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建筑聲學(xué)
室內聲學(xué)


room acoustics
  研究室內聲波的傳播規律、聲場(chǎng)特性及控制室內
音質(zhì)的學(xué)科。屬于建筑聲學(xué)的范疇。室內聲學(xué)是在研究分析某些房間的室內聲學(xué)處理中逐漸完善并建立起來(lái)的?,F代建筑必須對劇場(chǎng)、電影院、會(huì )議室、錄音棚、播音室等對聲音有特殊要求的房間進(jìn)行科學(xué)的室內聲學(xué)設計。
  同一個(gè)聲源在室外和室內產(chǎn)生的音響效果不同。這主要是由于封閉的室內空間使聲波產(chǎn)生多次反射引起某些頻率聲波的共振;這些共振的聲波使聲音在室內的強度和所含頻率成分的分布產(chǎn)生變化,并且極大地影響了聲場(chǎng)的建立和衰減過(guò)程。研究室內聲學(xué)特性(音質(zhì))主要有幾何聲學(xué)、統計聲學(xué)和物理聲學(xué)等方法。幾何聲學(xué)方法類(lèi)似幾何光學(xué)法,忽略聲的波動(dòng)性質(zhì),利用聲線(xiàn)圖分析房間的體形和反射面對音質(zhì)的影響。統計聲學(xué)方法同樣忽略聲的波動(dòng)性質(zhì),并假設室內聲場(chǎng)是擴散聲場(chǎng),從能量角度研究聲傳播的平均情況。廳堂音質(zhì)設 計主要是根 據統計聲學(xué)方法得到的公式 。物理聲學(xué)(又稱(chēng)波動(dòng)聲學(xué))方法可以描述室內(尤其是小房間中)聲場(chǎng)的本質(zhì),但尚未得到可以實(shí)用的簡(jiǎn)單公式;其作用在于闡明幾何聲學(xué)方法和統計聲學(xué)方法的適用范圍。



建筑
聲學(xué)是研究建筑中聲學(xué)環(huán)境問(wèn)題的科學(xué)。它主要研究室內音質(zhì)和建筑環(huán)境的噪聲控制。
  有關(guān)建筑聲學(xué)的記載最早見(jiàn)于公元前一世紀,羅馬建筑師維特魯威所寫(xiě)的《建筑十書(shū)》。書(shū)中記述了古希臘劇場(chǎng)中的音響調節方法,如利用共鳴缸和反射面以增加演出的音量等。在中世紀,歐洲教堂采用大的內部空間和吸聲系數低的墻面,以產(chǎn)生長(cháng)混響聲,造成神秘的宗教氣氛。當時(shí)也曾使用吸收低頻聲的共振器,用以改善劇場(chǎng)的聲音效果。
  15~17世紀,歐洲修建的一些劇院,大多有環(huán)形包廂和排列至接近頂棚的臺階式座位,同時(shí)由于聽(tīng)眾和衣著(zhù)對聲能的吸收,以及建筑物內部繁復的凹凸裝飾對聲音的散射作用,使混響時(shí)間適中,聲場(chǎng)分布也比較均勻。劇場(chǎng)或其他建筑物的這種設計,當初可能只求解決視線(xiàn)問(wèn)題,但無(wú)意中卻取得了較好的聽(tīng)聞效果。
  16世紀,中國建成著(zhù)名的北京天壇皇穹宇,建有直徑65米的回音壁,可使微弱的聲音沿壁傳播一二百米。在皇穹宇的臺階前,還有可以聽(tīng)到幾次回聲的三音石。
  18~19世紀,自然科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了理論聲學(xué)的發(fā)展。到19世紀末,古典理論聲學(xué)發(fā)展到最高峰。20世紀初,美國賽賓提出了著(zhù)名的混響理論,使建筑聲學(xué)進(jìn)入利學(xué)范疇。從20年代開(kāi)始,由于電子管的出現和放大器的應用,使非常微小的聲學(xué)量的測量得以實(shí)現,這就為現代建筑聲學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)辟了道路。
  建筑聲學(xué)的基本任務(wù)是研究室內聲波傳輸的物理條件和聲學(xué)處理方法,以保證室內具有良好聽(tīng)聞條件;研究控制建筑物內部和外部一定空間內的噪聲干擾和危害。
  室內聲學(xué)的研究方法有幾何聲學(xué)方法、統計聲學(xué)方法和波動(dòng)聲學(xué)方法。
  當室內幾何尺寸比聲波波長(cháng)大得多時(shí),可用幾何聲學(xué)方法研究早期反射聲分布以加強直達聲,提高聲場(chǎng)的均勻性,避免音質(zhì)缺陷;統計聲學(xué)方法是從能量的角度,研究在連續聲源激發(fā)下聲能密度的增長(cháng)、穩定和衰減過(guò)程(即混響過(guò)程),并給混響時(shí)間以確切的定義,使主觀(guān)評價(jià)標準和聲學(xué)客觀(guān)量結合起來(lái),為室內聲學(xué)設計提供科學(xué)依據;當室內幾何尺寸與聲波波長(cháng)可比時(shí),易出現共振現象,可用波動(dòng)聲學(xué)方法研究室內聲的簡(jiǎn)正振動(dòng)方式和產(chǎn)生條件,以提高小空間內聲場(chǎng)的均勻性和頻譜特性。
  室內聲學(xué)設計內容包括體型和容積的選擇,最佳混響時(shí)間及其頻率特性的選擇和確定,吸聲材料的組合布置和設計適當的反射面,以合理地組織近次反射聲等。
