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    建筑聲學
    來源:博網新材 日期:2010/11/11 14:12:49

       建筑聲學是研究建筑中聲學環境問題的科學。它主要研究室內音質和建筑環境的噪聲控制。
     

      有關建筑聲學的記載最早見于公元前一世紀,羅馬建筑師維特魯威所寫的《建筑十書》。書中記述了古希臘劇場中的音響調節方法,如利用共鳴缸和反射面以增加演出的音量等。在中世紀,歐洲教堂采用大的內部空間和吸聲系數低的墻面,以產生長混響聲,造成神秘的宗教氣氛。當時也曾使用吸收低頻聲的共振器,用以改善劇場的聲音效果。 

      15~17世紀,歐洲修建的一些劇院,大多有環形包廂和排列至接近頂棚的臺階式座位,同時由于聽眾和衣著對聲能的吸收,以及建筑物內部繁復的凹凸裝飾對聲音的散射作用,使混響時間適中,聲場分布也比較均勻。劇場或其他建筑物的這種設計,當初可能只求解決視線問題,但無意中卻取得了較好的聽聞效果。 

      16世紀,中國建成著名的北京天壇皇穹宇,建有直徑65米的回音壁,可使微弱的聲音沿壁傳播一二百米。在皇穹宇的臺階前,還有可以聽到幾次回聲的三音石。

      18~19世紀,自然科學的發展推動了理論聲學的發展。到19世紀末,古典理論聲學發展到最高峰。20世紀初,美國賽賓提出了著名的混響理論,使建筑聲學進入利學范疇。從20年代開始,由于電子管的出現和放大器的應用,使非常微小的聲學量的測量得以實現,這就為現代建筑聲學的進一步發展開辟了道路。

      建筑聲學的基本任務是研究室內聲波傳輸的物理條件和聲學處理方法,以保證室內具有良好聽聞條件;研究控制建筑物內部和外部一定空間內的噪聲干擾和危害。

      室內聲學的研究方法有幾何聲學方法、統計聲學方法和波動聲學方法。

      當室內幾何尺寸比聲波波長大得多時,可用幾何聲學方法研究早期反射聲分布以加強直達聲,提高聲場的均勻性,避免音質缺陷;統計聲學方法是從能量的角度,研究在連續聲源激發下聲能密度的增長、穩定和衰減過程(即混響過程),并給混響時間以確切的定義,使主觀評價標準和聲學客觀量結合起來,為室內聲學設計提供科學依據;當室內幾何尺寸與聲波波長可比時,易出現共振現象,可用波動聲學方法研究室內聲的簡正振動方式和產生條件,以提高小空間內聲場的均勻性和頻譜特性。

      室內聲學設計內容包括體型和容積的選擇,最佳混響時間及其頻率特性的選擇和確定,吸聲材料的組合布置和設計適當的反射面,以合理地組織近次反射聲等。

      聲學設計要考慮到兩個方面,一方面要加強聲音傳播途徑中有效的聲反射,使聲能在建筑空間內均勻分布和擴散,如在廳堂音質設計中應保證各處觀眾席都有適當的響度。另一方面要采用各種吸聲材料和吸聲結構,以控制混響時間和規定的頻率特性,防止回聲和聲能集中等現象。設計階段要進行聲學模型試驗,預測所采取的聲學措施的效果。

      處理室內音質一方面要了解室內空間體型、所選用的材料對聲場的影響。還要考慮室內聲場聲學參數與主觀聽聞效果的關系,即音質的主觀評價?梢哉f確定室內音質的好壞,最終還在于聽眾的主觀感受。由于聽眾的個人感受和鑒賞力的不同,在主觀評價方面的非一致性是這門學科的特點之一;因此,建筑聲學測量作為研究。探索聲學參數與聽眾主觀感覺的相關性,以及室內聲信號主觀感覺與室內音質標準相互關系的手段,也是室內聲學的一個重要內容。

      在大型廳堂建筑中,往往采用電聲設備以增強自然聲和提高直達聲的均勻程度,還可以在電路中采用人工延遲、人工混響等措施以提高音質效果。室內擴聲是大型廳堂音質設計必不可少的一個方面,因此,現代擴聲技術已成為室內聲學的一個組成部分。

      即使有良好的室內音質設計,如果受到噪聲的嚴重干擾,也將難以獲得良好的室內聽聞條件。為了保證建筑物的使用功能,保證人們正常生活和工作條件,也必須減弱噪聲的影響。因此,控制建筑環境噪聲,保證建筑物內部達到一定的安靜標準,是建筑聲學的另一個重要方面。

      噪聲干擾,除與噪聲強度有關外,還與噪聲的頻譜持續時間、重復出現次數以及人的聽覺特性、心理、生理等因素有關?刂圃肼暰褪前凑諏嶋H需要和可能,將噪聲控制在某一適當范圍內,其所容許的最高噪聲標準稱為容許噪聲級,即噪聲容許標準。對于不同用途的建筑物,有不同建筑噪聲容許標準:如對工業建筑主要是為保護人體健康而制定的衛生標準;而對學習和生活環境則要保證達到一定的安靜標準。

      在噪聲控制中,首先要降低噪聲源的聲輻射強度,其次是控制噪聲的傳播,再次是采取個人防護措施。噪聲按傳播途徑可分為兩種:一是由空氣傳描的噪聲,即空氣聲;一是由建筑結構傳播的機械振動所輻射的噪聲,即固體聲?諝饴晻䝼鞑ミ^程的衰減和設置隔墻而大大減弱;固體聲由于建筑材料對聲能的衰減作用很小,可傳播得較遠,通常采用分離式構件或彈性聯接等措施來減弱其傳播。

      建筑物空氣聲隔聲的能力取決于墻或間壁(隔斷)的隔聲量;径墒琴|量定律,即墻或間壁的隔聲量與它的面密度的對數成正比,F代建筑由于廣泛采用輕質材料和輕型結構,減弱了對空氣聲隔聲的能力,因此又發展出雙層墻體結構和多層復合墻板,以滿足隔聲的要求。 

      在建筑物中實現固體聲隔聲,相對地說要困難些。采用一般的隔振方法,如采用不連續結構,施工比較復雜,對于要求有高度整體性的現代建筑尤其是這樣。人在樓板上走動或移動物件時產生撞擊聲,直接對樓廠房間造成噪聲干擾?捎脴藴蚀驌羝髯矒魳前,在樓下測定聲壓級值。聲壓級值越大,表示樓板隔絕撞擊聲的性能越差。

      控制樓板撞擊聲的主要方法是在樓板面層上或地面板與承重樓板之間設置彈性層,特別是在樓板上鋪設彈性面層,是隔絕撞擊聲的簡便有效的措施。在工業建筑物中,隔聲間或隔聲罩已成為廣泛采用的降低設備噪聲的手段。

      在機械設備下面設置隔振器,以減弱振動,是建筑設備隔振的主要措施。目前,隔振器已由逐個設計發展成為定型產品。

      由于室內聲學同建筑空間的體積、形狀和室內表面處理都有密切關系,因此室內聲學設計必須從建筑的觀點確定方案。取得良好的聲學功能和建筑藝術的高度統一的效果,這是科學家和建筑師進行合作的共同目標。

      改善建筑物的聲環境,必須加強基礎研究、技術措施和組織管理措施,雖然重點應放在聲源上,但是改變聲源往往較為困難甚至不可能,因此要更多地注意傳播途徑和接收條件。各種控制技術都涉及經濟問題,因此必須同有關的各種專業合作進行綜合研究,以獲得最佳的技術效果和經濟效益。
     
      選自:《物理學簡史》

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