二20建筑声学基本知识.doc

声音的基本性质（一）教学目的：了解声音的产生、掌握描述声波的物理量，了解声音传播过程中的基本现象教学内容：声波的基本性质、描述声波的物理量、声波的反射、扩散与绕射、声波的透射与吸收教学重难点：描述声波的物理量，声音传播过程中的基本现象教学时数：2课时教学步骤：一、新课导入 提问：请同学们思考声音的本质是什么？二、讲授新课（一）声音的基本性质1、波的产生声音的本质是一种波，想了解声音的基本性质就要从了解波开始，譬如希望了解声波的产生，首先就要了解波是怎么产生的由振动理论可知，具有质量和弹性的物体，在一定条件下都可以发生振动，便产生了波这种波叫机械波2、波动的传播方式波动传播的方式有两种，即横波和纵波横波：当媒质质点的振动方向和波动传播的方向垂直时，我们称之为横波手抖动绳子产生的波就属于横波纵波：当媒质质点的振动方向和波动传播的方向平行时，则称之为纵波提问：声波是横波还是纵波呢？请参看课本P19，通过了解声波的产生过程，我们知道声波是横波，如果用一句话对声波进行定义，我们可以使用下面这句话：3、声波的定义 机械振动或气流扰动引起周围弹性介质发生波动的现象 如果想更加细致地描述声音，可以从以下两个角度：4、声音的双重含义a、从生物学的角度来说，耳朵所能感觉到的空气质点的振动和这种振动在空气中的传播称为声。

b、从物理学的角度来说，声是指在任何弹性介质中传播的扰动，是一种机械波提问：请大家通过声音的定义，思考总结一下声波产生的必要条件5、声波产生的必要条件 机械振动或气流扰动的声源 传播振动的媒介声源：产生声波的物体叫做声源声场：声波所波及的空间称为声场媒体（介质）：传递振动的物质 下面是一些关于声音的小问题，请同学们思考：PS:什么是扰动？简单地说，扰动是指在空气、固体和液体中密度、压力或者是速度的一个微小变化，这个变化在连续的弹性体中就会传播出去，值得注意的是，传播出去的是能量，弹性物质本身并不会传播，也就是说声音是能量的传递提问：哪些是机械振动的声源？哪些是气流扰动的声源？ 演奏打击乐器时的鼓皮等的振动 演奏管乐器时号嘴的气流扰动提问：声波只能在空气中传播吗？ 声波可以在气体、液体和固体中传播，在不同的介质中传播的速度是不同的提问：为了产生声音，声源的振动一定很剧烈？ 通常声源的振动的幅度是很小的，在繁华的大街上，我们听到很嘈杂的声音，其空气质点的振动速度仅约0.24cm/s，与一般的机械振动相比，声波只是一种微扰动 （二）描述声波的物理量 如果要对声音进行深入的研究，就必须借助一些物理量来描述声波，最基本的物理量有声速、波长、频率和波阵面1、声速： 声波在弹性媒质中的传播速度称为声波，记作c，单位是m/s。

声速不是质点的振动速度而是振动传播的速度，它的大小与振源的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关空气中的声速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米／秒，为什么要强调340米／秒的声速是在1个标准大气压和15℃的条件下测得的呢？因为声速的大小受到温度的影响 声速与温度的关系：课本P20 2、波长：在传播路径上，两相邻同相位质点之间的距离称为波长，记作λ，单位是m 3、周期：质点完成一次完全振动所经历的时间称为周期T，单位为s4、频率：质点在单位时间内振动的周期数，称为频率，用f表示，单位为Hz在一定介质中声速是确定的，频率、波长、周期和声速有如下关系：c= fλ或c= λ/T5、波阵面与惠更斯原理波阵面：从声源出发，在同一介质中按一定方向传播，在某一时刻所达到的各点的包络面称波阵面波阵面为平面的称为平面波，波阵面为球面的称为球面波同一波阵面上各点的振动位相相同，并且波面有无穷多个 人们常用声线表示声波的传播路径在各向同性的媒质中，声线与波阵面相垂直惠更斯原理：因为波动的传播是由于介质中质点间的相互作用，在连续的介质中任何一点的振动将直接引起邻近质点的振动所以，球形波面上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。

其核心思想是：介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的光的直线传播、反射、折射等都能以此来进行较好的解释此外，惠更斯原理还可解释晶体的双折射现象但是，原始的惠更斯原理是比较粗糙的，用它不能解释衍射现象，而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而这显然是不存在的由于惠更斯原理的次波假设不涉及波的时空周期特性——波长，振幅和位相，虽然能说明波在障碍物后面拐弯偏离直线传播的现象，但实际上，光的衍射现象要细微的多，例如还有明暗相间的条纹出现，表明各点的振幅大小不等，对此惠更斯原理就无能为力了因此必须能够定量计算光所到达的空间范围内任何一点的振幅，才能更精确地解释衍射现象三）声波的反射、扩散与绕射1、声波的镜像反射声波反射的条件：尺寸大于波长的界面反射的规律（镜像反射定律）：入射声线、反射声线和界面的法线在同一平面内，入射声线和反射声线分居法线的两侧，入射角度等于反射角影响反射效果的因素：反射的声能与界面的吸声系数有关2、声波的扩散反射声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的界面，就会分解成许多较小的反射声波，并且使传播的立体角扩大，这种现象称之为扩散反射 扩散反射的作用： 适当的声波扩散反射，可以促进声音的分布均匀，防止一些声学缺陷的出现。

