第二章 声学.ppt

旁虽是最强，离开声源渐渐降低，但不远处却又升高，随距离增加而升降起伏不已。19世纪的物理学家往往以光波比拟声波，在实验中得到无法解释的现象。光波与声波不同，在室内，光波和声波的差别更显得突出。第一，光速大，光速是每秒30万公里，在室内一秒要反射上千万次，能量很快消失。声速只有约每秒300米，一秒钟只反射几十次，能量消失很慢。第二，一般墙面反射光能，最高只有80%左右，每次反射损失大。声波由于固体和空气特性阻抗的巨大差别，每次反射，能量在一般建筑材料上不过1%～3%，对声波而论， 室内基本是四面玻璃镜子（当然不只四面），使一切模糊不清，前后发音混淆难分。波长的巨大差别，使墙面对光波是粗糙不堪，而对声波则光滑如镜。第三，能量不同，人耳对声音非常灵敏，而动态范围大。由于这些原因，声驻波须特殊考虑。形成驻波的基本原因和形式，声学与光学或电磁波差别不大。声波频率低，可听声最低频率20Hz，波长17米，大于一般房间尺度。即使1000Hz，声波长0.34m，与普通房间尺度只差十倍左右。可见光的波长是4×10-7～ 8×10-7 m. 1、统计声学 厅堂是社会活动的场所，必要条件是良好的聆听环境，如果讲话、音乐听不好，其功能就有缺陷了。所以室内声学研究的目的就是如何获得良好的聆听环境。主要的科学问题就是混响和扩散，特别是混响、室内混响影响聆听条件，这是人们在早期就认识到的问题。我国在南北朝时期（公元第六世纪中叶）梁朝周兴嗣把散见的王羲之书法一千字编辑成韵文，称千字文，内有“空谷传声，虚堂习听”之句，可见当时回声、混响都已经是普通常识。但 在我国古代似乎不在乎混响的干扰，农村演戏就是野台子戏，在庙前搭一个台子就演戏，都是露天；在城市，戏院有围墙，有的也有顶。但基本都是棚子，四面通风而且体积很小，人很挤。皇家戏院也只是听者在室内，不是大的厅堂。问题主要是使歌唱、音乐有足够强度。因此，地方戏一般几乎都是高腔，歌唱家嗓音训练有素，加以大锣大鼓，以吸引听众。在西方就不同了，古希腊时代，《十建筑书》很有名谈到声音必须不受阻档，也谈到避免回声。 古希腊、罗马时代（因为在热带）都是露天剧场，也主要是使声音增强，减少干扰的问题。后来发展到中欧、北欧，天气有时很冷，就需要在室内了。剧院发展到多层楼厅，平面面积小，剧院体积小，听众离戏台近，混响问题也不严重。但罗马天主教的发展，和以后新教的发展，都建起大量教堂，力求其雄伟、豪华。例如米兰大教堂，体积二十万立方米，内部全是大理石，显得极其庄严伟大，但星期作礼拜时，从未到过一千人，风琴声混响八秒钟，讲一句话就成为一团糊涂人都听不懂。 这些教会到我国建教堂，传教，也有相似问题。当时科学家都认识到问题是在混响，但如何控制或改进他们束手无策。后来，特别是到19世纪，不少科学家作了体形研究，即如何安排厅堂形状和反射面可以把声音都向听者反射？但这些研究也都不成功。到19世纪中叶，美国摩门教成立不久后，因不受欢迎率众西逃，到盐湖城建立了中心，建成了摩门教堂，容五千人，做礼拜时无声学问题。这个教堂，平面图、截面图都是椭圆，在讲台上掉一根针，最后一排也能听到。（这是聚焦的作用）。因教徒凝聚力很强，礼拜时经常满座，混响时间不长，所以没有困难。人们就以为椭圆能解决声学问题，于是椭圆礼 堂建了不少，而问题依然存在。哈佛大学在它的福阁艺术博物馆中也建立了一个椭圆大教堂为授课之用。建成后完全不能用，校长请物理系讲师赛宾研究解决的办法。这时19世纪伟大声学家瑞利和廷达尔也意识到混响是吸声问题，但还无人做过认真研究。赛宾花了五年时间，基本靠夜晚工作（白天要上课），从教堂借来长椅垫作吸声材料，仪器是风琴管，自制的滚筒计时器和自己的耳朵，于1900年取得最后成果，得到了赛宾混响时间公式，从而开创了建筑声学这第一门现代声学分支学科。他自己后来负责设计了波士顿音乐厅，至今仍是全世界上三个最佳 音乐厅之一。除了混响问题外，室内声学还有一个扩散问题，室内混响合适了，还希望演奏音乐时更好地体现它的优美，甚至于比自然声更好听。20世纪50年代以来，因音乐厅建筑的需要，这方面有了大量研究。因为这涉及人的听觉和个人爱好，从物理学方面的研究只是一个方面。所以现在虽然已有大量结果，但研究仍在继续进行。 赛宾混响公式为 V为体积，A为总吸声量， 为吸声系数 的面积， 为混响时间，等于室内声能密度 （或声压平方，声能密度 ）降低106 倍（60dB）的时间。 为 墙的吸声量（单位仍是m2 ,赛宾称此值的单位为开窗）。 等于被吸收的能量与入射能量之比是墙壁材料的固有特性（与频率有关），与声源大小、