XYCAD中国音响设计网

 找回密码
 请注册

QQ登录

只需一步,快速开始

扫一扫,访问微社区

搜索
查看: 2762|回复: 19

建筑声学科学理论的创立与发展

  [复制链接]

5

主题

17

帖子

197

积分

新手上路

Rank: 3Rank: 3

积分
197
发表于 2011-9-7 11:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
涉及音响灯光机械视频方案从此不求人,秒拿预算!

亲,只有注册或登录才能下载更有用的哦

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?请注册

x
摘要:
本文以建筑声学理论的创立与发展过程为例,回顾了从建筑声学的提出到理论的逐渐发展并形成一门完整科学体系的历史进程,总结了所使用的分析方法和研究工具的进展。说明了科学理论的发展是经验的累积的观点,科学知识体系是以观察所提供的可靠的经验事实材料的增加,并且由于观察和实验技巧的改进而对事实的了解更加精确和具体。验证了科学理论的累积式发展。
关键词:建筑声学 科学理论 累积式发展观
1、引言
科学理论是不断发展的,恩格斯指出[1]:一切科学理论都只是近似的正确,它们不是永恒地绝对真理。建筑声学的发展也正好验证了这个道理。建筑声学为声学的一分支。声学一词源自希腊文akoustikos,意指“有关听觉的”其它分支包括音乐声响学、工程声响学、超声波声响学、环境声响学[2]。其历史根源可追溯至古希腊等文化,希腊人及罗马人所设计的露天圆形剧场,即是古代建造者及科学家具有声学素养的明证。建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。它的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法,以保证室内具有良好听闻条件以及研究在何种因素下,可产生最理想的音响状态。建筑声学最熟知的应用为音乐听及大会堂的设计和建筑。并且涵盖多种特殊技术与设备,例如利用音响强化设备作适当的配置。除此之外,建筑声学的研究范围还涵盖研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。
建筑声学的进展与人类社会的需求有着密切的关系。音乐厅及演讲厅为求最佳音响效果的设计,以及办公室与公寓建筑最理想的隔音效果规划,都是声学研究提供最佳居住环境的例证。
2、科学问题的提出
人们所处的各种空间环境,总是伴随着一定的声环境。在各种空间环境里,人们对需要听的声音,要求听得清楚、听得好;对不需要听的声音,则希望尽可能地降低,以减少其干扰:因此,适宜的声环境是人们对空间环境功能要求的组成部分。建筑声学是研究控制、处理室内外声环境的—门重要学科。目的在于使建筑师懂得人们对声环境的要求,控制声环境,并能有效地综合到城市规划和建筑设计中去。建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。它主要研究室内音质和建筑环境的噪声控制。建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法,以保证室内具有良好听闻条件;研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。
厅堂是供人们聆听语言或音乐的场所,是从古典露天剧场发展过来的。从希腊和罗马选择天然场地所建设的露天剧场中有迹象表明当时他们对声学原理特别重视。如希腊露天剧场的设计把舞台放置于观众席位的前沿可能是利用舞台后面和剧场中部地面的声音反射作用,这些地方常常是使用对声音反射特别好的大理石来铺设。但是根据许多已发表论述古代露天剧场声学问题的文献来看,希腊和罗马露天剧场的声学设计当初可能只是想解决视的问题,而这样的处理使听觉问题也得到合理的解决。他们尽量把观众的座位建成紧靠舞台的半圆形台阶式的座位,这就很自然获得合适的良好听觉效果。此外,演员们配带大面具,一方面用作显示他们的面部表情,另一方面用作加强他们的发音能力。其后,罗马人把圆形乐队席改为半圆形乐队席,使听众更加接近声源,同时在舞台上方修建大型的斜屋顶,在两侧修建侧墙。这些设施成为有效的声音反射体,使离舞台较远的观众对剧情的理解也感到满意。
3、建筑声学的发展简史[3~5]
而历史记载第一次提到建筑声学是在公元前一世纪的罗马建筑师维特鲁威(vitruvius)。在他的著作《建筑十书》(de architectura libri decem)一书中,记述了古希腊露天剧场中的音响调节方法,如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。但是自从罗马帝国被推翻后,中世纪建造的唯一厅堂型式就是教堂,中世纪承继了封闭空间声学的知识,采用大的内部空间和吸声系数低的墙面,以产生长混响声,但因混响时间过长,可辨度较差,反而造成神秘的宗教气氛。中世纪后期的另一种厅堂建筑为会议室。这种同时提供司法、立法、社会活动用的会议室,在十一世纪时主要在意大利、德国等地兴建。
到了十六世纪中叶,英国的跑江湖卖艺的艺人利用旅馆中圆形、方形或八边形的露天庭院作为演出的舞台。继希腊的露天剧场后,这种布置方式使观众和演员的距离缩减了不少,同时为当时建造的露天舞台(或伸展式舞台)提供了设计模式。
