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建筑聲學(xué)的基本概念

2011-08-31 來源：集成吊頂責(zé)任編輯：?jiǎn)棠? 瀏覽數(shù)：647次手機(jī)訪問：集成吊頂在線

1）聲音

物體的振動(dòng)產(chǎn)生“聲”，振動(dòng)的傳播形成“音”。人們通過聽覺器官感受聲音，聲音是物理現(xiàn)象，不同的聲音人們有不同的感受，相同聲音的感受也會(huì)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(shí)侯，鄰居傳來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。建筑聲學(xué)不同于其他物理聲學(xué)，主要研究目的在于如何使人們?cè)诮ㄖ蝎@得良好的聲音環(huán)境，涉及的問題不局限于聲音本身，還包括心理感受、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)甚至群體行為學(xué)等多方面問題。

人耳的聽覺下限是0dB，低于15dB的環(huán)境是極為安靜的環(huán)境，安靜的會(huì)使人不知所措。鄉(xiāng)村的夜晚大多是25-30dB，除了細(xì)心才能夠體會(huì)到的流水、風(fēng)、小動(dòng)物等自然聲音以外，其他感覺一片寧靜，這也是生活在喧囂之中的城市人所追求的凈土。城市的夜晚會(huì)因區(qū)域不同而有所不同。較為安靜區(qū)域的室內(nèi)一般在30-35dB，如果你住在繁華的鬧市區(qū)或是交通干線附近，將不得不忍受40-50dB（甚至更高）的噪聲，如果碰巧鄰居是一位不通情達(dá)理的人，夜深人靜時(shí)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，大聲呼喊可達(dá)100dB。在中式餐館中，往往由于缺乏吸聲處理，人聲鼎沸，聲音將達(dá)到70-80dB，有國(guó)外研究報(bào)道噪聲中進(jìn)餐會(huì)影響健康。人耳的聽覺上限一般是120dB，超過120dB的聲音會(huì)造成聽覺器官的損傷，140dB的聲音會(huì)使人失去聽覺。高分貝喇叭、重型機(jī)械、噴氣飛機(jī)引擎等都能夠產(chǎn)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的差異將感到明顯不同。人耳存在掩蔽效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)聲音高于另一個(gè)聲音10dB時(shí)，較小的聲音因掩蔽而難于被聽到和理解，由于掩蔽效應(yīng)，在90-100dB的環(huán)境中，即使近距離講話也會(huì)聽不清。人耳有感知聲音頻率的能力，頻率高的聲音人們會(huì)有“高音”的感覺，頻率低的聲音人們會(huì)有“低音”的感覺，人耳正常的聽覺頻率范圍是20-20KHz。人耳耳道類似一個(gè)2-3cm的小管，由于頻率共振的原因，在2000-3000Hz的范圍內(nèi)聲音被增強(qiáng)，這一頻率在語言中的輔音中占主導(dǎo)地位，有利于聽清語言和交流，但人耳最先老化的頻率也在這個(gè)范圍內(nèi)。一般認(rèn)為，500Hz以下為低頻，500Hz-2000Hz為中頻，2000Hz以上為高頻。語言的頻率范圍主要集中在中頻。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(shí)敏感度變差，也就是說，同樣大小的聲音，中頻聽起來要比低頻和高頻的聲音響。

2）頻率特性

聲音可以分解為若干（甚至無限多）頻率分量的合成。為了測(cè)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(gè)頻率，后一個(gè)頻率均為前一個(gè)頻率的兩倍，因此被稱為倍頻程，而且后一個(gè)頻率的頻率帶寬也是前一個(gè)頻率的兩倍。在有些更為精細(xì)的要求下，將頻率更細(xì)地劃分，形成1/3倍頻程，也就是把每個(gè)倍頻程再劃分成三個(gè)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(gè)頻率，后一個(gè)頻率均為前一個(gè)頻率的21/3倍。在實(shí)際工程中更關(guān)心人耳敏感的部分，因此，除進(jìn)行必要的科學(xué)研究以外，大多數(shù)情況下考慮的頻率范圍在100Hz到5KHz。如果將聲音的頻率分量繪制成曲線就形成了頻譜。

對(duì)于各種建筑聲學(xué)材料來講，不同頻率條件下聲學(xué)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(duì)某些頻率具有良好的吸聲性能，不一而同。隔聲等其他聲學(xué)性能也是如此。

3）分貝和A聲級(jí)

分貝對(duì)于非專業(yè)人員來講是最難理解的，然而對(duì)于專業(yè)人士來講分貝又是再熟悉不過了。分貝(d是以美國(guó)電話發(fā)明家被禁止的廣告內(nèi)容命名的，因?yàn)樨惖膯挝惶?，因此采用分貝，代?/10貝。

