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建築聲学的基本概念

2013-4-21 9:00:41 0人評論 1665次浏覽 分類:行业动态

1)建築聲学的基本概念-聲音
      物體的振动産生“聲”,振动的傳播形成“音”。人們通過聽覺器官感受聲音,聲音是物理現象,不同的聲音人們有不同的感受,相同聲音的感受也會因人而異。美妙的音樂令人陶醉,清晰激昂的演講令人鼓舞,但有時侯,鄰居傳来的音樂聲使人難以入睡,他人之間的甜言蜜語也許令人煩惱。建築聲学不同于其他物理聲学,主要研究目的在于如何使人們在建築中獲得良好的聲音環境,涉及的問題不局限于聲音本身,還包括心理感受、建築学、結構学、材料学甚至群體行为学等多方面問題。

    人耳的聽覺下限是0dB,低于15dB的環境是極为安靜的環境,安靜的會使人不知所措。鄉村的夜晚大多是25-30dB,除了細心才能夠體會到的流水、風、小动物等自然聲音以外,其他感覺一片甯靜,这也是生活在喧嚣之中的城市人所追求的淨土。城市的夜晚會因區域不同而有所不同。較为安靜區域的室内一般在30-35dB,如果你住在繁華的鬧市區或是交通幹線附近,将不得不忍受40-50dB(甚至更高)的噪聲,如果碰巧鄰居是一位不通情达理的人,夜深人靜時蹦蹦跳跳、高聲喧嘩,也許更要飽受煎熬了。人們正常講話的聲音大約是60-70dB,大聲呼喊可达100dB。在中式餐館中,往往由于缺乏吸聲處理,人聲鼎沸,聲音将达到70-80dB,有國外研究報道噪聲中進餐會影響健康。人耳的聽覺上限一般是120dB,超過120dB的聲音會造成聽覺器官的損傷,140dB的聲音會使人失去聽覺。高分貝喇叭、重型機械、噴氣飛機引擎等都能夠産生超過120dB的聲音。
 
    人耳聽覺非常敏感,正常人能夠察覺1dB的聲音變化,3dB的差異将感到明顯不同。人耳存在掩蔽效應,當一個聲音高于另一個聲音10dB時,較小的聲音因掩蔽而難于被聽到和理解,由于掩蔽效應,在90-100dB的環境中,即使近距離講話也會聽不清。人耳有感知聲音頻率的能力,頻率高的聲音人們會有“高音”的感覺,頻率低的聲音人們會有“低音”的感覺,人耳正常的聽覺頻率範圍是20-20KHz。人耳耳道類似一個2-3cm的小管,由于頻率共振的原因,在2000-3000Hz的範圍内聲音被增強,这一頻率在語言中的輔音中占主導地位,有利于聽清語言和交流,但人耳最先老化的頻率也在这個範圍内。一般認为,500Hz以下为低頻,500Hz-2000Hz为中頻,2000Hz以上为高頻。語言的頻率範圍主要集中在中頻。人耳聽覺敏感性由于頻率的不同有所不同,頻率越低或越高時敏感度變差,也就是說,同樣大小的聲音,中頻聽起来要比低頻和高頻的聲音響。
 
2)建築聲学的基本概念-頻率特性
      聲音可以分解为若幹(甚至無限多)頻率分量的合成。为了測量和描述聲音頻率特性,人們使用頻譜。頻率的表示方法常用倍頻程和1/3倍頻程。倍頻程的中心頻率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz十個頻率,後一個頻率均为前一個頻率的兩倍,因此被稱为倍頻程,而且後一個頻率的頻率帶寬也是前一個頻率的兩倍。在有些更为精細的要求下,将頻率更細地劃分,形成1/3倍頻程,也就是把每個倍頻程再劃分成三個頻帶,中心頻率是20、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1K、1.25K、1.6K、2K、2.5K、3.15K、4K、5K、6.3K、8K、10K、12.5K、16K、20KHz等三十個頻率,後一個頻率均为前一個頻率的21/3倍。在實際工程中更關心人耳敏感的部分,因此,除進行必要的科学研究以外,大多數情況下考慮的頻率範圍在100Hz到5KHz。如果将聲音的頻率分量繪制成曲線就形成了頻譜。
對于各種建築聲学材料来講,不同頻率條件下聲学性能是不同的。有的材料具有良好的高頻吸聲性能,有的材料具有良好的低頻吸聲性能,有的材料對某些頻率具有良好的吸聲性能,不一而同。隔聲等其他聲学性能也是如此。
 
