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建筑聲學的基本概念

吸聲板

一、建筑聲學的基本概念
1)聲音
   物體的振動產生“聲”,振動的傳播形成“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。建筑聲學不同于其他物理聲學,主要研究目的在于如何使人們在建筑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、建筑學、結構學、材料學甚至群體行為學等多方面問題。
    人耳的聽覺下限是0dB,低于15dB的環境是極為安靜的環境,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、小動物等自然聲音以外,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。城市的夜晚會因區域不同而有所不同。較為安靜區域的室內一般在30-35dB,如果你住在繁華的鬧市區或是交通干線附近,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,大聲呼喊可達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產生超過120dB的聲音。

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,后一個頻率均為前一個頻率的兩倍,因此被稱為倍頻程,而且后一個頻率的頻率帶寬也是前一個頻率的兩倍。在有些更為精細的要求下,將頻率更細地劃分,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,后一個頻率均為前一個頻率的21/3倍。在實際工程中更關心人耳敏感的部分,因此,除進行必要的科學研究以外,大多數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。

對于各種建筑聲學材料來講,不同頻率條件下聲學性能是不同的。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。隔聲等其他聲學性能也是如此。

3)分貝和A聲級

分貝對于非專業人員來講是最難理解的,然而對于專業人士來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,因為貝的單位太大,因此采用分貝,代表1/10貝。

分貝的概念比較特別,它的運算不是線性比例的,而是對數比例的,例如兩個音箱分別發出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。如果某種隔墻隔聲量為50dB,那么透過去的聲音為0.00001。分貝的計算較為復雜,需要具備專業知識才能完成。

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。聲級是將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計權網絡后再相加得到的大小,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的聲壓級為80dB,在計算A聲級時,將按計權減去50.5dB,即按29.5dB來計算;而1KHz的聲壓級為80dB,計權值為0dB,即仍按80dB計算。A聲級的目的在于,A聲級越大,則表明聲音聽起來越響。A聲級分貝通常計為dBA。許多與噪聲有關的國家規范都是按A聲級作為指標的。

4)吸聲

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現象,吸聲可以降低室內聲壓級。描述吸聲的指標是吸聲系數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標準和國家標準,吸聲測試報告中吸聲系數的頻率范圍是100-5KHz。將 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粗略地評價在語言頻率范圍內的吸聲性能,這一數值是材料在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的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內混響及噪聲時,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,125px厚的24kg/m3的離心玻璃棉的NRC可達到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,吸聲機理是材料內部有大量微小的孔隙,聲波沿著這些孔隙可以深入材料內部,與材料發生摩擦作用將聲能轉化為熱能。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,這種結構也具有吸聲性能,如穿孔的石膏板、木板、金屬板、甚至是狹縫磚等,它的吸聲機理是亥姆霍茲共振,類似于暖水瓶,外部空間與內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內部空間之間產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只有在某些頻率上具有較大的吸聲系數。薄膜或薄板與其他結構體形成空腔時也能吸聲,如木板、金屬板等,這種結構的吸聲機理是薄板共振,在共振頻率上,由于薄板劇烈振動而大量吸收聲能。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,混響可以使室內的聲音增加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。

   描述混響效果的指標是混響時間,它是室內聲源停止發聲后,聲壓級衰減60dB所經歷的時間,單位是秒。混響時間與室內吸聲存在數學關系,也就是建筑聲學中著名的塞賓公式:T=0.161V/(S×a) ,其中T是混響時間,V是房間體積,S是房間墻面的總表面積,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,將嚴重影響語言清晰度。由于室內吸聲與頻率有關,不同頻率的混響時間也有所不同,房間音質指標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。在建筑設計中正確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)隔聲

   為了保證室內環境的私密性,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。聲音進入建筑維護結構有三種形式。

1)通過孔洞直接進入。2)聲波撞擊到墻面引起墻體振動而輻射聲音。3)物體撞擊地面或墻體產生結構振動而輻射聲音。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的差值,但絕對不是差值這樣簡單。孔洞的隔聲量R=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是使用標準評價曲線與墻體隔聲量頻率特性曲線進行比較得到的,標準評價曲線符合人耳低頻不敏感的聽覺特性。具體評價方法可參見國標GBJ121-88“建筑隔聲評價標準”。

隔墻隔聲存在質量定律,即單層墻越重隔聲性能越好,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,結構荷載負擔較大,使用黏土磚也不利于耕地保護,因此,輕墻得以廣泛使用。為了使輕墻達到良好的隔聲性能,需要使用多層墻板內填吸聲材料的方法。75龍骨內填玻璃棉的雙面雙層水泥纖維板墻的面密度只有60kg/m2左右,隔聲量可以達到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標是撞擊聲壓級,它不同于空氣聲隔聲量所表達的“隔掉聲音的分貝數”,而是表示在使用標準打擊器(一種能夠產生標準撞擊能量的設備)撞擊樓板時,樓下聲音的大小。撞擊聲壓級越大表示樓板撞擊聲傳聲隔聲能力越差,反之越好。撞擊聲壓級反映了人在樓上活動時對樓下房間產生聲音的大小。樓板撞擊聲壓級隨頻率不同而變化,為了使用單一指標比較不同樓板的隔絕撞擊聲的性能,人們使用計權撞擊聲壓級Lpn,w。Lpn,w同樣使用標準評價曲線與撞擊聲隔聲頻率特性曲線進行比較得到的,具體評價方法可參見國標GBJ121-88“建筑隔聲評價標準”。

比較理想的住宅樓板計權撞擊聲壓級應小于65dB。然而,大量使用的普通250px厚混凝土樓板計權撞擊聲壓級為80-82dB,樓板隔聲問題比較嚴重,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歷呢?采用浮筑地板的方法可以提高樓板隔聲性能,如在結構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,計權撞擊聲壓級可以小于60dB。


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