聲傳播方向的改變

聲波通過四種現象改變傳播方向：反射、折射、衍射、漫射。當聲波傳播過程中介質發生改變，這些現象就產生了。它與光學遵循同樣的物理原理。光和聲所不同的是頻率範圍。可見光的頻率範圍是16一28億Hz。可聽聲的頻率範圍是20一20000Hz。

• 反射

當聲波進人密度有明顯改變的介質時，一些能量被反射。圖1.4中說明聲能反射遵循光學原則，簡而言之就像鏡子對光的反射，人射角等於反射角。聲波也是入射角等於反射角。典型的反射面是光滑而堅硬的表面。

圖1.4聲波的反射

室內聲學中一些通常由聲音反射引起的聲學問題是回聲和房間共振。聽覺器官在聽覺過程中的局限性導致回聲。當兩個聲音到達時間相差不到60ms，我們聽到由這兩個聲音合成的一個聲音。當時間差超過60ms，我們聽到兩個截然不同的聲音。當這兩個聲音來自同一聲源，特別是到達時間差超過100ms時，其作用(我們稱之為回聲)將導致語言理解的困難。這類延遲是由於人首先聽到來自聲源的直達聲，隨後聽到來自反射表面的反射聲。聲音在空氣中的傳播速度大約為304m/s(1000ft/s) , 100ms(或0. 1s)延遲用距離來表示大約30 . 4m (100ft )。一因此，當來自於聲源的直達聲與來自反射表面的反射聲的路徑超過30 . 4m (100ft)時，將產生回聲①。

高的平行牆面彼此距離較近時，將產生迅速而連續的中頻回聲，稱之為顫動回聲，這種回聲聽起來像鳥或蝙蝠在飛。

回聲通常是由於聽到清晰的且可分辨的不連續的反射聲引起的，但房間內所有表面產生的眾多反射聲組合在一起的現象稱之為混響。混響可以提高室內聲級，也會降低語言清晰度，但對於某種類型的音樂，混響是需要的。關於混響及其控制的更多討論將在第二章(理論)和第四章(設計)中進行。

圖1.5駐波的形成

兩個反射牆彼此平行的房間內，將在某些特殊頻率產生房間共振。在這種情況下，兩牆之間距離是特定半波長的整數倍。因為它們的表面反射聲音，在房間兩牆之間的鏡面反射形成固定的壓力模式。這種現象稱為一維(或軸向)駐波，這種形式是最簡單的房間共振。此外也可以在兩維空間或三維空間形成更複雜的駐波，我們分別稱為切向和斜向駐波。在圖1.5中表示房間平行反射表面之間的軸向駐波模式。

駐波在設計中產生的問題是它們在室內產生不均勻的聲音分佈。即在一些地方聲壓級高（因為駐波使這些地方的壓強增加）而另一些地方聲壓級低（因為駐波使這些地方的聲壓級減弱）。

• 折射

正像光通過凌鏡會彎曲，介質條件發生某些改變時，雖不足以引起反射，但聲速發生了變化，聲波傳播方向會改變。除了聲速因材料或介質不同而改變，在同樣截止中溫度改變也會引起聲速改變。這種由聲速引起的聲傳播法相改變稱之為折射。

室外溫度改變會產生聲音折射。因為聲音在溫暖的空氣中傳播速度較快，聲波向溫度低的一面彎曲。可以通過兩個極端的例子說明。在一個典型的夏天的下午，大氣溫度隨着還把的增加而降低。這種情況下，靠近地面的聲源產生的聲波向上彎曲並遠離地面上的聽者（參見圖1.6）。大氣溫度的作用在與聲源的距離超過60m（200ft）以後才變得明顯。因此，在距離大於60m（200ft）時，聲源可以看見卻聽不見。在夜裡或清晨，大氣溫度梯度是相反的。這一時間段里，接近地面的氣溫比高空中的冷。這種情況下，聲波向地面彎曲（參見圖1.7）。如果地面為反射表面，聲波沿傳播方向跳躍式傳播，比你想象傳的遠。這種情況下，在平靜的湖邊，對着水面說話，湖對面的人能聽的很清楚。