3)建築聲学的基本概念-分貝和A聲級
分貝對于非专业人員来講是最難理解的,然而對于专业人士来講分貝又是再熟悉不過了。分貝(dB)是以美國電話發明家貝爾命名的,因为貝的單位太大,因此采用分貝,代表1/10貝。
分貝的概念比較特别,它的運算不是線性比例的,而是對數比例的,例如兩個音箱分别發出60dB的聲音,合在一起并不是120dB,而是63dB。如果某種吸聲材料吸收了80%的聲能,聲音降低了不是0.8dB也不是80dB而是 10lg(1-0.8)=7dB。如果某種隔牆隔聲量为50dB,那麼透過去的聲音为0.00001。分貝的計算較为複雜,需要具備专业知识才能完成。
使用分貝描述聲音時需要同時給出頻率。任何一個聲音,不同頻率的分貝數可能是不同的。我們可以說在某頻率時,聲壓級是多少,或吸聲系數是多少,或隔聲量是多少等等。
A聲級的概念會使普通人感到迷惑。聲級是将各個頻率的聲音計權相加(不是簡單的算術相加)得到的聲音大小,A聲級是各個頻率的聲音通過A計權網絡後再相加得到的大小,A聲級反映了人耳對低頻和高頻不敏感的聽覺特性。例如,如果100Hz的聲壓級为80dB,在計算A聲級時,将按計權減去50.5dB,即按29.5dB来計算;而1KHz的聲壓級为80dB,計權值为0dB,即仍按80dB計算。A聲級的目的在于,A聲級越大,則表明聲音聽起来越響。A聲級分貝通常計为dBA。許多與噪聲有關的國家規範都是按A聲級作为指标的。
 
4)建築聲学的基本概念-吸聲
吸聲是聲波撞擊到材料表面後能量損失的現象,吸聲可以降低室内聲壓級。描述吸聲的指标是吸聲系數a,代表被吸收的聲能與入射聲能的比值。理論上,如果某種材料完全反射聲音,那麼它的a=0;如果某種材料将入射聲能全部吸收,那麼它的a=1。事實上,所有材料的a介于0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。
不同頻率上會有不同的吸聲系數。人們使用吸聲系數頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO标準和國家标準,吸聲測試報告中吸聲系數的頻率範圍是100-5KHz。将 100-5KHz的吸聲系數取平均得到的數值是平均吸聲系數,平均吸聲系數反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數NRC粗略地評价在語言頻率範圍内的吸聲性能,这一數值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲系數的算術平均值,四舍五入取整到0.05。一般認为NRC小于0.2的材料是反射材料,NRC大于0.4的材料才被認为是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室内混響及噪聲時,常常推薦使用高吸聲系數的材料。離心玻璃棉屬于高NRC吸聲材料,5cm厚的24kg/m3的離心玻璃棉的NRC可达到0.90。
多孔吸聲材料,如離心玻璃棉、岩棉、礦棉、植物纖維噴塗等,吸聲機理是材料内部有大量微小的孔隙,聲波沿着这些孔隙可以深入材料内部,與材料發生摩擦作用将聲能轉化为熱能。多孔吸聲材料的吸聲特性是随着頻率的增高吸聲系數逐漸增大,这意味着低頻吸收沒有高頻吸收好。與牆面或天花存在空氣層的穿孔闆,即使材料本身吸聲性能很差,这種結構也具有吸聲性能,如穿孔的石膏闆、木闆、金屬闆、甚至是狹縫磚等,它的吸聲機理是亥姆霍茲共振,類似于暖水瓶,外部空間與内部空間通過窄的瓶頸連接,聲波入射時,在共振頻率上與頸部的空氣及内部空間之間産生劇烈的共振作用而損失聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點是隻有在某些頻率上具有較大的吸聲系數。薄膜或薄闆與其他結構體形成空腔時也能吸聲,如木闆、金屬闆等,这種結構的吸聲機理是薄闆共振,在共振頻率上,由于薄闆劇烈振动而大量吸收聲能。薄闆共振吸收大多在低頻具有較好的吸聲性能。
 
