什么是建筑声学环境
文章出处： 人气：发表时间：2014-07-31 10:28
（声学对建筑尤为重要）
建筑声环境,或称建筑声学,是建筑空间环境控制学的一门分支.它主要研究的内容:室内厅堂音质和噪声控制.对于新建的建筑,我们面临很多新问题，其中在声环境方面有如下几个方面：
1．剧院，演讲厅，音乐厅，电影院，多功能厅和大容积非演出性厅堂的室内声环境的设计；
2．开敞式办公房间的噪声控制；
3．采用轻型材料的建筑的隔声问题；
4．室内空调设备，机械设备，电器设备等产生的噪声如何控制；
5．室外环境噪声对人的干扰；
一.人的听觉特性
1.人耳对声音的感觉
音频范围是指在有足够的声强和声压的条件下，能引起正常人耳听觉的频率范围，约为20～20000HZ，对频率为1000HZ的声音，人耳刚能听到的下限声压为2×10－5N/M2；使人产生疼痛感的上限声压为20N/M2。
2.掩蔽作用人的听觉器官能够分辨同时存在的几个声音，但由于某一个声音的存在，要听清另外的声音，必须把这些声音提高，这些声音的可闻阈（可闻下限）提高了，这种现象称为“掩蔽”。可闻阈所提高的分贝数称为“掩蔽量”。
3.掩蔽的特点是接近掩蔽声频率的掩蔽量最大，即频率相近的声音，掩蔽较显著，掩蔽声的声压越大掩蔽量就越大，对所有高频声的掩蔽量越显著，低频声容易完全掩蔽高频声，高频声则难以完全掩蔽低频声。
二.材料的吸声特性
目前生产和使用的吸声材料很多，它们的吸声原理——由声能转变为热能及其它能——虽然相同，但转化的具体物理过程却因不同类型的材料而有所区别，它反映了不同类型材料具有不同的吸声频率特性。在室内设计中，正确合理的选择吸声材料对于创造一个良好的室内声环境是非常重要的。下面根据各种常用材料的不同特性，将吸声材料及吸声结构归纳为五大类加以介绍。
1、多孔吸声材料
（1）多孔吸声材料的类型包括：有机纤维材料、麻棉毛毡、无机纤维材料、玻璃棉、岩棉、矿棉，脲醛泡沫塑料，氨基甲酸脂泡沫塑料等。聚氯乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料不属于多孔材料，用于防震，隔热材料较适宜。
（2）构造特征：材料内部应有大量的微孔和间隙，而且这些微孔应尽可能细小并在材料内部是均匀分布的。材料内部的微孔应该是互相贯通的，而不是密闭的，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用。微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内。
（3）吸声特性主要是高频，影响吸声性能的因素主要是材料的流阻，孔隙 ，结构因素、厚度、容重、背后条件的影响。
a.材料厚度的影响 任何一种多孔材料的吸声系数，一般随着厚度的增加而提高其低频的吸声效果，而对高频影响不大。但材料厚度增加到一定程度后，吸声效果的提高就不明显了，所以为了提高材料的吸声性能而无限制地增加厚度是不适宜的。常用的多孔材料的厚度为:
玻璃棉，矿棉 50—150mm
毛毡 4---5mm
泡沫塑料 25—50mm
b.材料容重的影响
改变材料的容重可以间接控制材料内部微空尺寸。一般来讲，多孔材料容重的适当增加，意味着微孔的减少，能使低频吸声效果有所提高，但高频吸声性能却可能下降。合理选择吸声材料的容重对求得最佳的吸声效果是十分重要的，容重过大或过小都会对多孔材料的吸声性能产生不利的影响。
c.背后空气层的影响
多空材料背后有无空气层，对于吸声特性有重要影响。大部分纤维板状多孔材料都是周边固定在龙骨上，离墙50—150mm距离安装。材料空气层的作用相当于增加了材料的厚度，所以它的吸声特性随着空气层厚度增加而提高，当材料离墙面安装的距离(既空气层的厚度)等于1/4波长的奇数倍时，可获得最大的吸声系数；当空气层的厚度等于1/2波长的整数倍时，吸声系数最小。
