一、聲音的基本性質(zhì)

　　聲音來(lái)源于振動(dòng)的物體。輻射聲音的振動(dòng)物體稱(chēng)為“聲源”。聲源要在彈性介質(zhì)中發(fā)聲并向外傳播。聲波是縱波。

　　(1)人耳所能聽(tīng)到的聲波的頻率范圍為20~20000Hz，稱(chēng)為可聽(tīng)聲。低于20Hz的聲音稱(chēng)為次聲;高于20000Hz的聲音稱(chēng)為超聲。次聲與超聲不能使人產(chǎn)生聲音的感覺(jué)。

　　(2)室溫下空氣中的聲速為340m/s.聲速c，波長(zhǎng)λ和頻率f有如下關(guān)系：

　　頻率為100～10000Hz的聲音的波長(zhǎng)為3.4～0.034m.這個(gè)波長(zhǎng)范圍與建筑物室內(nèi)構(gòu)件的尺度相當(dāng)，在室內(nèi)聲學(xué)中，對(duì)這一頻段的聲波尤為重視。

　　-f2.每一頻帶以其中心頻率fc標(biāo)度，.建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量中常用的有倍頻帶和1/3倍頻帶;在倍頻帶分析中，上限頻率是下限頻率的兩倍，即fl=2f2;在1/3倍頻帶分析中，在可聽(tīng)聲范圍內(nèi)，倍頻帶及1/3倍頻帶的劃分及其中心頻率如表3—l所示。表中第一行為1/3倍頻帶中心頻率，第二行為倍頻帶中心頻率。

　　(4)波陣面與聲線

　　聲波從聲源出發(fā)，在同一介質(zhì)中按一定方向傳播，聲波在同一時(shí)刻所到達(dá)的各點(diǎn)的包絡(luò)面稱(chēng)為波陣面。聲線表示聲波的傳播方向和途徑。在各向同性的介質(zhì)中，聲線是直線且與波陣面垂直。依據(jù)波陣面形狀的不同，將聲波劃分為：

　　1)平面波——波陣面為平面，由面聲源發(fā)出;

　　2)柱面波——波陣面為同軸柱面，由線聲源發(fā)出;

　　3)球面波——波陣面為球面，由點(diǎn)聲源發(fā)出。

　　一個(gè)聲源是否可以被看成是點(diǎn)聲源，取決于聲源的尺度與所討論聲波波長(zhǎng)的相對(duì)尺度。當(dāng)聲源的尺度比它所輻射的聲波波長(zhǎng)小得多時(shí)，可看成是點(diǎn)聲源。所以往往一個(gè)尺度較大的聲源在低頻時(shí)可按點(diǎn)聲源考慮，而在中高頻則不可以。

　　(5)聲繞射

　　聲波在傳播過(guò)程中，遇到小孔或障板時(shí)，不再沿直線傳播，而是在小孔處產(chǎn)生新的波形或繞到障板背后而改變?cè)瓉?lái)的傳播方向，在障板背后繼續(xù)傳播。這種現(xiàn)象稱(chēng)為繞射，或衍射。

　　(6)聲反射

　　聲波在傳播過(guò)程中，當(dāng)介質(zhì)的特性阻抗發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。從幾何聲學(xué)角度，可更直觀地解釋為，聲波在傳播過(guò)程中遇到尺寸比聲波波長(zhǎng)大得多的障板時(shí)，聲波將被反射。根據(jù)界面的粗糙程度，聲波在界面上的反射可分為鏡像反射和擴(kuò)散反射。

　　1)鏡像反射

　　鏡像反射聲線的方向可由虛聲源法確定。如果用聲線表示聲波的傳播方向，則反射聲線可以認(rèn)為是從虛聲源發(fā)出的。

　　鏡像反射遵循斯奈爾聲波反射定律，即入射聲線、反射聲線和反射面的法線在同一平面內(nèi)，入射聲線和反射聲線分居法線的兩側(cè)，反射角等于入射角。

　　2)擴(kuò)散反射

　　當(dāng)界面比較粗糙，其凸出部分不小于入射聲波波長(zhǎng)的1/7時(shí)，人射到界面上的聲波會(huì)發(fā)生擴(kuò)散反射。這時(shí)，聲波被分解成許多較小的反射聲波，傳播的立體角擴(kuò)大。

