噪声治理课程  第二讲 室内声学及混响时间
 
1、声音的传播
 
1.1 声音在室外的传播
   在室外，声音将不断传播开去。随着传播距离的增加，由于能量分散开来，声压级不断下降，理论上，对于点声源，离声源距离增加每两倍，噪声下降6dB。若某机器设备1米处的噪声为100dB，那么距离它100米远（相当于距离增加约7个两倍），那么噪声将下降40dB,降低到60dB，距离它1公里远（相当于距离增加约10个两倍），噪声将下降60dB，变为约40dB。另一方面，大气对声音也有吸收作用，尤其对超过2000Hz的高频声音，吸收效应更加明显，使噪声随与声源距离的增加衰减量变得更大。实验表明，常温常湿常压下，100m距离对125Hz、500Hz、2000Hz的声音衰减量分别为0.05dB、0.27dB、2.8dB。雷电产生时的声音是含有大量高频成分的霹雳声，由于距离很远，大多高频成分被大气吸收了，因此传到我们耳朵里往往是隆隆的低频声。
不同区域大气温度的变化会使声音的传播方向发生弯折，当上层空气是高温，下层地面附近空气是低温时，沿地面传播的声音会弯向地面，之后被被地面反射，继续前进，还将弯向地面，可能耗散在上空的声音返回地面，并“匍匐前进”，这样，声音会传得很远。冬季结冰的湖面就是这种情况，在冰上上讲话，对面几百米外都能听到。夏季的午后，地面被晒热，情况正好相反，上层空气是低温，下层空气是高温，声音向上弯折，很快耗散在大气中，因此50-60米时就很难听到人的讲话了。有风的时候，如果风的气流速度上下完全一致，那么对声音将没有影响，但一般情况，上面的风速比地面的风速快，顺风时，声音向地面弯折，逆风时，声音向天空弯折，顺风因传播声音比逆风更有利。认为顺风把声音了声吹走、逆风阻住了声音是不正确的，风速最快仅每秒一、二十米，而声速为每秒340米，风如何跑得赢声音呢？
在室外，声音有绕过障碍物的本领，被称为声音的绕射或衍射，这是声音波动现象的体现，躲在围墙后面的人依然可以听到外面的呼喊。使用隔声屏障可以使声音最多衰减15dB，但因衍射不能完全隔离声音。道路两边的声屏障，或工业厂房机器的隔声板可以起到降低噪声的作用，效果在15dB以内，一般在5-10dB。由于低频声音波长长，容易绕过声屏障，隔声效果不如高频声。
草地、灌木林等对声音的传播也有衰减作用，但对高频的作用较明显，对低频的作用有限，100米的草地、灌木林对1000Hz的声音有23dB的衰减，而对100Hz的声音仅有5dB 的衰减。100米以上的长绿阔叶草地或灌木林在实际降噪中才有效果。
 
1.2 声音在室内的传播
声音在房间室内传播时，不但遵循室外大气中传播的规律，还会被房间天花、地面、墙面反射回来，声源不断发声时，入射声波与反射声波相叠加，形成复杂的室内声场。大的平表面会象镜面一样反射声音，而且入射角等于反射角。内凹型的表面会聚拢声音，形成声聚焦。外秃的表面能够使将声音发散，形成扩散。当房间表面起伏不平，而且起伏尺寸接近或小于声音波长时，声音入射后将不会形成定向反射，而是向各个方向无规则地反射，形成扩散。就象光，表面平整的镜子能够反射出人像，这是镜面反射的结果，如果使用磨石将镜子磨毛，将成为乌玻璃，就是因为玻璃表面出现坑凹不平，尺寸与光的波长接近，形成光散射，各个角度都能看到入射的光，玻璃变得“发乌”了。
声音入射到房间表面一部分能量进入材料内部，一部分能量穿透材料到对面空间，这种能量损失的过程是吸声。完全没有吸声的房间被称为理想混响室，如果在里面拍一下掌，声音将不断反射，在无限时间内回响。现实情况下不存在这种房间，墙壁坚硬且光滑的房间混响时间很长，接近混响室，房间中声音会加强，接近混响室的房间中噪声比在一般房间内可能高15dB。声音完全没有反射的房间被称为理想消声室，房间中只有声源的直达声，这样的声场叫做“自由场”。在自由场中，距点声源距离增大一倍，声压级严格下降6dB。现实情况下也不存在理想消声室，对房间进行强吸声处理可以近似看作消声室，因房间中只有直达声，声压级比普通房间可以降低10dB。
 
二、室内混响
 
2.1  直达声与混响声
声源发出的直接到达的声音是直达声，直达声总是最先到达人耳，这是因为直达声比反射声的声程短。除了直达声以外，反射的声音形成了混响声，使室内声压级增加。直达声只与声源强度有关，声源功率越大，直达声声压级越大，如果需要降低直达声，唯一的方法是使声源安静下来。房间地面上立有阻挡直达声的屏障时，反射声会从天花反射过来，使屏障的隔声能力下降，如果天花吸声，减弱了反射声能量，屏障的降噪效果能够提高。在房间天花和墙壁上安装吸声材料可以吸收反射产生的混响声，吸声量每增加一倍，混响声可以降低3dB。一般来讲，混响声对房间噪声的贡献为15dB，因此，采用吸声最多可以获得15dB减噪效果。
 