d.材料表面装饰处理的影响大多数吸声材料在使用时常常需要进行表面装饰处理.常见的方法有：表面钻孔开槽，粉刷油漆，利用织布，穿孔板和塑料薄膜等。这些方法都将影响材料的吸声特性。
半穿孔的矿棉吸声板增加了材料暴露在声波中的面积，既增加了有效吸声面积，因此提高了材料的吸声特性。
粉刷油漆等于在材料表面上加了一层高流阻的材料，将会影响材料的吸声特性，特别是在高频段影响更显著。
采用金属网，玻璃布和低流阻的材料或选择穿孔率大于20%的穿孔板做护面层时，对材料的吸声性能影响不大。若穿孔率小于20%时，对高频段的吸声会有影响，低频影响不大。
2、穿孔板共振吸声结构
采用穿孔的石棉水泥、石膏板、硬质纤维板、胶合板以及钢板、铝板，都可作为穿孔板共振吸声结构，在其结构共振频率附近，有较大的吸收，适于中频，穿孔板的共振频率的公式，即：
C P
fo= ——√————— HZ
Zπ L(T+δ)
fo—穿孔板的共振频率，HZ
C—声速，CM/S
L— 后空气层厚度，CM
t—板的厚度，CM
δ—孔口末端休整量，CM
P—穿孔率，即穿孔面积与总面积之比
3、薄膜吸声结构
包括皮革、人造革、塑料薄膜等材料，具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特性，吸收共振频率附近的入射声能，共振频率通常在200～1000HZ范围，最大吸声系数约为0.3～0.4，一般把它作为中频范围的吸声材料。如果在薄膜的背后空腔内填放多孔材料,这时的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及薄膜的装置方法
4、薄板吸声结构
把胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层，构成振动系统，其共振频率多在80～300HZ，其吸声系数约为0.2～0.5，可以作为低频吸声结构。决定薄板吸声结构的吸声性能的主要因素有:
（1）薄板质量m的影响增加板的单位面积重量，一般可以使其共振频率向低频移动。而选用质量小的，不透气的材料如皮革，有利于共振频率向高频方向移动。
（2）背后空气层厚度的影响改变空气层的厚度和改变板的质量一样，共振频率也会发生变化。在空气层中填充多孔材料，可使共振频率附近的吸声系数有所提高。
（3）板后龙骨构造及板的安装方式的影响由于薄板吸声结构有一定的低频吸声能力,而对中高频吸声差，因此在中高频时就具有较强的反射能力。能增加室内声能的扩散。通过改变龙骨构造何不同的安装方法，设计出各种形式的反射面，扩散面和吸声---扩散结构。
5、特殊吸声结构
（1）帘幕
帘幕是具有通气性能的纺织品，具有多孔材料的吸声特性，由于较薄本身作为吸声材料使用是得不到大的吸声效果的。如果将它作为帘幕，离开墙面或窗洞一定距离安装，恰如多孔材料的背后设置了空气层，因而在中高频就能够具有一定的吸声效果。当它离墙面1/4波长的奇数倍距离悬挂时就可获得相应频率的高吸声量。
（2）空间吸声体
平板形，球形，圆锥形棱锥形或柱形，使其多面吸收声波，在投影面积相同的情况下，相当于增加了有效的吸声面积和边缘效应，再加上声波的衍射作用，大大提高了实际的吸声效果，其高频吸声系数可达1.40.在实际使用时，根据不同的使用地点和要求，可设计各种形式的从顶棚吊挂下来的吸声体。
6、如何正确布置吸声材料
（1）装置吸声材料时，如穿孔板，应结合灯具及室内装修统一考虑，进行分块组合，尽可能使吸声材料均匀分布，有利声场的均匀。
（2）要使吸声材料充分发挥作用，应将它布置在最容易接触声波和反射次数最多的表面上，如顶棚，顶棚与墙，墙与墙交接处1/4波长以内的空间等处。
（3）观众厅的后墙，挑台栏杆处，反射回来的声音可能产生回声干扰，常需在后墙的墙裙以上部位的墙面和挑台栏杆处，布置高吸声系数的材料。
（4）吸声材料分散布置，比集中式布置有利于声场扩散和改善音质条件。
（5）一般房间两相对墙面的总吸声量应尽量接近,有利于声场扩散.