　　(7)反射系數(shù)、透射系數(shù)、吸聲系數(shù)

　　聲波入射到構(gòu)件時(shí)，入射聲能中的一部分聲能被反射，一部分透過(guò)構(gòu)件，還有一部分由于構(gòu)件的振動(dòng)或聲音在其中傳播時(shí)介質(zhì)的摩擦或熱傳導(dǎo)而被損耗，稱(chēng)為材料的聲吸收。

　　根據(jù)被反射、透過(guò)和吸收的聲能占總?cè)肷渎暷艿谋壤謩e定義了材料的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸聲系數(shù)，如下：

　　反射系數(shù)：

　　透射系數(shù)：

　　吸聲系數(shù)：

　　式中E0，Eτ，Eγ——分別為人射聲能、被界面反射的聲能和透射的聲能。

　　τ小的材料稱(chēng)為隔聲材料，α>0.2的材料稱(chēng)為吸聲材料。在進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)與噪聲控制時(shí)，必須了解各種材料的隔聲與吸聲特性，從而合理地選用材料。

　　二、聲音的計(jì)量

　　聲波是能量傳播的一種形式，僅從頻率、波長(zhǎng)、聲速等方面描述是不夠的。在聲環(huán)境評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)中，需要一些物理量來(lái)對(duì)聲音進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。

　　1.聲功率

　　聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能，記為W，單位是瓦(W)或微瓦(μW，lμpW=10-6W)。

　　2.聲壓

　　介質(zhì)中有無(wú)聲波傳播時(shí)壓強(qiáng)的改變量，稱(chēng)為聲壓，用符號(hào)戶表示，單位是帕(Pa)。

　　3.聲強(qiáng)

　　單位時(shí)間內(nèi)，垂直于聲波傳播方向的單位面積所通過(guò)的聲能，稱(chēng)為聲強(qiáng)，用符號(hào)I表示，單位是瓦/平方米(W/㎡)。

　　4.聲能密度

　　聲能密度指單位體積內(nèi)聲能的強(qiáng)度，用符號(hào)表示，單位是(w·s)/m3，或J/m3。

　　5.聲音計(jì)量物理量之間的關(guān)系

　　(1)聲功率與聲強(qiáng)——平方反比定律

　　在無(wú)反射的自由場(chǎng)中，由點(diǎn)聲源發(fā)出的球面波聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲強(qiáng)與該點(diǎn)到聲源的距離的平方成反比，稱(chēng)為平方反比定律：

　　式中I——聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲強(qiáng)，W/㎡;

　　W——聲源的聲功率，W;

　　r——聲源到受聲點(diǎn)的距離，m.

　　對(duì)于平面波，聲場(chǎng)中的聲強(qiáng)不變。

　　(2)聲壓與聲強(qiáng)

　　在自由場(chǎng)中，聲壓與聲強(qiáng)有如下關(guān)系：

　　式中P——有效聲壓，Pa;

　　ρ0——空氣密度，kg/m3;

　　c——空氣中的聲速，m/s;

　　ρ0c——空氣介質(zhì)的特性阻抗，20oC時(shí)等于415(N·s)/m3.

　　(3)聲能密度與聲強(qiáng)

　　聲能密度與聲強(qiáng)有如下關(guān)系

　　式中ε——聲場(chǎng)中的聲能密度，J/m3;

　　I——聲場(chǎng)中的聲強(qiáng)，W/㎡;

　　ρ0——空氣密度，k8/m3;

　　c——空氣中的聲速，m/s.

　　6.聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)及其疊加

　　人耳容許聲強(qiáng)的上下限值之差別高達(dá)l萬(wàn)億倍，聲壓相差也達(dá)100萬(wàn)倍。同時(shí)，人耳對(duì)聲音強(qiáng)度感覺(jué)的變化也不是與聲強(qiáng)和聲壓的變化成正比，而是近似地與它們的對(duì)數(shù)值成正比，為此，引入“級(jí)”的概念，單位是分貝(dU)。

　　聲壓級(jí)：

　　式中PO為基準(zhǔn)聲壓，P0=2×10-5Pa.

