一、聲音的基本性質(zhì)
聲音來源于振動的物體。輻射聲音的振動物體稱為“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)人耳所能聽到的聲波的頻率范圍為20~20000Hz，稱為可聽聲。低于20Hz的聲音稱為次聲;高于20000Hz的聲音稱為超聲。次聲與超聲不能使人產(chǎn)生聲音的感覺。
(2)室溫下空氣中的聲速為340m/s。聲速c，波長λ和頻率f有如下關系：
頻率為100～10000Hz的聲音的波長為3.4～0.034m。這個波長范圍與建筑物室內(nèi)構(gòu)件的尺度相當，在室內(nèi)聲學中，對這一頻段的聲波尤為重視。
-f2。每一頻帶以其中心頻率fc標度，。建筑聲學設計和測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，聲波在同一時刻所到達的各點的包絡面稱為波陣面。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，由點聲源發(fā)出。
一個聲源是否可以被看成是點聲源，取決于聲源的尺度與所討論聲波波長的相對尺度。當聲源的尺度比它所輻射的聲波波長小得多時，可看成是點聲源。所以往往一個尺度較大的聲源在低頻時可按點聲源考慮，而在中高頻則不可以。
(5)聲繞射
聲波在傳播過程中，遇到小孔或障板時，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原來的傳播方向，在障板背后繼續(xù)傳播。這種現(xiàn)象稱為繞射，或衍射。
(6)聲反射
聲波在傳播過程中，當介質(zhì)的特性阻抗發(fā)生變化時，會發(fā)生反射。從幾何聲學角度，可更直觀地解釋為，聲波在傳播過程中遇到尺寸比聲波波長大得多的障板時，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。如圖3—l所示，圖中O為聲源，O’，為虛聲源，是O關于反射面的映像，O和O’，關于反射平面對稱。如果用聲線表示聲波的傳播方向，則反射聲線可以認為是從虛聲源發(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)擴散反射
當界面比較粗糙，其凸出部分不小于入射聲波波長的1/7時，人射到界面上的聲波會發(fā)生擴散反射。這時，聲波被分解成許多較小的反射聲波，傳播的立體角擴大，見圖3—2。
(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，入射聲能中的一部分聲能被反射，一部分透過構(gòu)件，還有一部分由于構(gòu)件的振動或聲音在其中傳播時介質(zhì)的摩擦或熱傳導而被損耗，稱為材料的聲吸收。
根據(jù)被反射、透過和吸收的聲能占總?cè)肷渎暷艿谋壤�，分別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小的材料稱為隔聲材料，α>0.2的材料稱為吸聲材料。在進行室內(nèi)音質(zhì)設計與噪聲控制時，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、聲音的計量
聲波是能量傳播的一種形式，僅從頻率、波長、聲速等方面描述是不夠的。在聲環(huán)境評價和設計中，需要一些物理量來對聲音進行計算和測量。
1.聲功率
聲功率是聲源在單位時間內(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)中有無聲波傳播時壓強的改變量，稱為聲壓，用符號戶表示，單位是帕(Pa)。
3.聲強
單位時間內(nèi)，垂直于聲波傳播方向的單位面積所通過的聲能，稱為聲強，用符號I表示，單位是瓦/平方米(W/m2)。
4.聲能密度
聲能密度指單位體積內(nèi)聲能的強度，用符號表示，單位是(w·s)/m3，或J/m3。
5.聲音計量物理量之間的關系
(1)聲功率與聲強——平方反比定律
在無反射的自由場中，由點聲源發(fā)出的球面波聲場中某點的聲強與該點到聲源的距離的平方成反比，稱為平方反比定律：
式中I——聲場中某點的聲強，W/m2;
W——聲源的聲功率，W;
r——聲源到受聲點的距離，m。
對于平面波，聲場中的聲強不變。
(2)聲壓與聲強
在自由場中，聲壓與聲強有如下關系：
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時等于415(N·s)/m3。
(3)聲能密度與聲強
聲能密度與聲強有如下關系
式中ε——聲場中的聲能密度，J/m3;
I——聲場中的聲強，W/m2;
ρ0——空氣密度，k8/m3;
c——空氣中的聲速，m/s。
6.聲壓級、聲強級、聲功率級及其疊加
人耳容許聲強的上下限值之差別高達l萬億倍，聲壓相差也達100萬倍。同時，人耳對聲音強度感覺的變化也不是與聲強和聲壓的變化成正比，而是近似地與它們的對數(shù)值成正比，為此，引入“級”的概念，單位是分貝(dU)。
聲壓級：
式中PO為基準聲壓，P0=2×10-5Pa。
聲強級：(dB)
式中IO為基準聲強，I0=10-12W/m2。
聲功率級：(dB)
式中Wo為基準聲功率，Wo=10-12W。
在常溫下，通�？梢哉J為，空氣中聲壓級與聲強級近似相等。