（6）一般在顶棚较底的房间，狭长的走道，采用吸声处理方法，选用吸声系数大的材料或悬挂空间吸声体，对降低噪声的干扰效果很好。
一、音乐与建筑的关系
19世纪末20世纪初，赛宾 (W．C．Sabine) 提出混响时间理论，提出以下赛宾公式
T60=KV/A
T60――混响时间S
K―――常数，一般取0.161
V―――房间容积（立方米）
A―――室内总吸声量（平米）
以后在赛宾公式的基础上，后人通过研究又做了某些修正，导出了在工程中普遍应用的伊林（EYring）公式：
T60=KV/-SLN(1-a)+4mV
V―――房间容积（立方米）
S―――室内总表面积（平米）
α―――室内平均吸声系数
4m――空气吸收系数
人们对厅堂建筑的音质设计有了一个较为完整的认识，从确定厅堂的最佳混响时间、每座容积到体型的确定，吸声材料的选择，从保证语言的清晰度、音乐的丰满度到各类话剧、歌剧、电影，不同功能所要求的声学指标，开始用一套较为完整的声学理论来进行计算、设计。多数人认为，按声学理论设计出的厅堂，音质不会出现问题。
但是回顾建筑发展的历史，我们可以看到，在混响时间理论问世之前，在世界各地，已经建成了大量的音乐厅、歌剧院等演出性建筑，设计者没有遵循室内声学设计理论，而这些建筑良好的音质环境，是前人和后人公认的。
如在意大利维琴察，由帕拉迪（PALLDIO）设计的奥林匹克剧院，是1579－1584年建造的，有3000个座位; 又如1618年亚历奥迪（ALEOTTI）设计的意大利帕尔马市的法内斯剧院，容纳观众2500人，这时间建造的剧院和厅堂，没有发现任何显著的音质缺陷。特别是当时的设计者已经感觉到，各种风格的音乐需要不同的厅堂去演奏，巴洛克音乐和古典音乐不是为教堂演奏而写的，它通常在贵族的舞池内演奏。意大利歌剧属于戏剧性的，在马蹄形歌剧院上演时，声学环境非常协调，1876年建于瑞士巴塞尔的斯塔特――卡西诺音乐厅，在演出浪漫乐时声学效果非常优美。
在20世纪以前，只有一座厅堂按声学意图设计，在某些方面考虑了声学要求，德国的拜罗伊特市的费斯特施皮尔大厅是唯一用作演奏瓦格纳歌剧而设计建造的，大厅设有环形包厢和一层层座位，因而减少了声吸收表面，其混响时间比欧洲的典型剧院要长得多。这个时期，一些设计师对厅堂音质的设计的态度的最好反映，是设计巴黎歌剧院的建筑师查尔斯加尼尔（CHARLES GARNIER）的话，他说：“我必须说明，我没有遵循什么原则，我的设计没有理论根据，我们成功与失败听其自然。按现代室内声学理论分析这些厅堂建筑，我们可以发现，其室内的容积，混响时间，在保证语言清晰度，音乐丰满度方面并没有达到现代市内声学理论所要求的理想值．非常有意思的是，这些厅堂在演出某种风格的音乐和歌剧时，却有极佳的声学效果，音质非常优美，这是为什么？
1954年库尔运用现代录音技术在一些公认为音质较好的厅堂，和不同容积不同混响的厅堂进行各种音乐作品的录音，并进行了评价，所得的结果表明：在容积大于2000～3000立方米的大厅内，最佳混响时间不决定于房间的容积，而和演奏音乐的特性和风格有关。这一结论给我们提出了一个问题：在学习一整套室内声学理论的同时，是否应该加强对音乐基础知识的了解，从一个全新的领域和角度向设计者阐明音乐与建筑的关系，使建筑声学的设计更加符合人们对客观事物认识的规律。同时加强对设计师综合素质的培养。关于厅堂音质设计，要求设计师对各种不同风格音乐有所了解，各种风格的音乐与建筑的关系。