　　聲強(qiáng)級(jí)：(dB)

　　式中IO為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，I0=10-12W/㎡.

　　聲功率級(jí)：(dB)

　　式中Wo為基準(zhǔn)聲功率，Wo=10-12W.

　　在常溫下，通?？梢哉J(rèn)為，空氣中聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)近似相等。

　　聲壓級(jí)進(jìn)行疊加時(shí)，不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行算術(shù)相加，而要求按對(duì)數(shù)規(guī)律進(jìn)行疊加。當(dāng)幾個(gè)聲源同時(shí)作用于某一點(diǎn)時(shí)，在該點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓是各聲源單獨(dú)作用時(shí)在該點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓平方和的方根值。

　　例如，n個(gè)聲壓相等(均為p)的聲音疊加，總聲壓級(jí)為：

　　從上式可以看出，兩個(gè)數(shù)值相等的聲壓級(jí)疊加時(shí)，只比一個(gè)聲源單獨(dú)作用時(shí)的聲壓級(jí)增加3dB.例如。兩個(gè)50dB的聲音疊加只是53dB，而不是100dB.聲壓級(jí)疊加可查表進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)兩個(gè)聲壓級(jí)差超過(guò)15dB時(shí)，較小聲音的聲壓級(jí)可略去不計(jì)，其總聲壓級(jí)等于較大聲音的聲壓級(jí)。

　　三、聲音的頻譜與聲源的指向性

　　1.聲音的頻譜

　　聲音的頻譜是用來(lái)表示聲音各組成頻率的聲壓級(jí)分布。以頻率(或頻帶)為橫坐標(biāo)，聲壓級(jí)為縱坐標(biāo)的頻譜圖表示。

　　具有單一頻率的聲音，稱(chēng)為純音，其頻譜圖為一直線段;

　　由頻率離散的若干個(gè)分量復(fù)合而成的聲音，稱(chēng)為復(fù)音，其頻譜圖為線狀譜;

　　包含連續(xù)頻率成分的噪聲的頻譜為連續(xù)譜。對(duì)于連續(xù)譜的噪聲，若其聲壓級(jí)用頻帶聲壓級(jí)表示，則得到頻帶聲壓級(jí)譜。

　　了解聲音的頻譜很重要。在噪聲控制中，只有了解了噪聲的各組成頻率成分及其強(qiáng)度，才能有效地降低噪聲。在音質(zhì)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免聲音頻譜發(fā)生畸變，保證音色不失真。

　　2.聲源的指向性

　　聲源的指向性表示聲源輻射聲音強(qiáng)度的空間分布。指向性聲源在距聲源中心等距離的不同方向的空間位置的聲壓級(jí)不相等。人和樂(lè)器發(fā)出的聲音都具有指向性。

　　通常頻率越高，聲源的指向性越強(qiáng)，當(dāng)聲源的尺度比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可近似看作無(wú)方向性的“點(diǎn)聲源”。此時(shí)，在距離聲源中心等距離處，聲壓級(jí)相等。

　　四、人的主觀聽(tīng)覺(jué)特性

　　1.聽(tīng)覺(jué)定位

　　人耳的一個(gè)重要特性是能夠判斷聲源的方向與遠(yuǎn)近。聽(tīng)覺(jué)定位是由雙耳聽(tīng)聞得到的。

　　由聲源發(fā)出的聲波到達(dá)雙耳時(shí)有一定的時(shí)間差、強(qiáng)度差和相位差。人據(jù)此可判斷聲源的方位和遠(yuǎn)近，進(jìn)行聲像定位。

　　2.時(shí)差效應(yīng)