聲壓級進行疊加時，不能簡單地進行算術(shù)相加，而要求按對數(shù)規(guī)律進行疊加。當幾個聲源同時作用于某一點時，在該點所產(chǎn)生的聲壓是各聲源單獨作用時在該點所產(chǎn)生的聲壓平方和的方根值，即：
例如，n個聲壓相等(均為p)的聲音疊加，總聲壓級為：
從上式可以看出，兩個數(shù)值相等的聲壓級疊加時，只比一個聲源單獨作用時的聲壓級增加3dB。例如.兩個50dB的聲音疊加只是53dB，而不是100dB。
聲壓級疊加可查表進行計算。當兩個聲壓級差超過15dB時，較小聲音的聲壓級可略去不計，其總聲壓級等于較大聲音的聲壓級。
三、聲音的頻譜與聲源的指向性
1.聲音的頻譜
聲音的頻譜是用來表示聲音各組成頻率的聲壓級分布。以頻率(或頻帶)為橫坐標，聲壓級為縱坐標的頻譜圖表示。
具有單一頻率的聲音，稱為純音，其頻譜圖為一直線段;
由頻率離散的若干個分量復合而成的聲音，稱為復音，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。對于連續(xù)譜的噪聲，若其聲壓級用頻帶聲
壓級表示，則得到頻帶聲壓級譜。
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度，才能有效地降低噪聲。在音質(zhì)設計中，應避免聲音頻譜發(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不相等。人和樂器發(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，如圖3-3所示。當聲源的尺度比波長小得多時，可近似看作無方向性的“點聲源”。此時，在距離聲源中心等距離處，聲壓級相等。
四、人的主觀聽覺特性
1.聽覺定位
人耳的一個重要特性是能夠判斷聲源的方向與遠近。聽覺定位是由雙耳聽聞得到的。
由聲源發(fā)出的聲波到達雙耳時有一定的時間差、強度差和相位差。人據(jù)此可判斷聲源的方位和遠近，進行聲像定位。
2.時差效應
如果到達人耳的兩個聲音的時間間隔(稱為“時差”)小于50ms，就不覺得聲音是斷續(xù)的。一般認為，在直達聲到達后約50ms內(nèi)到達的反射聲(即聲程差為17m)，可以加強直達聲;而在50ms后到達的反射聲，不會加強直達聲。如果延時較長的反射聲的強度比較突出，則會形成回聲的感覺。在室內(nèi)音質(zhì)設計中，回聲是一種聲學缺陷，應加以避免。
人耳對回聲感覺的規(guī)律，最早是由哈斯(Hass)發(fā)現(xiàn)的，故稱為哈斯效應。
3.掩蔽效應
人耳對一個聲音的聽覺靈敏度因為另一個聲音的存在而降低的現(xiàn)象，稱為掩蔽效應。存在的干擾聲音稱為掩蔽聲。
掩蔽效應說明了噪聲的存在會干擾有用聲信號的通訊。但有時可以利用掩蔽效應，用不敏感的噪聲去掩蓋不想聽到的聲音。
4.純音等響曲線
人耳對聲音的響應并不是在所有頻率上都是一樣的。以純音做實驗，取1000Hz純音的某個聲壓級作為參考標準，則聽起來和它同樣響的其他頻率的純音的各自聲壓級就構(gòu)成一條等響曲線。依次改變參考用的1000Hz純音的聲壓級，就得到一組參考曲線。該1000Hz的純音聲壓級定義為該等響曲線的響度級，單位是方(Phon)，見圖3—4。
圖3-4純音等響曲線
從圖3-4中可以看出，人耳對2000~4000Hz的聲音最敏感;低于1000Hz時，人耳的靈敏度會隨著頻率的降低而降低;而在4000Hz以上時，人耳的靈敏度也逐漸下降。也就是說，不同頻率的聲音要使其聽起來一樣響，則應具有不同的聲壓級;反之，相同聲壓級的不同頻率的聲音，人耳聽起來是不一樣響的。如圖中20方等響曲線上，聲壓級為20dB的1000Hz的聲音與聲壓級為37dB的100Hz的聲音是一樣響的，其響度級均為20方。
對于復合音，不能直接使用等響曲線，其響度級需通過計算求得，或可用聲級計測量得到。聲級計中設有A、B、C三個計權(quán)網(wǎng)絡，測量的結(jié)果分別稱為A聲級、B聲級和C聲級，分別記為dBA、dBB和dBC。其中A計權(quán)網(wǎng)絡是參考40方等響曲線，對500Hz以下的聲音有較大的衰減，以模擬人耳對低頻聲音不敏感的特征。A聲級與主觀響度密切相關，因此在音頻范圍內(nèi)進行測量和計算時，多采用A聲級。
要使人主觀感受的聲音響度增加一倍(或減為1/2)，則聲壓級的變化要有l(wèi)0dB。
5.聲音三要素
聲音的強弱、音調(diào)的高低和音色的好壞，稱為聲音三要素。
聲音的強弱可用聲壓級、聲強級及響度級描述。
音調(diào)的高低取決于聲音的頻率，頻率越高，音調(diào)越高。相同的頻率變化對人耳總是產(chǎn)生相同的音調(diào)變化感覺。例如，把頻率提高一個倍頻程，從250Hz變到500Hz，或從2000Hz變到4000Hz，在音樂中均提高了“八度音”程。復音音調(diào)的高低，還與該復音的頻譜有關。
音色反映了復音的一種特性，它主要取決于復音的頻率成分及其強度，即由頻譜決定。樂音也是一種復音。在樂音中，頻率最低的聲音稱為基音，可據(jù)此來判斷音調(diào)。頻率是基音的整數(shù)倍的聲音稱為泛音。樂音的音色就是由聲源所發(fā)出的泛音的數(shù)目，泛音的頻率和強度所決定的。不同的樂器的基音和泛音不同，所以具有不同的音色。樂音的頻譜為線狀譜。