对于观众而言，要想听好必须如下条件：
1、厅堂要有足够的响度，要高于背景噪声，较为合适的响应为60～70方，对于音乐比语言要高。
2、要有较好的清晰度，语言和音乐均要求声音清晰，而语言要求更高一些，各种风格音乐的清晰度很难用数量表示，要使观众可以清楚地区别每种声音的音色，可以听清每个音符，节奏较快的音乐也能旋律分明。
清晰度经常用音节清晰度表达：
音节清晰度＝观众正确听到的音节数目／测定用的全部音节数目X100%。
当音节清晰度达到85%以上时，听音的感觉优良。
语言方面采用语言可懂度，当观众能够听懂每句话的80%的字节，语言可懂度达到100%。
3、要有足够的丰满度，对音乐的要求是重要的，语言则是次要的，它的含义有：余音悠扬（或称活跃）、坚实饱满（或称亲切）、音色浑厚（或称温暖）、空间感良好，许多著名的音乐厅采用了很多浮雕装饰，形成一个扩散的声场。扩散越充分，空间感程度越高。
4、无回声和噪声干扰，避免回声、颤动回声和声聚焦，连续的噪声特别是低频噪声，会掩蔽语言和音乐声，回声的附邂加效应是音质被染色而变坏。
5、混响的主观评价
对语言、歌剧、室内乐、交响乐和合唱等各种演出功能不同的厅堂，观众对其混响的主观的评价是一个十分复杂的问题，它包含的因素很多，有音乐家的评价，还有观众的评价，以及观众对某种音乐的特殊喜爱，都会形成很多混响评价的标准。一般音乐家到过许多音乐厅演出，他能采用比较的方法来判定各种风格的音乐更适合于在什么样的厅堂演奏，而观众相对来讲，这种比较的机会少一些。
一般来讲，以语言为主的厅堂，混响较短，低频的混响较低，是为了保证清晰度和语言可懂度；对于音乐而言，为了掩蔽音乐演出过程中的噪音，如弦乐的弓噪声，长笛的气流噪声，混响就要强一些。足够强的混响影响音乐声的融合，但能增加声音的响度和丰满度，以增加音乐界线的连续性。
对于巴洛克音乐在高音部分的细腻变化只有在混响时间较短，容积较小的厅堂欣赏才有效果，而对古典乐象莫扎特的曲子，其相应的厅堂容积和混响时间就比较长，特别是浪漫乐象《1812序曲》，这种气势磅礴的交响曲为了加强它的丰满度和震撼力，只用在相对较大的厅堂去演奏。瓦格纳的歌剧，乐队配置大大超过了一般歌剧的配置，欣赏他的歌剧就必须在相对混响时间较长的厅堂，而对比意大利的歌剧，需要的混响时间相对就短。
三.室内音质设计
室内音质设计是对有音质要求的厅堂如礼堂，音乐厅，歌舞剧院，电影院，录音棚，电话会议室等进行建筑声学的设计。主要是由响度，体型，混响时间以及清晰度等因素决定。厅堂音质设计的任务就是使声音能完美地送给每个观众或接收设备，满足听好和转播，录音的要求。
1、室内音质好应具备的条件
（1）要有足够的响度
一个音质满意的观众厅，应该保证有足够的响度和均匀的声场分布，使每个观众都得到一个响度适中的声音。多大的响度才合适呢？一般演出时观众厅环境噪声为45db，讲话者的声音应比环境噪声大5—10dB，认为响度满意。演出条件不同，音质要求也不同一般要求在50—70dB左右，交响乐，京剧等还要求有70dB以上的响度才够。