分貝的概念比較特別，它的運(yùn)算不是線性比例的，而是對(duì)數(shù)比例的，例如兩個(gè)音箱分別發(fā)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。如果某種隔墻隔聲量為50dB，那么透過去的聲音為0.00001。分貝的計(jì)算較為復(fù)雜，需要具備專業(yè)知識(shí)才能完成。

使用分貝描述聲音時(shí)需要同時(shí)給出頻率。任何一個(gè)聲音，不同頻率的分貝數(shù)可能是不同的。我們可以說在某頻率時(shí)，聲壓級(jí)是多少，或吸聲系數(shù)是多少，或隔聲量是多少等等。

A聲級(jí)的概念會(huì)使普通人感到迷惑。聲級(jí)是將各個(gè)頻率的聲音計(jì)權(quán)相加（不是簡(jiǎn)單的算術(shù)相加）得到的聲音大小，A聲級(jí)是各個(gè)頻率的聲音通過A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)后再相加得到的大小，A聲級(jí)反映了人耳對(duì)低頻和高頻不敏感的聽覺特性。例如，如果100Hz的聲壓級(jí)為80dB，在計(jì)算A聲級(jí)時(shí)，將按計(jì)權(quán)減去50.5dB，即按29.5dB來計(jì)算；而1KHz的聲壓級(jí)為80dB，計(jì)權(quán)值為0dB，即仍按80dB計(jì)算。A聲級(jí)的目的在于，A聲級(jí)越大，則表明聲音聽起來越響。A聲級(jí)分貝通常計(jì)為dBA。許多與噪聲有關(guān)的國(guó)家規(guī)范都是按A聲級(jí)作為指標(biāo)的。

4）吸聲

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現(xiàn)象，吸聲可以降低室內(nèi)聲壓級(jí)。描述吸聲的指標(biāo)是吸聲系數(shù)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，那么它的a=0；如果某種材料將入射聲能全部吸收，那么它的a=1。事實(shí)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(huì)有不同的吸聲系數(shù)。人們使用吸聲系數(shù)頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，吸聲測(cè)試報(bào)告中吸聲系數(shù)的頻率范圍是100-5KHz。將 100-5KHz的吸聲系數(shù)取平均得到的數(shù)值是平均吸聲系數(shù)，平均吸聲系數(shù)反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數(shù)NRC粗略地評(píng)價(jià)在語言頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250、500、1K、2K四個(gè)頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，四舍五入取整到0.05。一般認(rèn)為NRC小于0.2的材料是反射材料，NRC大于0.4的材料才被認(rèn)為是吸聲材料。當(dāng)需要吸收大量聲能降低室內(nèi)混響及噪聲時(shí)，常常推薦使用高吸聲系數(shù)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可達(dá)到0.90。

多孔吸聲材料，如離心玻璃棉、巖棉、礦棉、植物纖維噴涂等，吸聲機(jī)理是材料內(nèi)部有大量微小的孔隙，聲波沿著這些孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦作用將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。多孔吸聲材料的吸聲特性是隨著頻率的增高吸聲系數(shù)逐漸增大，這意味著低頻吸收沒有高頻吸收好。與墻面或天花存在空氣層的穿孔板，即使材料本身吸聲性能很差，這種結(jié)構(gòu)也具有吸聲性能，如穿孔的石膏板、木板、金屬板、甚至是狹縫磚等，它的吸聲機(jī)理是亥姆霍茲共振，類似于暖水瓶，外部空間與內(nèi)部空間通過窄的瓶頸連接，聲波入射時(shí)，在共振頻率上與頸部的空氣及內(nèi)部空間之間產(chǎn)生劇烈的共振作用而損失聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點(diǎn)是只有在某些頻率上具有較大的吸聲系數(shù)。薄膜或薄板與其他結(jié)構(gòu)體形成空腔時(shí)也能吸聲，如木板、金屬板等，這種結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理是薄板共振，在共振頻率上，由于薄板劇烈振動(dòng)而大量吸收聲能。薄板共振吸收大多在低頻具有較好的吸聲性能。

5）混響和混響時(shí)間

混響是房間中聲音被界面不斷反射而積累的結(jié)果，混響可以使室內(nèi)的聲音增加15dB，同時(shí)會(huì)降低語言清晰度。對(duì)于音樂演奏的空間，如音樂廳、劇場(chǎng)等，需要混響效果使樂曲更加舒緩而愉悅。對(duì)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。

