响，它仍然是迄今为止描述室内音质的一个最为重要的参量。,混响时间取决于厅堂的建筑结构，顶棚构造，壁面材料及装饰，座椅布局及材料等众多因素。,混响时间与音质评价,清晰度,与混响声和直接声的比例有关，在数量关系上它与混响强度成正比，在时间关系上它与混响时间成反比。,丰满度,指,500Hz,以上中、高频的活跃度。与混响时间和混响强度成正比。,浑厚感,指低频,150Hz,以下的活跃度。与混响时间和混响强度成正比。,Boston,Symphony,Hall,V=18700m,2,T60=1.8s,（,512 Hz,）,Vienna,Grosser,Musikvereinssaal,V=15000m,2,T60=2.05s,（,512 Hz,）,室内音质设计是建筑声学设计的一项重要内容，其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素。,室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中，直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价，进行适当的调整、修改，才有可能达到预期的效果。,（二）室内音质设计,室内声场的基本特征：,由于反射声对直达声叠加的结果，声压随声源距的衰减没有象室外声场那样明显。,由于室边界面对声的反射作用，当室内声源停止发生后，室内声并不立即停止，而是继续持续一段时间。,由于室形状的复杂性或线度比例失当，声波在室内传播时，有可能产生回声、聚焦、蛙鸣、声染色等特异声现象。,（二）室内音质设计,（二）室内音质设计,室内音质的评价,室内音质的基本要求：,无噪声干扰。,作为语言用房，首先应追求声音的清晰。,作为音乐用房，要求声音圆润、丰满和足够的力度。,队以立体声用房，则要求立体感、空间感、临场感。,整个声场应充分扩散、分布均匀。,没有回声、颤音、蛙鸣、嗡声以及声功能聚焦的特异声缺陷。,（二）室内音质设计,最佳混响时间,对于语言，一般混响时间要短些，以保证语言的清晰度,对于音乐，混响时间长一些，可以使音乐更丰满，低音更有力度,房间尺寸小时，混响时间比较短，反之，则要长些。,一、音质设计的一般要求,1.,合适的响度,语言声：不低于,60-65dB,；音乐声,可低到,40dB,，高到,80dB,。,2.,声能分布均匀,措施：,a.,体型设计的扩散处理；,b.,均匀布置吸声材料,3.,选择合适的混响时间,4.,充分利用近次反射声,设计好天花和侧墙反射面，以向观众厅提供适当数 量的近次反射声。,5.,消除音质缺陷,声聚焦、回声、颤动回声、声影和延时较长的强反射声,（二）室内音质设计,音质设计的任务就是利用室内声学和噪声控制的研究成果所提供可科学方法和技术措施来达到预期的音质效果（通常通过客观音质指标来体现），并接受相应的声学测量来验证是否达标。,音质设计的最终目的是满足人们良好的听音感受的主观要求。,二、音质设计的任务及目的,（二）室内音质设计,三、音质设计内容,音质设计内容包括厅堂选址，总平面布置，体积容积的确定，音质指标的考量，反射面的布置，混响设计以及噪声控制等。,（二）室内音质设计,四、音质设计的步骤,1.,厅堂用地的选择。,调查比较各种可供选择的场地的环境噪声和振动状况，尽可能选择安静的场所。,2.,总平面布置,考虑相应的防噪减震总体平面布置方案，观众厅和设备房的关系。,3.,观众厅容积和体型设计,选择适当的观众厅平面与剖面形式，选择使厅堂容易达到最佳混响时间，响度和有利于充分利用有效声能，壁免音质缺陷的方案。,4.,音质指标的选择与计算,确定各项音质指标，选定其优选值，进行包括混响时间在内的各项指标的计算。必要时可进行计算机仿真或声学缩尺模型试验。