之后十六、十七世纪,意大利建造了大型剧场,如奥林匹克剧院,可容纳3000个观众席,帕尔马市的法内斯剧院,可容纳观众2500人。这时期的剧院的设计,由于观众的吸音和戏院内华丽的表面装饰所起的作用,使剧院的混响时间控制较为是当,声能的分布也较均匀,所以观众听到的音质没有显著的缺陷。马蹄形歌剧院也于此时发展,较大的舞台和舞台建筑以及环形包厢、台阶式席位排列接近顶棚。这种歌剧院利用观众席面积大量吸收声音,使混响声音较短。
十七世纪阿‧科切尔(a. kircher)的著作《声响》(phonurgia)一书为最早介绍室内声学现象的科学著作。论及早期简单的声学实践,为建筑声学史发展上的一个重要贡献。 到了十九世纪初,德国人e.f.弗里德利克察拉迪(e.f. freidrich chlaudi)于他的著作《声学》中,致力于解释混响现象。
在十九世纪以前,关于在厅堂设计(当时主要指教堂、歌剧院和舞厅)中的声学问题,附属于其它问题来考虑,在一定程度上取决于公共或私人演奏空间的声学条件。如巴洛克音乐和古典音乐并不是为教堂演奏而写的,而通常在贵族的舞池内演奏。很多悦耳的音乐原来只为在小型房间内演奏而写的,称为室内乐。从十九世纪开始,在维也纳、莱比锡、巴塞尔等城市,都建造了一些供演出的音乐厅。在二十世纪科学研究取得巨大进展,明确解决一些当代室内声学问题之前,这些十九世纪建造的音乐厅足以反映出声学上的丰硕成果。
十九世纪50年代后,赫姆霍兹(helmholtz)、贝尔(weberbell)、韦伯(weber)和费克纳(fechner)等人对声学做出重大贡献。瑞利爵士(lord rayleigh)发表了他的经典著作《声的理论》(the theory of sound)。二十世纪,美国哈佛大学w.c.赛宾(w.c. sabine)教授首先从事室内声学设计的研究工作,并提出声音吸收系数及方程式,于是厅堂声学从原来推测的领域中解放出来,成为工程科学中的一门系统分支学科。此后,建筑声学理论和实践的研究迅速发展,加上声学量测仪表的使用,建立了一些室内声学理论。
从二十年代开始,由于电子管的出现和放大器的应用,使非常微小的声学量的测量得以实现,这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法,以保证室内具有良好听闻条件;研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。
4、建筑声学理论的创立
各类厅堂的设计,包括剧场、演讲厅、音乐厅、歌剧院及电影院,已成为当前建筑实践中的一个复杂问题。厅堂除了有各种不同的功能、技术、艺术和经济要求外,但是主要的目的是要容纳一定数量的观众。现代化的标准常常要求一个厅堂能适用各种用途(多功能厅堂),同时,它的内部空间则要求易于变化,以适应临时的需要(多形式厅堂)。任何厅堂的听觉条件在很大程度上受着建筑设计的影响,其中包括厅堂的形状、大小、体积、边界面布置、座位排列、观众容量、表面处理以及装修材料等。实际上,在厅堂的每一细部,或多或少对厅堂的声学特性都有一定的关系。
一个具有良好听觉条件的厅堂应达到以下要求:
1.    厅堂的各个部位,特别是较远的座位,应有足够的响度。
2.    厅堂内的声能应均匀的分布(声扩散)。
3.    厅堂内应具有最佳的混响技巧。
4.    厅堂内各区域应排除或尽可能减少干扰听觉或演出的噪音和振动。
5.    厅堂内部不应出现回声、长延迟反射声、颤抖回声、声聚焦、声失真、声影和室内共振等缺陷。
逐渐形成了建筑神学的一些基本理论。
声反射(sound reflection)
在混凝土、砖、石块、或玻璃等刚性平面上,几乎能把所有的入射声都反射出去。声线的入射与反射都在一个平面上,声波的入射角等于声波的反射角(反射定律),这种反射现象与熟知的光反射十分相似。在中型和大型的厅堂于适当位置上装设大型的声音反射板,可改善听觉条件。
声吸收(sound absorption)
当声波入射至柔性材料、纤维材料和人体时,大部分声波会被吸收,换言之,人体和这些材料是声的吸收体。声吸收是把声能转变为其它形式的能量,即声能通过某种材料或撞击一个表面,最后化为热能。
声扩散(sound diffusion)
假如厅堂各个部位的声压相同,而且室内声波是无规则地向各个方向传播,这种声场可以说是均匀的,换句话说,可称室内达到声扩散。适当的声扩散,可以促进声音均匀分布,加强音乐和语言本身的音色,以及避免不良的音质缺陷。
声衍射
衍射是一种声学现象。当声波遇到角落、柱子、墙壁和梁等障碍物时就会绕射或散射。而声衍射就是指声波在障碍物周围发生的绕射和散射。
混响 (reverberation)
房间中从声源发出的声波能量,在传播过程中由于不断被壁面吸收而逐渐衰减。声波在各方向来会反射,而又逐渐衰减的现象称为室内混响。
一般在房间中存在两种声,自声源直接到达接受点的声音叫直达声 ( direct sound ) ;而经过壁面一次或者多次反射后到达接受点的声音,听起来好像是直达声的延续叫做混响声(reversable sound )。室内存在混响这是有界空间的一个重要声学特性,在无界空间中是不存在这一现象的。
在室内发出稳定的声音后,声压逐渐增长,在大多数房间内,经一秒钟后便达到稳态值。同样,当声源停止发声后,在声音衰减到听不到以前,要经历一段时间。声源停止发声后,声音在封闭空间反射延续的时间称为混响。在厅堂内,混响对听觉条件有明显的效果,因为它有助于人们聆听突然开始或停止的瞬态声音。在有混响控制的厅堂中,为了得到很高的语言可辨度和欣赏音质丰满的音乐,保持与加强语言和音乐瞬态音是很重要的。