2.2  混响时间
   描述房间混响效果的指标是混响时间，它是室内声源停止发声后，声压级衰减60dB所经历的时间，单位是秒。室内吸声与频率有关，因此，不同频率的混响时间不同。在减噪设计中需要正确地应用吸声材料，降低混响时间，降低噪声。
混响时间与室内吸声存在数学关系，其中T是混响时间，V是房间体积，S是房间墙面的总表面积，是房间表面的平均吸声系数（即房间各种吸声材料吸声系数与面积乘积的和再除以总表面积）。由塞宾公式可以看出，房间体积越大混响时间越长；平均吸声系数越大，混响时间越短。体积巨大的空间，如果不进行吸声处理的话，混响时间会很长，使房间噪声增加。
混响时间计算公式是建立在理想扩散声场条件下的，与实际情况会有±10~15%的误差，因此，在降噪工程中不能完全依赖计算求得混响时间，必须使用测量的方法准确地获得房间的混响时间，并进行降噪设计和计算。估算混响时间的不准确性可能会导致3~5dB的降噪误差。
 
2.3 混响半径
   房间噪声是直达声和混响声的混合声。直达声与距离有关，距离声源越远，声音扩散的面积越大，直达声越小，直达声的方向源于声源。混响声是反射形成的，弥散于房间各处，方向没有规则，可以认为房间中所有位置的混响声具有相同的声压级。因此，在房间中声源某距离的位置上的直达声与混响声会具有相同的声压级，这个距离被称为混响半径。混响半径是房间的属性，与房间吸声情况有关，与声源无关。以声源为中心，小于混响半径范围内的声音主要是直达声，如果进行降噪处理，主要要降低直达声。在混响半径以外的区域，主要是混响声，房间表面加装吸声材料后可以大大降低混响声，降噪效果比较明显。
有估计混响半径的公式，对于放在地面上的机器噪声源；其中为混响半径，S为房间的总表面积，为房间各表面平均吸声系数。但是，由于声源不是理想的点声源、房间内的混响声也不是绝对的均匀，因此这个公式的精度不高，只能作为粗略的估算。准确地获得混响半径需要使用脉冲响应法（或MLS法）对房间进行测量。混响半径可以判断吸声处理的有效区域范围，如果混响半径已经超过房间的尺寸，表明再加入吸声处理已经没有降噪效果了。
 
2.4 房间体积、距离、吸声对室内噪声的影响
   对同样的声源，房间的体积越大、距离声源距离越远、吸声处理越靠近声源，噪声就越小。房间体积增大，势必导致声能在房间中的密度变小，声压级降低。但是通过改变房间体积的方法降低噪声通常是不可行的，因为噪声降低并不与体积成正比关系，房间体积增大，混响时间增大，噪声降低有限，而且改造的成本也显著增加。越远离声源，直达声越小，而且混响声所经历的距离也会增加，混响声降低，噪声降低。吸声材料距离声源越近，吸声效率越高，反射声被吸收的机会也增加，对降噪是有利的。
 
3、室内降噪方法
3.1 声源治理
进行噪声治理时，首先应考虑声源的处理，降低声源发出的噪声可以从根源上降噪，声源减少多少分贝，室内噪声就会降低多少分贝。可以选用低噪声的机器设备，或尽可能使机器设备运行处于低噪声状态。例如电机或水泵，选用低噪声产品可以减噪10~20dB甚至更多，两个半负荷运转的电机比相同功率的一个电机的噪声要小很多。另外，改进不良的声源的安装方法也会在很大程度上降低噪声。例如将机器设备安装在合适的减振机座上，扭紧可能松动的螺栓防止潜在的振动，或是将振动发声的部位固定在刚性的墙体上，定期的维修保养等等。然而，在大多情况下因为受到诸多因素的限制，如成本过高，机器不能停机，空间限制等，声源治理可能难于实施。
 
3.2 吸声降噪
   在天花、墙壁上安装吸声材料，或房间中悬挂吸声体，可以吸收混响声，降低噪声。然而，吸声降噪不能“包治百病”，有那些适用条件呢？1）如果室内顶棚和四壁是坚硬的反射面，又没有吸声较多的物体，混响声比较突出，则吸声降噪效果比较明显。例如，当室内装修材料大多为大理石、水磨石、玻璃、石膏板、水泥墙时，混响声很强，增加吸声处理可以收到明显的降噪效果。反之，如果室内已经有大量的吸声材料了，混响声不明显，则吸声降噪效果不大。2）当室内均布有多个声源时，直达声处处起主要作用，此时吸声降噪效果差。或只有一个声源，但接收点与其距离过近，小于混响半径，直达声很强，吸声降噪效果也差。3）当距离噪声源很近的位置设置屏障时，在屏障面向声源的一侧进行吸声处理，降低屏障的反射声，起到了辅助降噪的作用。4）吸声材料的吸声频率特性应与声源的频率特性相一致，对于低频噪声源应加强低频吸声，高频噪声源应加强高频吸声。吸声处理前先应测量噪声的频谱，根据频谱选用吸声材料，如果吸声的频率特性正好与噪声相反，将“事倍功半”而徒劳。
3.3. 隔声降噪
   在声源周围围挡屏障能够阻隔直达声，降低室内噪声。如果屏障能够将声源完全封闭，成为墙体，那么降噪效果取决于墙体的隔声性能，隔声量越高，噪声降低越大。如果屏障不能围闭声源，成为隔板，由于衍射和房间天花、侧墙的反射，降噪效果不完全取决于板的隔声性能。天花、侧墙上为坚硬的反射表面时，隔声降噪效果往往只有5~8dB，如果隔板面队声源的一侧和天花、侧墙上装有强吸声材料时，隔声降噪效果可达有15~20dB，而且，隔板距离声源越近，降噪效果越好。另外，由于低频声的衍射能力强，隔板对低频声的隔声效果有限。