,（二）室内音质设计,五,.,围蔽空间里的声学现象,s,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1.,由于传播距离的增加而导致的声能衰减,2.,听众对直达声能的反射和吸收,3.,房间界面对直达声的反射和吸收,4.,来自界面相交凹角的反射声,5.,室内装修材料表面的散射,6.,界面边缘的声衍射,7.,障板背后的声影区,8.,界面的前次反射声,9.,铺地薄板的共振,10.,平行界面间对声波的反射、驻波和混响,11.,声波的透射,（二）室内音质设计,有音质要求的厅堂，可分为以下三类：,1,）供语言通信用,2,）供音乐演奏用,3,）多用途厅堂,要兼顾语言和音乐的要求，一般采用比较折衷的解决方案，权衡语言和音乐两方面使用要求的主次。,（二）室内音质设计,供语言通信的厅堂音质设计,一,.,语言声的主观评价和客观参量,对于以语言声为主的厅堂，在音质设计和主观评价时，主要考虑以下因素：,1.,语言声的特征,汉语是单音节的语言，一个字是一个音节，每个音节由元音和辅音组成。元音比辅音容易辨别。,（二）室内音质设计,2.,语言的音质主观属性,主 观 属 性,对 应 词,名 称,主 观 评 价,声学术语,1.,响度,响度合适 响度不够、声音太轻,响度,2.,清晰度、可懂度,听得清 听不清,清晰度、可懂度,3.,宏亮感,声音宏亮 干涩,丰满度,4.,讲话者自我感,不费劲 费劲,反应及时性,5.,回声,没有回声 有回声,回声干扰,6.,噪声,安静 太吵,噪声干扰,（二）室内音质设计,3.,语言清晰度,语言听闻条件的主要评定指标之一，是对语言能够听清的程度。,影响语言清晰度的因素主要有下列几点：,1,）响度,2,）混响时间,3,）反射声,室内反射声的分布对语言清晰度有比较重要的影响。在音质设计时，要设法消除延时较长的强反射声。,4,）背景噪声,5,）近次反射声能与总的声能之比。,一般认为，在直达声后,50ms,以内到达的所有反射声，对听音起有利作用，这些反射声可提高响度和清晰度。,（二）室内音质设计,二,.,考虑听者与声源的距离,演讲者的口语声随距离的增加而不断衰减。,改变声音衰减程度的措施：,1.,适当装置反射板,2.,设法缩短讲台（声源）至最后排席位的距离：,a.,选取较经济的席位宽度；,b.,选取较经济的席位排距；,c.,在符合疏散安全要求的前提下，经济地设置厅堂的走道；,d.,选取听众席区域的最佳分布形状；,e.,设置挑台等。,（二）室内音质设计,设置声反射板,选取听众席区域的最佳分布形状,设置挑台,三,.,考虑声源的方向性,语言可懂度随听者与演讲者的方向性关系而有所不同。,如果,SA,表示演讲者正前方面对的听众距离，那么：,SA=15m,，听闻不费力；,SA=15-20m,，良好的可懂度；,SA=20-25m,，听闻满意；,SA=30m,，不用扩声系统听闻距离的极限。,我们可以利用可懂度等值线，来设计听众席位合理布置方案。,（二）室内音质设计,四,.,考虑听众对直达声的吸收,在水平布置作为的观众厅，由于对直达声能的吸收随着掠过的听众席位排数而增加，因此造成观众厅后部席位听闻困难。如果把大厅地面设计成逐排或隔排升起的形状，可减少声音的掠射吸收。,（二）室内音质设计,五,.,设置有效的反射面,正确设置反射面，可以对直达声的加强起重要作用。,设置反射板，应注意以下几点：,1.,反射板最好装于（或悬挂在）大厅的顶棚下，以使反射声能不致因掠过前部席位听众而被吸收。,2.,反射板尽可能装得低些，以使听众接收直达声和反射声之间的时差减到最小。,3.,根据需要加强大厅后部听众区域听音的要求，确定反射板的位置和倾斜角度。,4.,反射板应有足够的宽度，边长不小于,3m,。,5.,反射板应当是平面或接近于平面，吸声系数应该很小。,（二）室内音质设计,在顶棚以下不同高度分块设置反射板。,当大型厅堂顶棚较高时，设计中可以考虑在顶棚下面水平或呈一定角度地悬挂反射板，其高度比顶棚低，但仍在声源上方。,考虑到厅堂建筑艺术造型的需要，也可以把反射板设计成曲面，但来自凸曲面的反射声，比来自平反射面和凹反射面的反射声弱。,六,.,扩声系统的选用,1.,扩声系统的组成,:,扩声系统包括三种基本设备：传声器（话筒），功率放大器（功放）用于扩声，扬声器（音箱）用以发声。,（二）室内音质设计,2.,扬声器系统的布置,扬声系统的布置应根据厅堂的使用性质及内容的大小来确定，通常可以分为集中式布置，立体声布置和分散式布置三种。