5)建築聲学的基本概念-混響和混響時間
  混響是房間中聲音被界面不斷反射而積累的結果,混響可以使室内的聲音增加15dB,同時會降低語言清晰度。對于音樂演奏的空間,如音樂廳、劇場等,需要混響效果使樂曲更加舒緩而愉悅。對于語言使用的空間,如電影院、教室、禮堂、錄音室等需要減少混響使講話更加清晰。因此,不同使用要求的房間需要不同的混響效果。
  描述混響效果的指标是混響時間,它是室内聲源停止發聲後,聲壓級衰減60dB所经曆的時間,單位是秒。混響時間與室内吸聲存在數学關系,也就是建築聲学中著名的塞賓公式:T=0.161V/(S×a),其中T是混響時間,V是房間體積,S是房間牆面的總表面積,a是房間表面的平均吸聲系數。由塞賓公式可以看出,房間體積越大混響時間越長;平均吸聲系數越大,混響時間越短。如體育館等體積巨大的空間,如果不進行吸聲處理的話,混響時間會很長,将嚴重影響語言清晰度。由于室内吸聲與頻率有關,不同頻率的混響時間也有所不同,房間音質指标常指的是中頻混響時間。據研究,就較理想的混響時間而言(中頻),音樂廳为1.8-2.2秒,劇院为1.3-1.5秒,多功能禮堂为1.0-1.4秒,電影院为0.6-1.0秒,教室为0.4-0.8秒,錄音室为0.2-0.4秒,體育館为低于2.0秒。在建築設計中正确地應用吸聲材料可以控制混響時間,保證音質效果滿足使用要求。
 
6)建築聲学的基本概念-隔聲
  为了保證室内環境的私密性,降低外界聲音的影響,房間之間需要隔聲。隔聲與吸聲是完全不同的概念,好的吸聲材料不一定是好的隔聲材料。聲音進入建築維護結構有三種形式。1)通過孔洞直接進入。2)聲波撞擊到牆面引起牆體振动而輻射聲音。3)物體撞擊地面或牆體産生結構振动而輻射聲音。前兩種方式为空氣聲傳聲,第三種方式是撞擊聲傳聲。
描述空氣聲傳聲隔聲性能的指标是隔聲量,隔聲量的定義是R=10lg(1/τ),其中τ是透射聲能與入射聲能的比,隔聲量的單位是dB。隔聲量可以粗略地理解为牆體兩邊聲音分貝數的差值,但絕對不是差值这樣簡單。孔洞的隔聲量R=0dB,隔掉99%聲能的隔牆的隔聲量是20dB,隔掉99.999%聲能的隔牆的隔聲量是50dB。
    牆體在不同頻率下的隔聲量一般并不相同,一般規律是高頻隔聲量好于低頻。不同材料的隔聲量頻率特性曲線很不相同,为了使用單一指标比較不同材料及構造的隔聲性能,人們使用計權隔聲量Rw。Rw是使用标準評价曲線與牆體隔聲量頻率特性曲線進行比較得到的,标準評价曲線符合人耳低頻不敏感的聽覺特性。具體評价方法可參見國标GBJ121-88“建築隔聲評价标準”。
隔牆隔聲存在質量定律,即單層牆越重隔聲性能越好,單位面積的質量提高一倍,隔聲量提高6dB。120磚牆的面密度为260kg/m2,隔聲量为46-48dB;240磚牆的面密度为520kg/m2,隔聲量为52-54dB。磚牆牆體過重,結構荷載負擔較大,使用黏土磚也不利于耕地保護,因此,輕牆得以廣泛使用。为了使輕牆达到良好的隔聲性能,需要使用多層牆闆内填吸聲材料的方法。75龍骨内填玻璃棉的雙面雙層紙面石膏闆牆的面密度隻有60kg/m2左右,隔聲量可以达到50dB。同樣面密度的90厚加氣混凝土闆牆的隔聲量隻有36dB。對于住宅隔聲,Rw應至少大于45dB,最好大于50dB。
描述撞擊聲傳聲隔聲性能的指标是撞擊聲壓級,它不同于空氣聲隔聲量所表达的“隔掉聲音的分貝數”,而是表示在使用标準打擊器(一種能夠産生标準撞擊能量的設備)撞擊樓闆時,樓下聲音的大小。撞擊聲壓級越大表示樓闆撞擊聲傳聲隔聲能力越差,反之越好。撞擊聲壓級反映了人在樓上活动時對樓下房間産生聲音的大小。樓闆撞擊聲壓級随頻率不同而變化,为了使用單一指标比較不同樓闆的隔絕撞擊聲的性能,人們使用計權撞擊聲壓級Lpn,w。Lpn,w同樣使用标準評价曲線與撞擊聲隔聲頻率特性曲線進行比較得到的,具體評价方法可參見國标GBJ121-88“建築隔聲評价标準”。
比較理想的住宅樓闆計權撞擊聲壓級應小于65dB。然而,大量使用的普通10cm厚混凝土樓闆計權撞擊聲壓級为80-82dB,樓闆隔聲問題比較嚴重,住户多有抱怨,誰沒有聽到樓上的腳步聲以及孩子的跑跳聲的经曆呢?采用浮築地闆的方法可以提高樓闆隔聲性能,如在結構樓闆上鋪一層高容重的玻璃棉減振墊層再做40mm厚的混凝土地面,計權撞擊聲壓級可以小于60dB。

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