  聲學(xué)設計要考慮到兩個(gè)方面,一方面要加強聲音傳播途徑中有效的聲反射,使聲能在建筑空間內均勻分布和擴散,如在廳堂音質(zhì)設計中應保證各處觀(guān)眾席都有適當的響度。另一方面要采用各種吸聲材料和吸聲結構,以控制混響時(shí)間和規定的頻率特性,防止回聲和聲能集中等現象。設計階段要進(jìn)行聲學(xué)模型試驗,預測所采取的聲學(xué)措施的效果。
  處理室內音質(zhì)一方面要了解室內空間體型、所選用的材料對聲場(chǎng)的影響。還要考慮室內聲場(chǎng)聲學(xué)參數與主觀(guān)聽(tīng)聞效果的關(guān)系,即音質(zhì)的主觀(guān)評價(jià)??梢哉f(shuō)確定室內音質(zhì)的好壞,最終還在于聽(tīng)眾的主觀(guān)感受。由于聽(tīng)眾的個(gè)人感受和鑒賞力的不同,在主觀(guān)評價(jià)方面的非一致性是這門(mén)學(xué)科的特點(diǎn)之一;因此,建筑聲學(xué)測量作為研究。探索聲學(xué)參數與聽(tīng)眾主觀(guān)感覺(jué)的相關(guān)性,以及室內聲信號主觀(guān)感覺(jué)與室內音質(zhì)標準相互關(guān)系的手段,也是室內聲學(xué)的一個(gè)重要內容。
  在大型廳堂建筑中,往往采用電聲設備以增強自然聲和提高直達聲的均勻程度,還可以在電路中采用人工延遲、人工混響等措施以提高音質(zhì)效果。室內擴聲是大型廳堂音質(zhì)設計必不可少的一個(gè)方面,因此,現代擴聲技術(shù)已成為室內聲學(xué)的一個(gè)組成部分。
  即使有良好的室內音質(zhì)設計,如果受到噪聲的嚴重干擾,也將難以獲得良好的室內聽(tīng)聞條件。為了保證建筑物的使用功能,保證人們正常生活和工作條件,也必須減弱噪聲的影響。因此,控制建筑環(huán)境噪聲,保證建筑物內部達到一定的安靜標準,是建筑聲學(xué)的另一個(gè)重要方面。
  噪聲干擾,除與噪聲強度有關(guān)外,還與噪聲的頻譜持續時(shí)間、重復出現次數以及人的聽(tīng)覺(jué)特性、心理、生理等因素有關(guān)??刂圃肼暰褪前凑諏?shí)際需要和可能,將噪聲控制在某一適當范圍內,其所容許的最高噪聲標準稱(chēng)為容許噪聲級,即噪聲容許標準。對于不同用途的建筑物,有不同建筑噪聲容許標準:如對工業(yè)建筑主要是為保護人體健康而制定的衛生標準;而對學(xué)習和生活環(huán)境則要保證達到一定的安靜標準。
  在噪聲控制中,首先要降低噪聲源的聲輻射強度,其次是控制噪聲的傳播,再次是采取個(gè)人防護措施。噪聲按傳播途徑可分為兩種:一是由空氣傳描的噪聲,即空氣聲;一是由建筑結構傳播的機械振動(dòng)所輻射的噪聲,即固體聲??諝饴晻?huì )傳播過(guò)程的衰減和設置隔墻而大大減弱;固體聲由于建筑材料對聲能的衰減作用很小,可傳播得較遠,通常采用分離式構件或彈性聯(lián)接等措施來(lái)減弱其傳播。
  建筑物空氣聲隔聲的能力取決于墻或間壁(隔斷)的隔聲量?;径墒琴|(zhì)量定律,即墻或間壁的隔聲量與它的面密度的對數成正比?,F代建筑由于廣泛采用輕質(zhì)材料和輕型結構,減弱了對空氣聲隔聲的能力,因此又發(fā)展出雙層墻體結構和多層復合墻板,以滿(mǎn)足隔聲的要求。
  在建筑物中實(shí)現固體聲隔聲,相對地說(shuō)要困難些。采用一般的隔振方法,如采用不連續結構,施工比較復雜,對于要求有高度整體性的現代建筑尤其是這樣。人在樓板上走動(dòng)或移動(dòng)物件時(shí)產(chǎn)生撞擊聲,直接對樓廠(chǎng)房間造成噪聲干擾??捎脴藴蚀驌羝髯矒魳前?,在樓下測定聲壓級值。聲壓級值越大,表示樓板隔絕撞擊聲的性能越差。
  控制樓板撞擊聲的主要方法是在樓板面層上或地面板與承重樓板之間設置彈性層,特別是在樓板上鋪設彈性面層,是隔絕撞擊聲的簡(jiǎn)便有效的措施。在工業(yè)建筑物中,隔聲間或隔聲罩已成為廣泛采用的降低設備噪聲的手段。
  在機械設備下面設置隔振器,以減弱振動(dòng),是建筑設備隔振的主要措施。目前,隔振器已由逐個(gè)設計發(fā)展成為定型產(chǎn)品。
  由于室內聲學(xué)同建筑空間的體積、形狀和室內表面處理都有密切關(guān)系,因此室內聲學(xué)設計必須從建筑的觀(guān)點(diǎn)確定方案。取得良好的聲學(xué)功能和建筑藝術(shù)的高度統一的效果,這是科學(xué)家和建筑師進(jìn)行合作的共同目標。
  改善建筑物的聲環(huán)境,必須加強基礎研究、技術(shù)措施和組織管理措施,雖然重點(diǎn)應放在聲源上,但是改變聲源往往較為困難甚至不可能,因此要更多地注意傳播途徑和接收條件。各種控制技術(shù)都涉及經(jīng)濟問(wèn)題,因此必須同有關(guān)的各種專(zhuān)業(yè)合作進(jìn)行綜合研究,以獲得最佳的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。
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