,1,）集中式布置,把扬声器系统集中布置在观众席前方靠近自然声源处，如剧场，报告厅的台口上方或两侧。,2,）分散式布置,当大厅顶棚的高度较低而场地面积较大时，集中式布置的扬声器所产生的声束难以覆盖所有观众席。这时，可把扬声器分区布置在顶棚或侧墙上。分别照射一部分观众席。,3,）立体声布置,在舞台上及大厅各个界面装置两路或几路扬声器。,（二）室内音质设计,七,.,避免出现声影区、回声,1.,避免出现声影区,声影区：由于遮挡使近,次反射声不能到达的区,域。如观众厅内的挑台。,声影的产生使大厅声场,分布不均匀。,解决方法：在舞台口上,方设置较低的、呈一定,角度的放射板，将有助,于改善声影区席位的听,闻条件。,（二）室内音质设计2.,防止产生回声,回声的产生是个非常复杂的问题，在实际的设计工作中，须对所设计的大厅是否有出现回声的可能性进行检查，方法是：利用声线法检查反射声与直达声的声程差是否超过,23m(,即延迟是够超过,1/15s,）,观众厅最易产生回声的部位是后墙（包括挑台上后墙）、与后墙相接的天花，以及跳台的前沿等。如后墙是曲面，更会由于反射声的聚集加强回声的强度。,（二）室内音质设计,在有回声的部位处理措施：,1,）作吸声处理；,2,）作扩散处理；,3,）应改变其倾斜角度，使反射声落入近处的观众席；,4,）吸声处理最好与扩散处理并用，并应当与大厅的混响设计一起考虑。,推荐最佳混响时间曲线,(500Hz),八选择适当的混响时间,1.,选择最佳混响时间及其频率特性,不同使用要求的大厅，有不同的混响时间的最佳值。推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的。,（二）室内音质设计,高频混响时间应当尽可能与中频一致，而中频以下可以保持与中频一致，,或者随着频率的降低适当延长，这取决于大厅的用途。音乐演出用大厅应有,的较长的混响时间，同时希望低频比中频略长，在,125Hz,附近可以达到中频,500Hz,的,1.1,1.25,倍，甚至,1.45,倍。但对于以语言听闻为主的大厅，应用较,平直的混响时间频率特性。混响时间应当较短，以保证厅内的清晰度。,最佳混响时间的频率特性曲线,2.,控制大厅容积,在大厅的音质设计中，首先要根据厅的用途和规模确定其容积，厅堂容积对音质的影响很大。,剧院、电影院和多用途厅堂声学设计规范,中规定各类厅堂每座容积限值为：,歌舞剧院：,5-6m,3,话剧院：,4-4.5,m,3,戏曲剧院：,3.5-4m,3,电影院：,3.5-5.5m,3,多用途厅堂：,3.5-5m,3,（二）室内音质设计,九,.,排除噪声干扰,背景噪声和侵扰噪声都可能干扰听闻。,背景噪声：伴随围蔽空间使用所发出的噪声，例如：听众脚步声、翻动座椅声、门的砰击声等。由使用者发出的噪声，主要由使用者自己控制。我们也可以设法降低这种噪声，例如在可翻动的席位、小的写字板上安装橡皮止动器。,侵扰噪声：由外界透过建筑围护结构传入室内的噪声，不仅会掩蔽语言声，甚至使语言的清晰度大为降低。这一类噪声除了交通道路噪声外，还包括：来自门厅、走廊、过道、楼梯间、设备间等噪声，因此在这一类辅助用房中我们要进行严格的噪声控制设计。,（二）室内音质设计,1,、由于现代后期处理技术的提高，可以通过数字混响手段来对声音添加混响,2,、采用多话筒，多轨技术录音，对每个声音进行单独处理，各声音源只是作为声音的素材，各种效果都由后期合成。要求声音“干净”。,（二）室内音质设计,短混响录音室,（二）室内音质设计,专用录音场所,对白录音室特点,房间小，混响时间短,声学要求：,对话要求清晰，因此混响时间短，对话的能量集中在低中频，要特别防止声染色。,（二）室内音质设计,对白录音室,混响时间一般小于,0.5S,在混响时间小于,0.3s,时，不容易发生声染色。,根据简正计算，声染色频率容易发生在低频部分，小于,300hz,。,而低于,100hz,的低频部分，因为波长过长，也不容易产生驻波。,男声与音乐比较，出现声染色的概率小一些。女声频率比较高，不容易产生声染色,