（2）要求在厅堂各处接收到的声音大小基本一致，既声场分布均匀，无回声，聚焦等声缺陷；
（3）要有较高的清晰度和适当的混响几有益的反射声，达到合适的声音丰满度；
（4）动态范围要大，可以听请演员的轻声细语和高声呼喊；
（5）无明显的噪声干扰；
（6）视觉和听觉的方位感比较统一；
2、室内音质设计步骤
音质设计是建筑设计的一个环节，是建筑设计过程中从音质上保证建筑满足功能要求所采取的步骤。音质设计可分为以下几个阶段：
（1）总图位置的选择。选址要考虑周围噪声源的干扰，确定噪声水平，进行有关噪声控制方面的考虑。
（2）根据使用要求确定音质设计标准，有条件的可以对类似的厅堂进行调查研究，作为确定响度，混响时间及室内允许噪声标准等的依据。
（3）进行音质设计，包括体型设计，响度和混响时间计算，吸声材料的选择和布置，防噪措施的设计等。
（4）施工中的测定，调整及竣工后的主观评价和鉴定。
3、扩散反射和扩散体的计算
（1）扩散反射：房间内表面如故做凹凸不平的处理，可将声波均匀地分布于室内，使声能比较均匀地增长和衰减，从而使音乐和语言的固有音品有所向，混响时间计算更为准确。
（2）扩散体的尺寸应与入射声波的波长相当，频率越低，要求扩散体尺寸也逾大，其公式为：
2πf
（———）?;;a≥4
C
B
———≥0.15
a
a—扩散体宽度，M；
b—扩散体凸出的高度，M；
c—声速，M/S；
f—声音的频率。
4、各种功能不同厅堂的音质设计
功能不同的厅堂要求室内的混响时间不同，由于在厅堂设计中所采用的各种材料是随频率而变化的，所以各个频率的混响时间也有所不同。因此，规定和计算音频范围内具有代表性频率的混响时间是很有必要的。一般选择500Hz的混响时间代表各类房间的音质特征。下面是不同厅堂对混响时间的要求：
（1）以语言为主的厅堂
话剧院，报告厅，大教室，会议室，审判厅等都是以语言为主的厅堂，首先保证语言的可懂度才能使听众听清讲话者的意图。保证可懂度要求：直达声到观众的距离尽可能短，每个听众所占的体积为2.3—4.3立米，要求的混响时间应在1.0—1.2s。
（2）以电声为主的厅堂
电影院，多功能厅，歌舞厅等建筑都是以电声声为主的厅堂。立体声影院要求的混响时间应在0.6-0.8s，环境噪声控制在35dB(A)—40dB(A)，声场分布均匀度不大于正负3dB多功能厅要求的混响时间一般控制在1.0s左右。歌舞厅的情况较为特殊，应视房间的容积，吸声状况和电声设备而定，一般应在0.8s左右。
（3）以音乐为主的厅堂
音乐厅是以自然声为主的厅堂，它要求音乐在此演奏时，应具有：亲切感，温暖感，活跃感和丰满度。各种不同风格的音乐要求的混响时间不同，对于巴洛克音乐，混响时间约稍高于1.0s，古典乐和和近代乐建议用1.5s，浪漫乐稍高于2.0s，以演凑音乐为主和兼顾其它用途的厅堂，最合适的混响时间约为1.7s；音乐厅的混响时间一般在1.7---2.1s。
（4）多功能厅堂
此类厅堂兼有各种演出功能,其混响时间较难确定，一般控制在1.2—1.4s，实际情况来看，此类厅堂大都采用电声设备，故其混响时间应取下限值1.2s左右。
(5)大容积厅堂
公共建筑的共享空间.餐厅.购物中心.教室等.