但是，这些表面的凸出和粗糙不平，最小需要达到声波波长的1/7时才能起到扩散作用扩散反射效果的分类： 完全扩散反射和部分扩散反射3、声波的绕射（衍射） 声波绕过障碍物或通过小孔继续传播的现象叫做声波的衍射障碍物或缝隙的宽度越小，而波长越大，则衍射现象就越明显当障碍物或缝隙的宽度远远超过波长时，波的衍射现象就不明显波的衍射现象可用惠更斯原理来解释 你能举例说明现实生活中障碍物对声音音质的影响吗？室内发出声波可以绕过门，窗而到达室外的各角落 声波发生绕射的条件是:l≤5λ l为障碍物的尺寸 λ为声波的波长当障碍物的尺寸在5λ-10λ范围时，声波虽有一些绕射，但只局限于局部范围，并且会产生明显的声阴影区，若障碍物的尺寸接近30λ时，则声波几乎完全被遮挡思考：高频声与低频声哪一个更容易发生绕射？ 实际上，由于绕射与障碍物的大小及声波的波长的比值有关，频率越高越不容易产生绕射 思考：常见的音箱，都要在面板上蒙上一层喇叭布，甚至做上一系列的装饰图案，这样做好不好呢？ 这实际上相当于增加了一层障碍物，很可能满足不了高音的绕射条件，会造成高音的较大损耗因此，必须精心选择喇叭布，最好不用 （四）声波的干涉声波的干涉是指一些频率相同的声波叠加后所发生的现象。

干涉的结果是使空间声场中有一个固定的分布，形成驻波如果他们的相位相同，则两个声波互相叠加而加强；若相位相反，则叠加后会减弱五）声波的透射与吸收 当声波入射到建筑材料或部件时，一部分声能被反射，一部分被吸收，还有一部分则透过建筑部件传递到了另一侧根据能量守恒定律，如果单位时间内入射到构件上的总声能为E0，反射声能为Eγ，吸收的声能为Eα，透过的声能Eτ，则三者之间有如下关系： E0= Eγ+Eα+Eτ若等式两边同除以E0，则有:Eγ/E0 + +Eα/E0 +Eτ/E0=1 定义γ=Eγ/E0 称为声反射系数；α=Eα/E0称为吸声系数； τ=Eτ/E0称为透射系数，分别表示被反射、吸收和透过的声能占入射声能的比例 请同学们看课本P22，什么是隔声材料？什么是吸声材料？ （六）声波的衰减提问：声音在传播过程中除了会遇到界面或者障碍物发生反射等现象，甚至还会被界面或障碍物吸收，但大家有没有这样的体验，及时没有障碍物的旷野中，声音也不是可以一直传播下去，总有消失的时候，那这种现象又叫做什么呢？——声波的衰减引起声音衰减的原因主要有两个一、球面扩散的反平方律由W=I·4πr2，可推导出I=W/4πr2二、由于空气媒介具有一定的粘滞性，媒质质点运动时会发生摩擦，是一部分声能变成热能消耗了。

提问：是低频声容易衰减还是高频声容易衰减？为什么？ 理论证明，这种能量消耗与声波频率的平方成反比例如，声波频率由1kHz上升到10kHz，频率升高10倍，而声能量消耗将达到100倍因此，高音在传播过程中衰减很大，必须在音响系统中引起足够的重视并采取相应的措施声音的基本性质（二）教学目的：了解声音的频谱和指向性教学内容：声音的频谱及相关基本概念 声音的指向性教学重难点：声音的频谱教学时数：2课时教学步骤：一、新课导入在建设声学中，除了要知道声源在某一点的物理属性之外，还需要了解声能在整个频率范围内的分布，这就是声音的频谱二、新课讲授（一）声音的频谱1、频带、频程人耳听音的频率范围为20Hz到20KHz，声音信号频谱分析一般不需要对每个频率成分进行具体分析为了方便起见，人们把20Hz到20KHz的声频范围分为几个段落，每个频带成为一个频程2、倍频程频程的划分采用恒定带宽比，即保持频带的上、下限之比为一常数若每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率之比为2，这样划分的每一个频程称1倍频程，简称倍频程实验证明，当声音的声压级不变而频率提高一倍时，听起来音调也提高一倍3、上限频率 下限频率4、1/3倍频程如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使4个频率之间的比值相同（相邻两频率比值=1.26倍）。

这样将一个倍频程划分为3个频程，称这种频程为1/3倍频程5、截止频率6、中心频率7、带宽的计算（三）声音的指向性声音的计量教学目的：了解声音计量的方法和单位教学内容：声压与声压级 声强与声强级 声功率和声功率级 声级的叠加教学重难点：声压、声强和声功率的概念及三者之间的区别教学时数：2课时教学步骤：一、新课导入 仅仅了解声音的周期、波长、频率等基本属性还是不够的，要解释更多的物理现象必须掌握声音的计量方法二、新课讲授（一）声压与声压级 1、声压：声波在媒质中传播时，媒质各部分产生压缩和膨胀是周期性变化的压缩时压强增加，膨胀时压强减少，变化部分的压强，即总压强与静压强的差值称为声压更具体的描述可以用瞬时声压、峰值声压和有效声压等，通常用仪器测得的是有效声压，因而习惯上把有效声压简称为声压，用p表示 对平面波而言，声压p和质点运动速度v成正比，即p=ρcv 其中，ρ为媒质密度，c为声波的传播速度，ρc又称为声阻抗率描述声波的物理量 声压的单位是帕（Pa），有时也用微巴（μbra），它们的关系如下：1帕（Pa）=1牛顿/米2（N/m2）1微巴（μbra）=1达因/厘米2（dyn/cm2）1帕（Pa）=10微巴（μbra）1个大气压（atm）≈ 105帕（Pa） 人耳所能听到的最低声压是0.0002μbra，这个极限称为可闻阈（又称听阈）。

当声压增大到（200～2000）μbra时，人耳会产生难受的感觉，有痛感，故把这个范围称为痛阈。