噪聲治理課程  第二講 室內聲學及混響時間
 
1、聲音的傳播
 
1.1 聲音在室外的傳播
   在室外，聲音將不斷傳播開去。隨著傳播距離的增加，由于能量分散開來，聲壓級不斷下降，理論上，對于點聲源，離聲源距離增加每兩倍，噪聲下降6dB。若某機器設備1米處的噪聲為100dB，那么距離它100米遠（相當于距離增加約7個兩倍），那么噪聲將下降40dB,降低到60dB，距離它1公里遠（相當于距離增加約10個兩倍），噪聲將下降60dB，變?yōu)榧s40dB。另一方面，大氣對聲音也有吸收作用，尤其對超過2000Hz的高頻聲音，吸收效應更加明顯，使噪聲隨與聲源距離的增加衰減量變得更大。實驗表明，常溫常濕常壓下，100m距離對125Hz、500Hz、2000Hz的聲音衰減量分別為0.05dB、0.27dB、2.8dB。雷電產生時的聲音是含有大量高頻成分的霹靂聲，由于距離很遠，大多高頻成分被大氣吸收了，因此傳到我們耳朵里往往是隆隆的低頻聲。
不同區(qū)域大氣溫度的變化會使聲音的傳播方向發(fā)生彎折，當上層空氣是高溫，下層地面附近空氣是低溫時，沿地面?zhèn)鞑サ穆曇魰澫虻孛?，之后被被地面反射，繼續(xù)前進，還將彎向地面，可能耗散在上空的聲音返回地面，并“匍匐前進”，這樣，聲音會傳得很遠。冬季結冰的湖面就是這種情況，在冰上上講話，對面幾百米外都能聽到。夏季的午后，地面被曬熱，情況正好相反，上層空氣是低溫，下層空氣是高溫，聲音向上彎折，很快耗散在大氣中，因此50-60米時就很難聽到人的講話了。有風的時候，如果風的氣流速度上下完全一致，那么對聲音將沒有影響，但一般情況，上面的風速比地面的風速快，順風時，聲音向地面彎折，逆風時，聲音向天空彎折，順風因傳播聲音比逆風更有利。認為順風把聲音了聲吹走、逆風阻住了聲音是不正確的，風速最快僅每秒一、二十米，而聲速為每秒340米，風如何跑得贏聲音呢？
在室外，聲音有繞過障礙物的本領，被稱為聲音的繞射或衍射，這是聲音波動現象的體現，躲在圍墻后面的人依然可以聽到外面的呼喊。使用隔聲屏障可以使聲音最多衰減15dB，但因衍射不能完全隔離聲音。道路兩邊的聲屏障，或工業(yè)廠房機器的隔聲板可以起到降低噪聲的作用，效果在15dB以內，一般在5-10dB。由于低頻聲音波長長，容易繞過聲屏障，隔聲效果不如高頻聲。
草地、灌木林等對聲音的傳播也有衰減作用，但對高頻的作用較明顯，對低頻的作用有限，100米的草地、灌木林對1000Hz的聲音有23dB的衰減，而對100Hz的聲音僅有5dB 的衰減。100米以上的長綠闊葉草地或灌木林在實際降噪中才有效果。
 
1.2 聲音在室內的傳播
聲音在房間室內傳播時，不但遵循室外大氣中傳播的規(guī)律，還會被房間天花、地面、墻面反射回來，聲源不斷發(fā)聲時，入射聲波與反射聲波相疊加，形成復雜的室內聲場。大的平表面會象鏡面一樣反射聲音，而且入射角等于反射角。內凹型的表面會聚攏聲音，形成聲聚焦。外禿的表面能夠使將聲音發(fā)散，形成擴散。當房間表面起伏不平，而且起伏尺寸接近或小于聲音波長時，聲音入射后將不會形成定向反射，而是向各個方向無規(guī)則地反射，形成擴散。就象光，表面平整的鏡子能夠反射出人像，這是鏡面反射的結果，如果使用磨石將鏡子磨毛，將成為烏玻璃，就是因為玻璃表面出現坑凹不平，尺寸與光的波長接近，形成光散射，各個角度都能看到入射的光，玻璃變得“發(fā)烏”了。
聲音入射到房間表面一部分能量進入材料內部，一部分能量穿透材料到對面空間，這種能量損失的過程是吸聲。完全沒有吸聲的房間被稱為理想混響室，如果在里面拍一下掌，聲音將不斷反射，在無限時間內回響?，F實情況下不存在這種房間，墻壁堅硬且光滑的房間混響時間很長，接近混響室，房間中聲音會加強，接近混響室的房間中噪聲比在一般房間內可能高15dB。聲音完全沒有反射的房間被稱為理想消聲室，房間中只有聲源的直達聲，這樣的聲場叫做“自由場”。在自由場中，距點聲源距離增大一倍，聲壓級嚴格下降6dB。現實情況下也不存在理想消聲室，對房間進行強吸聲處理可以近似看作消聲室，因房間中只有直達聲，聲壓級比普通房間可以降低10dB。
 