混响时间(reverberation time)
由于在音质设计中,控制混响是一个很重要的因素,因而需要制订相应的测量标准,此即为混响时间(rt)。混响时间为室内声音停止后,声压级降低60分贝所需的时间。
当声源停止工作后室内混响中的规律是我们研究室内声学的一个重点。
我们用一个称为混响时间的量来描述室内声音衰减快慢的程度。它的定义为:在扩散声场中,当声源停止后从初始的声压级降低 60db所需的时间。
混响时间对人的听音效果有重要影响,它仍然是迄今为止描述室内音质的一个最为重要的参量,大量经验表明,过长的混响时间会使人感到声音“混浊”不清,使语言听音清晰度降低,甚至更本听不清;混响时间太短就有“沉寂”的感觉,声音听起来很不自然。人们对于语言和音乐,对混响时间的要求是不一样的。一般来说,音乐对混响时间的要求则长一些,使人听起来有丰满的感觉;而语言则要求短一些,有足够的清晰度。对于不同类型的声音,还可以获得一个听音效果最为满意的所谓最佳混响时间,而这种混响时间还同房间的大小有一定关系。
混响过长对语言可辨度的影响
在一个混响时间很长的房间里,当我们发出university的第一个音节u之后,此音节慢慢衰减,当人们听到第二个音节ni时,第一个音节u仍保留着原来声压级的90%,因而对第二音节起着掩蔽作用。当发出第三个音节ver时,第一音节仍保持原来声压级的80%,第二音节ni为原来声压级的90%,以此类推。因此,混响时间过长使得前一音节混淆下一音节,降低了语言的可辨度。
回音(echo)
在厅堂的各种音质缺陷中,最严重的要算是回音了。回音是表示明显地、重复听到原来的声音。当听众能把从任何表面已足够强度和延迟时间反射来的声音,与从声源来的直达声辨别开来时,便会产生回音。
颤动回音
颤动回音包括一连串的快速、连续、可察觉的回音。厅堂内相对的反射面不要平行,是避免严重颤动回音的一种方法。
长延迟反射声
长延迟反射声是与回声相类似的一种音质上的缺陷,只是直达声和反射声之间的延迟时间比回音稍短一些。
声聚焦
声聚焦是声波从凹面反射产生的聚焦现象。在焦点的声强很高,而其它区域就相应低的多,因为声能主要集中在焦点,其它地方的听觉条件便较差,由于这种缘故,使得厅堂内声能分布不平均。因此,建筑物内应避免采用大型、连续的凹状表面,如果要采用,则应装置吸收很大的吸音材料。
声失真
声失真指厅堂内由于边界表面在不同频率情况下,产生不均匀或过多的吸收,因而改变了音质。如果厅堂内装设的吸声构造,在音频范围内有均衡吸音特性,则可避免声失真。
足够的响度
厅堂的各个部位应有足够的响度。在中型或大型的厅堂中,由于声波传递引起声能的损失,听众、软座椅、地毯等的吸音较大,因而影响厅堂的响度。减少声能损失和提供足够的响度的方式,如从厅堂的体型设计着手,使听众尽可能靠近声源,以减少传播距离;使声源位置较高,让观众都能听到直达声(即声波不经过反射直接传到听众);或使观众厅的地面有适当的坡度,因为声波以掠入射方式掠过听众时很容易被吸收。除此之外还可设置声反射板。正确地设声反射板,除了能增强声能外,而且还能创造空间效果的环境气氛。在小型和中型的厅堂中,适当的改善厅堂设计能适当的提高声响度,但倘若要充分利用自然声能的措施,而不用语言的扩音系统似乎是不可能的。要想达到适当的响度,首先必须从演员本身着手;演员必须说话声音响亮,把每一个字的音发清楚。在厅堂内,声源本身发声的响度仍居相当关键的地位。
5、研究方法和工具的进展
5.1  室内声学的研究方法
室内声学的研究方法有几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法。当室内几何尺寸比声波波长大得多时,可用几何声学方法研究早期反射声分布以加强直达声,提高声场的均匀性,避免音质缺陷;统计声学方法是从能量的角度,研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程 (即混响过程),并给混响时间以确切的定义,使主观评价标准和声学客观量结合起来,为室内声学设计提供科学依据;当室内几何尺寸与声波波长可比时,易出现共振现象,可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件,以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。
计算机声学工具能助我们一臂之力,动态且易于掌控,这些工具能与设计的前进步伐保持一致,并帮助我们最终把内部设计的方案定下来。建筑声学中matlab的应用也得到实现。隔音
声学计算机模型紧跟着计算机科学杰出的发展。我们发展了有限元法计算法则,而有限元法能带来厅堂在空间和时间上非常详细的声学性能信息。有限元法根据计算机模型使得在其他事情中建模和显示接收方向性成为可能。这些法则模型化了表面的声音反射,部分漫反射/部分镜面反射。
5.2  缩尺模型技术
缩尺模型技术发展至今已有68年的历史 ,该技术广泛地应用于厅堂音质设计和预测方面 ,具有不可替代的作用[6-7]。
5.3  raynoise软件 吸音
随着计算机的发展,声学仿真软件得到应用raynoise软件是国际上在声学振动软件开发比较著名的比利时lms
有点长,可参考更多这里的: http://www.gzdin.com/kongjianxishengti.html