　　如果到達(dá)人耳的兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔(稱(chēng)為“時(shí)差”)小于50ms，就不覺(jué)得聲音是斷續(xù)的。一般認(rèn)為，在直達(dá)聲到達(dá)后約50ms內(nèi)到達(dá)的反射聲(即聲程差為17m)，可以加強(qiáng)直達(dá)聲;而在50ms后到達(dá)的反射聲，不會(huì)加強(qiáng)直達(dá)聲。如果延時(shí)較長(zhǎng)的反射聲的強(qiáng)度比較突出，則會(huì)形成回聲的感覺(jué)。在室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中，回聲是一種聲學(xué)缺陷，應(yīng)加以避免。

　　人耳對(duì)回聲感覺(jué)的規(guī)律，最早是由哈斯(Hass)發(fā)現(xiàn)的，故稱(chēng)為哈斯效應(yīng)。

　　3.掩蔽效應(yīng)

　　人耳對(duì)一個(gè)聲音的聽(tīng)覺(jué)靈敏度因?yàn)榱硪粋€(gè)聲音的存在而降低的現(xiàn)象，稱(chēng)為掩蔽效應(yīng)。存在的干擾聲音稱(chēng)為掩蔽聲。

　　掩蔽效應(yīng)說(shuō)明了噪聲的存在會(huì)干擾有用聲信號(hào)的通訊。但有時(shí)可以利用掩蔽效應(yīng)，用不敏感的噪聲去掩蓋不想聽(tīng)到的聲音。

　　4.純音等響曲線

　　人耳對(duì)聲音的響應(yīng)并不是在所有頻率上都是一樣的。以純音做實(shí)驗(yàn)，取1000Hz純音的某個(gè)聲壓級(jí)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，則聽(tīng)起來(lái)和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級(jí)就構(gòu)成一條等響曲線。依次改變參考用的1000Hz純音的聲壓級(jí)，就得到一組參考曲線。該1000Hz的純音聲壓級(jí)定義為該等響曲線的響度級(jí)，單位是方(Phon。

　　對(duì)于復(fù)合音，不能直接使用等響曲線，其響度級(jí)需通過(guò)計(jì)算求得，或可用聲級(jí)計(jì)測(cè)量得到。聲級(jí)計(jì)中設(shè)有A、B、C三個(gè)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量的結(jié)果分別稱(chēng)為A聲級(jí)、B聲級(jí)和C聲級(jí)，分別記為dBA、dBB和dBC.其中A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是參考40方等響曲線，對(duì)500Hz以下的聲音有較大的衰減，以模擬人耳對(duì)低頻聲音不敏感的特征。A聲級(jí)與主觀響度密切相關(guān)，因此在音頻范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算時(shí)，多采用A聲級(jí)。

　　要使人主觀感受的聲音響度增加一倍(或減為1/2)，則聲壓級(jí)的變化要有l(wèi)0dB。

　　5.聲音三要素

　　聲音的強(qiáng)弱、音調(diào)的高低和音色的好壞，稱(chēng)為聲音三要素。

　　聲音的強(qiáng)弱可用聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)及響度級(jí)描述。

　　音調(diào)的高低取決于聲音的頻率，頻率越高，音調(diào)越高。相同的頻率變化對(duì)人耳總是產(chǎn)生相同的音調(diào)變化感覺(jué)。例如，把頻率提高一個(gè)倍頻程，從250Hz變到500Hz，或從2000Hz變到4000Hz，在音樂(lè)中均提高了“八度音”程。復(fù)音音調(diào)的高低，還與該復(fù)音的頻譜有關(guān)。

　　音色反映了復(fù)音的一種特性，它主要取決于復(fù)音的頻率成分及其強(qiáng)度，即由頻譜決定。樂(lè)音也是一種復(fù)音。在樂(lè)音中，頻率最低的聲音稱(chēng)為基音，可據(jù)此來(lái)判斷音調(diào)。頻率是基音的整數(shù)倍的聲音稱(chēng)為泛音。樂(lè)音的音色就是由聲源所發(fā)出的泛音的數(shù)目，泛音的頻率和強(qiáng)度所決定的。不同的樂(lè)器的基音和泛音不同，所以具有不同的音色。樂(lè)音的頻譜為線狀譜。