聲波也會隨風產生類似的彎曲，順風傳播時，可以傳得比期望的遠，逆風傳播時，會產生陰影區（如圖1.6中顯示的那樣）。

• 衍射

聲衍射遠離限制了開敞式辦公室隔斷或室外噪聲隔聲屏障的聲音衰減效果。聲波沿牆體的周邊彎曲並越過這些牆體。聲衍射影響到降噪效果，而與隔斷採用的材料無關。圖1.8顯示了這種遠離的作用，在聲源與聽者之間實現被阻隔，像光一樣形成聲影區。

• 漫射

凸表面或不平坦表面反射聲波時，反射聲的傳播要比被限制在固定方向上均勻。這種想象稱為聲 （參見圖1.9）。與漫射光一樣，粗糙球形表面比光滑的球形表面更容易產生漫反射。儘管人們不希望出現因不連續反射而引起的回聲，但房間中的這些聲能也許並不希望被消除掉。例如，在觀眾廳或音樂廳中漫反射是有用的，它可以使聲音遍布整個觀眾廳，確保所有聽眾聽到相同音質。至少從聲學觀點看，漫射可以使光中聽中聽音不良的作為減到最小。

• 分貝

聲學方面最難理解的術語就是分貝（符號為dB）。要理解分貝概念，必須了解三個基本點：

1、分貝被定義為以10為底的對數比例關係。10的對數是1（因為10是10的1次方），100的對數是2，1000的對數是3。同樣，1的對數是0。對數的數學法則與我們熟悉的其他系統不一樣。雙倍能量的疊加，經對數轉換增加3dB。例如，其他條件不變的情況下，兩個60dB的聲源疊加是63dB，而不是120dB。以此類推，四個60dB聲源疊加是66dB。

2、分貝定義的比例關係是一個數值單位，如聲功率、聲壓和聲強。這個單位必須規定斐貝的意義，使用指定的“級”做限定詞是複合改宗旨的一種方法（例如，聲壓級是用壓強做參考單位）。另一種指定分貝值的方法是提出固定的參數值（例如，dB參數值“2×10-5N/㎡”是聲壓級的基準聲壓，參數值是每平方米2×10-5N），許多說明書中引用“dB”但沒有說明參考值，這類符號沒有任何意義。下面我們列舉一些公認的分貝名稱：

聲壓級——SPL，LP，dB基準聲壓為2×10-5N/㎡或0.0002μbar

聲功率級——LW，dB基準聲功率1×10-12W

聲強級——LI，dB基準聲強為1×10-12W/㎡

3、必須說明分貝級的測量位置。聲壓隨着與聲源之間距離的變化而變化，同聲壓級一樣，任何與聲壓級有關的分貝符號也都必須指明距離聲源的位置。使問題稍微複雜的是，功率是表達聲源特性的值，與聲源位置無關。因此，聲功率級與位置無關。然而，多數分貝符號是指聲壓級。聲強級儘管與位置有關，一般不特殊說明。

分貝是以美國發明家亞歷山大•格雷厄姆•貝爾命名的，他因發明電話聞名。因為貝爾的單位太粗略而不能充分來描述我們對聲音的感覺，因此前面加了“分”字，代表十分之一。1貝爾是10分貝。聲學領域中，分貝的定義是聲源功率與基準聲功率比值的對數乘以10的數值。聲功率與聲壓的平方成正比；在建築聲學中最常測量和參考的量是聲壓級，聲壓級是聲源在某一點的聲壓的平方與基準聲壓的平方比值取對數再乘以10的值。基準聲壓大致是1000Hz處的聽聞閾值。也就是說，一個有正常聽力的年輕人剛好能夠聽到高於這個閾值的1000Hz的聲音，小雨它就聽不見。聽覺敏感性通常隨年齡和暴露在高噪聲級中的時間而減小，這種情況下個人的聽聞閾將比基準聲壓有所升高。

當聲源在某一位置的聲壓與聽聞閾相等時，在分貝公式中聲壓的壁紙變成1,1的對數是0.因此，聽聞閾被定為0dB。任何負聲壓級只是與聲壓相關的值，但對於我們的耳朵來說毫無意義，因此我們聽不到它。