具备了容积大的条件,应在材料选择上注意,控制背景的混响噪音
四.室内噪声控制
1、建筑构件对空气传声的隔声量
建筑构件或墙体对空气传声的隔绝，其隔声量采用下面公式，即：
1
R=10Lg———dB
て
R—构件的隔声量，dB；
て—构件的透射系数；
薄而轻的墙比厚而重的墙在声波作用下容易产生振动而且振幅大，所以薄而轻的墙隔声能力差。
低频声比高频声容易引起结构的振动，所以构件的高频隔声能力比低频好。
当受迫振动所产生的受迫弯曲速度与墙本身固有的自由弯曲波速度相吻合时，声传透最大，既墙的隔声能力这时最差。这种现象称为吻合效应，满足吻合效应的最低频率称为临界吻合频率f0。
可以通过减小墙的厚度，在墙上作凹槽减小劲度，或在墙表面加一层软面层等措施，以提高吻合频率。
相反，可以通过在墙上加肋增加劲度的方法，降低吻合频率，改善隔声效果。由此可见，构件对空气声的隔绝能力与构件本身的质量，劲度和阻尼，声音的频率，构件的构造形式以及施工质量等因素有关。
2、撞击声的隔绝措施
建筑上隔绝固体声的主要措施有:
（1）机械设备采用独立基础与建筑结构分离，或采用适当的积极防振措施，从声源处降低振动。
(2)采用不连续的结构形式，对一些有特殊隔声要求的房间,常使房间内所有的墙面，顶棚，地面与结构层分离，或采用不完全连续的构造，既在两者之间加设弹性垫层。
（3）采用有弹性垫层或面层的隔声楼板。有关楼板的隔声设计还应注意到：
a.弹性面层处理，在楼板表面铺设柔软材料（地毯、软木板、橡胶板、塑料地面等）减弱撞击楼板的能量，从而减弱楼板本身的振动，这种处理面层的措施，一般对降低高频声的效果最显著。
b.弹性垫层处理。在楼板结构层与面层之间做弹性垫层，以降低结构层的振动，应注意这种楼板在面层和墙的交接处，也要采用隔离措施，以免引起墙体的振动。
c.楼板做吊顶处理，吊顶的作用主要是解决空气声的隔绝，如采用弹性连接，则隔声能力可以提高。
隔振装置的基本形式可分为三类:
1．金属弹簧减振器。包括螺旋弹簧，片条状钢板弹簧，锥盘弹簧和锩簧等组成的减振器。
2．弹性材料减振垫层。包括橡胶，软木，玻璃纤维，地毯类，泡沫和海绵橡胶等弹性材料制成的垫块或垫层等隔振装置。
3．由上述两类材料组成的组合隔振装置和空气弹簧等特殊隔振器.
无论选用哪一类隔振装置，都必须注意它们的适用范围和特点，达到隔振效果好，承载能力强，耐久，性能稳定，能抗酸碱和造价低等要求。
3、单层匀质密实墙的空气声隔绝
单层匀质密实墙是没有孔隙传声的，它通过墙体本身的振动，将入射声能的一部分传播到墙体的另一侧去，其隔声量Ro的计算，即：
Ro=20LgMo+20Lgf-42.2dB
Ro—墙体对垂直入射声的隔声量，dB；
Mo—墙体的单位面积质量，kg/m2
f—入射声的频率，HZ。
说明墙的单位面积质量越大，隔声效果越好，这一定律即称为“质量定律”，质量或频率每增加一倍，Ro增加6dB。
4、建筑中的吸声减噪
由于混响声与直达声的共同作用，使得离开同一噪声源一定距离的接受点的声压级，在室内比室外要高出10—15dB，如果在室内的顶棚和墙面上布置吸声材料，使反射声减弱，噪声降低，这种方法称为“吸声减噪”。公式为：
ā2
△ LP=10Lg —— dB
ā1
△LP—房间噪声降低值，dB；
ā2—房间内表面重新布置的材料的平均吸声系数；
ā1—房间内表面未改动前的材料的平均系数。
必须指出,噪声是由直达声和反射声组成的，吸声处理对直达声是没有作用的，所以不能企图通过吸声处理使房间的直达声降低。吸声减噪的处理方法最多只能降低10dB。对于一项具体工程是否需要采取吸声处理，应作具体分析。避免浪费。
离声源不同距离处的声压级，即：
Q 4
LP=10LgW+10Lg(———+———)+120dB
4πr2 R
式中W—声源的声功率，W；
r—离开声源的距离，M；
R—房间常数， S?;;ā
R= —————，M2；
1-ā
ā—室内平均吸声系数；
S—室内总表面积，M2；
Q—声源指向性因数;
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