二、室內混響
 
2.1  直達聲與混響聲
聲源發(fā)出的直接到達的聲音是直達聲，直達聲總是最先到達人耳，這是因為直達聲比反射聲的聲程短。除了直達聲以外，反射的聲音形成了混響聲，使室內聲壓級增加。直達聲只與聲源強度有關，聲源功率越大，直達聲聲壓級越大，如果需要降低直達聲，唯一的方法是使聲源安靜下來。房間地面上立有阻擋直達聲的屏障時，反射聲會從天花反射過來，使屏障的隔聲能力下降，如果天花吸聲，減弱了反射聲能量，屏障的降噪效果能夠提高。在房間天花和墻壁上安裝吸聲材料可以吸收反射產生的混響聲，吸聲量每增加一倍，混響聲可以降低3dB。一般來講，混響聲對房間噪聲的貢獻為15dB，因此，采用吸聲最多可以獲得15dB減噪效果。
 
2.2  混響時間
   描述房間混響效果的指標是混響時間，它是室內聲源停止發(fā)聲后，聲壓級衰減60dB所經歷的時間，單位是秒。室內吸聲與頻率有關，因此，不同頻率的混響時間不同。在減噪設計中需要正確地應用吸聲材料，降低混響時間，降低噪聲。
混響時間與室內吸聲存在數學關系，其中T是混響時間，V是房間體積，S是房間墻面的總表面積，是房間表面的平均吸聲系數（即房間各種吸聲材料吸聲系數與面積乘積的和再除以總表面積）。由塞賓公式可以看出，房間體積越大混響時間越長；平均吸聲系數越大，混響時間越短。體積巨大的空間，如果不進行吸聲處理的話，混響時間會很長，使房間噪聲增加。
混響時間計算公式是建立在理想擴散聲場條件下的，與實際情況會有±10~15%的誤差，因此，在降噪工程中不能完全依賴計算求得混響時間，必須使用測量的方法準確地獲得房間的混響時間，并進行降噪設計和計算。估算混響時間的不準確性可能會導致3~5dB的降噪誤差。
 
2.3 混響半徑
   房間噪聲是直達聲和混響聲的混合聲。直達聲與距離有關，距離聲源越遠，聲音擴散的面積越大，直達聲越小，直達聲的方向源于聲源?；祉懧暿欠瓷湫纬傻?，彌散于房間各處，方向沒有規(guī)則，可以認為房間中所有位置的混響聲具有相同的聲壓級。因此，在房間中聲源某距離的位置上的直達聲與混響聲會具有相同的聲壓級，這個距離被稱為混響半徑?；祉懓霃绞欠块g的屬性，與房間吸聲情況有關，與聲源無關。以聲源為中心，小于混響半徑范圍內的聲音主要是直達聲，如果進行降噪處理，主要要降低直達聲。在混響半徑以外的區(qū)域，主要是混響聲，房間表面加裝吸聲材料后可以大大降低混響聲，降噪效果比較明顯。
有估計混響半徑的公式，對于放在地面上的機器噪聲源；其中為混響半徑，S為房間的總表面積，為房間各表面平均吸聲系數。但是，由于聲源不是理想的點聲源、房間內的混響聲也不是絕對的均勻，因此這個公式的精度不高，只能作為粗略的估算。準確地獲得混響半徑需要使用脈沖響應法（或MLS法）對房間進行測量?；祉懓霃娇梢耘袛辔曁幚淼挠行^(qū)域范圍，如果混響半徑已經超過房間的尺寸，表明再加入吸聲處理已經沒有降噪效果了。
 