本章前面提到點聲源和線聲源。一般來說，在聲波傳播途徑上如果沒有障礙物，距點聲源的距離每增加一倍聲壓級衰減6dB。距線聲源的距離每增加一倍聲壓級衰減3dB。無論聲波遇到什麼材料和介質條件，這種情況都會發生，聲音這一衰減率原因是在傳播過程中聲能（不會改變）被擴展到面積不斷隨距離增長的球面（點聲源）或柱面（線聲源）上（參見圖1.10和1.11）。當聲波在室外傳播，距離聲源超過60-100m（相當於200-300ft）時，其他因素和距離一起將影響聲波的衰減。這包括大氣吸收、折射、風向和地形的影響。這些因素在距聲源304m（1000ft）以上時對聲壓級的影響為±20dB。

• 計權

在聽覺範圍內，我們對所有的頻率的敏感性是不一樣的。我們最敏感的範圍在500-4000Hz之前。由於在2000-4000Hz之間的聲波與耳道的尺寸和形狀想匹配而產生諧振，聲音被增強。圖1.12顯示在低於500Hz和高於4000時我們的頻率敏感性是下降的。在正常的語言聲級下，一個聽起來一樣響的100Hz純音高20dB。計權聲級是由美國國家標準協會（ANSI）建立的，採用單一分貝值描述涵蓋全部聽覺頻率範圍內的（和人耳聽到的一樣）聲音。這些數值集成到聲級計中電子網絡中。最常用的計權網絡是A計權聲級，這一經過頻率調整后的聲級與人耳對低於70dB的聲壓級的頻率響應相適應。雖然在高聲壓級下人耳的敏感性是變化的，職業安全和健康管理部門仍用A計權聲級來對暴露於高的噪聲級加以限制。A計權分貝通常幾座dBA。

儘管也有B計權聲級，但很少使用。B計權值與人耳聽到的70到90分貝之間的聲音響應一致。C計權聲級在高頻和低頻範圍有最小的降低，這與人耳對高於90dB聲壓級的響應一致。圖1.13顯示A，B，C，計權聲級的特性，從圖中可以看到，隨着聲壓級增加人耳對不同頻率的敏感性的差異也不明顯了。

因為A計權聲級最常用的，有必要列出一些聲音的A聲級。表1.2提供了通常的從人類的聽聞閾到痛閾的A聲級的分類。

我們已經討論了健康人群平均聽聞閾的最低聲壓級。痛閾則是暴露在該高聲壓級場合的多數人感到疼痛的聲壓級，超過痛閾的聲壓級能夠立刻引起永久性聽力損傷。聲壓級超過140dBA，會帶來更大的潛在危害，這是將出現聲學損傷。聲學損傷是一個過程，最終內耳毛細胞核支持結構產生實質性撕裂，從而將引起明顯的永久性聽覺損失。

聽覺的一般規律是，多數人能夠察覺到2-3dBA聲壓級的改變，5dBA的改變能夠明顯察覺，10dBA的改變就感覺到音量加倍或減半，因此，在同樣的聲源和聽者位置上，70dBA的聲音響度是60dBA的兩倍，80dBA是60dBA響度的4倍。

表1.2 各種環境條件下的常規聲壓級

一般聲學環境	聲壓級（dBA）
痛閾	120
距飛機場跑道90m（300ft）	110
典型的夜總會	100
職業健康與安全署規定的8小時暴露極限	90
建築施工地區	80
距主要高速公路15m（50ft）	70
白天城市地區	60
安靜郊外的白天	50
安靜郊外的夜晚	40
安靜農村的夜晚	30
播音室內	20
聽力測定室內	10
聽聞閾	0

• 頻帶

因為材料對不同頻率的聲音有不同的反應，因此通常需提供更多的以頻率為函數的聲學信息。為此，最一般的方法是採用特定頻段內的聲壓級。這些頻段以單一頻率命名，最通常的是以倍頻程分類，美國國家標準化組織定義中心頻率為31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000和16000Hz。注意：每一個連續倍頻程的頻率是前一個頻率的2倍。測量和報告中最常用的倍頻程介於125-4000Hz之間。人類語言頻率範圍在500-400Hz之間，元音發聲趨向低頻，輔音發聲趨向高頻。