11

主题

40

帖子

315

积分

初级会员

Rank: 4

积分
315
发表于 2011-9-7 15:56 | 显示全部楼层
{:6_135:} 来过,楼主的分享的资料知识真多。

3

主题

98

帖子

4700

积分

金牌会员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
4700

专家勋章版主勋章

发表于 2011-9-7 16:24 | 显示全部楼层
值得借鉴,谢谢楼主咯

11

主题

40

帖子

315

积分

初级会员

Rank: 4

积分
315
发表于 2011-9-8 14:41 | 显示全部楼层
{:6_162:}标题新鲜,内容流畅。鼓掌

0

主题

153

帖子

5万

积分

钻石会员

Rank: 13Rank: 13Rank: 13Rank: 13

积分
57619

专家勋章版主勋章

发表于 2011-9-9 19:39 | 显示全部楼层
学声学的都应该学习一下,感谢分享

17

主题

37

帖子

377

积分

初级会员

Rank: 4

积分
377
发表于 2011-9-13 16:31 | 显示全部楼层
哇,暴长...  但是看完了,很有用,谢谢。

17

主题

37

帖子

377

积分

初级会员

Rank: 4

积分
377
发表于 2011-9-14 16:43 | 显示全部楼层
{:6_161:}{:6_161:}{:6_161:}

11

主题

40

帖子

315

积分

初级会员

Rank: 4

积分
315
发表于 2011-9-20 15:48 | 显示全部楼层
{:6_162:}楼主的软文值得鉴赏

11

主题

40

帖子

315

积分

初级会员

Rank: 4

积分
315
发表于 2011-9-22 14:59 | 显示全部楼层
{:6_165:}想法打不过鼠标,手忍不住的按着鼠标偷偷的进入了楼猪的帖子境界。

5

主题

17

帖子

197

积分

新手上路

Rank: 3Rank: 3

积分
197
 楼主| 发表于 2011-10-17 13:09 | 显示全部楼层
{:6_161:}{:6_161:}{:6_161:}
您需要登录后才可以回帖 登录 | 请注册

本版积分规则

稀客音响展位欢迎新老客户光临!
扫一扫加入音响设计网独立的公众号

QQ|手机版|Archiver|XYCAD中国音响设计网 ( 京ICP备14030947号 )点击这里与XYCAD官方实时沟通

GMT+8, 2019-7-19 05:31 , Processed in 0.207531 second(s), 28 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.4 Licensed

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表