2.4 房間體積、距離、吸聲對室內噪聲的影響
   對同樣的聲源，房間的體積越大、距離聲源距離越遠、吸聲處理越靠近聲源，噪聲就越小。房間體積增大，勢必導致聲能在房間中的密度變小，聲壓級降低。但是通過改變房間體積的方法降低噪聲通常是不可行的，因為噪聲降低并不與體積成正比關系，房間體積增大，混響時間增大，噪聲降低有限，而且改造的成本也顯著增加。越遠離聲源，直達聲越小，而且混響聲所經歷的距離也會增加，混響聲降低，噪聲降低。吸聲材料距離聲源越近，吸聲效率越高，反射聲被吸收的機會也增加，對降噪是有利的。
 
3、室內降噪方法
3.1 聲源治理
進行噪聲治理時，首先應考慮聲源的處理，降低聲源發(fā)出的噪聲可以從根源上降噪，聲源減少多少分貝，室內噪聲就會降低多少分貝。可以選用低噪聲的機器設備，或盡可能使機器設備運行處于低噪聲狀態(tài)。例如電機或水泵，選用低噪聲產品可以減噪10~20dB甚至更多，兩個半負荷運轉的電機比相同功率的一個電機的噪聲要小很多。另外，改進不良的聲源的安裝方法也會在很大程度上降低噪聲。例如將機器設備安裝在合適的減振機座上，扭緊可能松動的螺栓防止?jié)撛诘恼駝?，或是將振動發(fā)聲的部位固定在剛性的墻體上，定期的維修保養(yǎng)等等。然而，在大多情況下因為受到諸多因素的限制，如成本過高，機器不能停機，空間限制等，聲源治理可能難于實施。
 
3.2 吸聲降噪
   在天花、墻壁上安裝吸聲材料，或房間中懸掛吸聲體，可以吸收混響聲，降低噪聲。然而，吸聲降噪不能“包治百病”，有那些適用條件呢？1）如果室內頂棚和四壁是堅硬的反射面，又沒有吸聲較多的物體，混響聲比較突出，則吸聲降噪效果比較明顯。例如，當室內裝修材料大多為大理石、水磨石、玻璃、石膏板、水泥墻時，混響聲很強，增加吸聲處理可以收到明顯的降噪效果。反之，如果室內已經有大量的吸聲材料了，混響聲不明顯，則吸聲降噪效果不大。2）當室內均布有多個聲源時，直達聲處處起主要作用，此時吸聲降噪效果差?；蛑挥幸粋€聲源，但接收點與其距離過近，小于混響半徑，直達聲很強，吸聲降噪效果也差。3）當距離噪聲源很近的位置設置屏障時，在屏障面向聲源的一側進行吸聲處理，降低屏障的反射聲，起到了輔助降噪的作用。4）吸聲材料的吸聲頻率特性應與聲源的頻率特性相一致，對于低頻噪聲源應加強低頻吸聲，高頻噪聲源應加強高頻吸聲。吸聲處理前先應測量噪聲的頻譜，根據頻譜選用吸聲材料，如果吸聲的頻率特性正好與噪聲相反，將“事倍功半”而徒勞。
3.3. 隔聲降噪
   在聲源周圍圍擋屏障能夠阻隔直達聲，降低室內噪聲。如果屏障能夠將聲源完全封閉，成為墻體，那么降噪效果取決于墻體的隔聲性能，隔聲量越高，噪聲降低越大。如果屏障不能圍閉聲源，成為隔板，由于衍射和房間天花、側墻的反射，降噪效果不完全取決于板的隔聲性能。天花、側墻上為堅硬的反射表面時，隔聲降噪效果往往只有5~8dB，如果隔板面隊聲源的一側和天花、側墻上裝有強吸聲材料時，隔聲降噪效果可達有15~20dB，而且，隔板距離聲源越近，降噪效果越好。另外，由于低頻聲的衍射能力強，隔板對低頻聲的隔聲效果有限。