描述混響效果的指標(biāo)是混響時(shí)間，它是室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，聲壓級(jí)衰減60dB所經(jīng)歷的時(shí)間，單位是秒。混響時(shí)間與室內(nèi)吸聲存在數(shù)學(xué)關(guān)系，也就是建筑聲學(xué)中著名的塞賓公式：T=0.161V/(S×a) ，其中T是混響時(shí)間，V是房間體積，S是房間墻面的總表面積，a是房間表面的平均吸聲系數(shù)。由塞賓公式可以看出，房間體積越大混響時(shí)間越長(zhǎng)；平均吸聲系數(shù)越大，混響時(shí)間越短。如體育館等體積巨大的空間，如果不進(jìn)行吸聲處理的話，混響時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，將嚴(yán)重影響語言清晰度。由于室內(nèi)吸聲與頻率有關(guān)，不同頻率的混響時(shí)間也有所不同，房間音質(zhì)指標(biāo)常指的是中頻混響時(shí)間。據(jù)研究，就較理想的混響時(shí)間而言（中頻），音樂廳為1.8-2.2秒，劇院為1.3-1.5秒，多功能禮堂為1.0-1.4秒，電影院為0.6-1.0秒，教室為0.4-0.8秒，錄音室為0.2-0.4秒，體育館為低于2.0秒。在建筑設(shè)計(jì)中正確地應(yīng)用吸聲材料可以控制混響時(shí)間，保證音質(zhì)效果滿足使用要求。

6）隔聲

為了保證室內(nèi)環(huán)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(jìn)入建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)有三種形式。1）通過孔洞直接進(jìn)入。2）聲波撞擊到墻面引起墻體振動(dòng)而輻射聲音。3）物體撞擊地面或墻體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射聲音。前兩種方式為空氣聲傳聲，第三種方式是撞擊聲傳聲。

描述空氣聲傳聲隔聲性能的指標(biāo)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為墻體兩邊聲音分貝數(shù)的差值，但絕對(duì)不是差值這樣簡(jiǎn)單?？锥吹母袈暳縍=0dB，隔掉99%聲能的隔墻的隔聲量是20dB，隔掉99.999%聲能的隔墻的隔聲量是50dB。

墻體在不同頻率下的隔聲量一般并不相同，一般規(guī)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，為了使用單一指標(biāo)比較不同材料及構(gòu)造的隔聲性能，人們使用計(jì)權(quán)隔聲量Rw。Rw是使用標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)曲線與墻體隔聲量頻率特性曲線進(jìn)行比較得到的，標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)曲線符合人耳低頻不敏感的聽覺特性。具體評(píng)價(jià)方法可參見國(guó)標(biāo)GBJ121-88“建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”。

隔墻隔聲存在質(zhì)量定律，即單層墻越重隔聲性能越好，單位面積的質(zhì)量提高一倍，隔聲量提高6dB。120磚墻的面密度為260kg/m2，隔聲量為46-48dB；240磚墻的面密度為520kg/m2，隔聲量為52-54dB。磚墻墻體過重，結(jié)構(gòu)荷載負(fù)擔(dān)較大，使用黏土磚也不利于耕地保護(hù)，因此，輕墻得以廣泛使用。為了使輕墻達(dá)到良好的隔聲性能，需要使用多層墻板內(nèi)填吸聲材料的方法。75龍骨內(nèi)填玻璃棉的雙面雙層紙面石膏板墻的面密度只有60kg/m2左右，隔聲量可以達(dá)到50dB。同樣面密度的90厚加氣混凝土板墻的隔聲量只有36dB。對(duì)于住宅隔聲，Rw應(yīng)至少大于45dB，最好大于50dB。

描述撞擊聲傳聲隔聲性能的指標(biāo)是撞擊聲壓級(jí)，它不同于空氣聲隔聲量所表達(dá)的“隔掉聲音的分貝數(shù)”，而是表示在使用標(biāo)準(zhǔn)打擊器（一種能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)撞擊能量的設(shè)備）撞擊樓板時(shí)，樓下聲音的大小。撞擊聲壓級(jí)越大表示樓板撞擊聲傳聲隔聲能力越差，反之越好。撞擊聲壓級(jí)反映了人在樓上活動(dòng)時(shí)對(duì)樓下房間產(chǎn)生聲音的大小。樓板撞擊聲壓級(jí)隨頻率不同而變化，為了使用單一指標(biāo)比較不同樓板的隔絕撞擊聲的性能，人們使用計(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)Lpn，w。Lpn，w同樣使用標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)曲線與撞擊聲隔聲頻率特性曲線進(jìn)行比較得到的，具體評(píng)價(jià)方法可參見國(guó)標(biāo)GBJ121-88“建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”。

比較理想的住宅樓板計(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)應(yīng)小于65dB。然而，大量使用的普通10cm厚混凝土樓板計(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)為80-82dB，樓板隔聲問題比較嚴(yán)重，住戶多有抱怨，誰沒有聽到樓上的腳步聲以及孩子的跑跳聲的經(jīng)歷呢？采用浮筑地板的方法可以提高樓板隔聲性能，如在結(jié)構(gòu)樓板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(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)可以小于60dB。