声音和噪音

声音：

简单来说，是指空⽓中的某些振动在听觉器官中产⽣的感觉，而这一振动是来自于在弹性材料中传播的压力、应力、粒⼦位移和粒⼦速度的变化。

噪音：

是指那些响亮、混乱、令⼈不快或不受欢迎的声⾳，物理学上通常是指随机的、持续性的信号⼲扰。 

声⾳是通过介质传播，然后人耳接收到的振动。当⼀个⼈说话、⼀辆汽⻋经过或⼀块玻璃掉到地板上时，声带、发动机运转和玻璃撞击瓷砖，产生了振动并在周围的空⽓介质中传播。这⾮常类似于将⼀块⽯头扔进平静的湖中，当石头撞击⽔⾯时，⼩波浪会从撞击点向各个方向向外扩散，⼀次撞击可以产⽣多个波浪，这些波浪在⽔⾯上重复出现，声波在空⽓中传播时与之相似。

图1.1弹性介质中的声音传播

图1.1 是湖泊中的波浪与空⽓中的声波之间的⽐较。声⾳通过⼀系列压力脉冲在空⽓中传播，呈现“紧-松-紧-松”的状态，这种状态我们称之为“脉冲”，每个脉冲都有⼀个最⼤压力点，并由较小的一段压力点隔开。两个最⼤压力点之间的距离定义了声⾳的波⻓，⼀秒钟内出现的波⻓的数量（周期）决定了声⾳的频率。

频率

频率是指每秒的波⻓“周期”（波⻓数）。每秒周期 (cps)也称为“赫兹”，缩写为“Hz”。给定声⾳的频率被定义为声⾳的音调。声⾳的频率越⾼，它的音调会更⾼。波长越长，频率越底，因而音调也相对较低；反过来频率如果越高，则波长就越短。例如波长3.4 m具有低频 100 Hz，而10，000 Hz的声⾳则具有非常短的波⻓0.03 m。平均⽽⾔，健康的⼈⽿能够检测 20 Hz到20，000Hz频率范围内的声⾳。

声压级、声强和响度

声波的第二个分量是它的振幅。每个频率的声⾳都有相应的振幅，用声压级 (SPL) 表⽰。

图1.1⽔波图为例，振幅表⽰为波峰和波谷之间的距离。声⾳脉冲的幅度是其产⽣的最⼤压力和最⼩压力之间的差值，这种差异表⽰为声压级 (SPL)，并被视为声⾳的“响度”。声波的幅度越⼤，声压级越⾼，声⾳越⼤，声波的幅度取决于声⾳对周围介质和包括人耳施加的压力。

声压级定义为将待测声压p与参考声压p(ref)的比值取常用对数，再乘以20，即：

等式1：SPL=20lg P/P(ref)，其单位是分贝。

在空气中参考声压P一般取为2E-5（频率为1kHz），这个数值是正常人耳对1.4m(250Hz)机械波刚刚能觉察其存在的声压值，也就是波长1.4m(250Hz)机械波的最小可听声压。一般讲，低于这一声压值，人耳就再也不能觉察出这个机械波的存在了，显然该可听阈声压的声压级即为零分贝。

物理学中将P/P(ref)定义为相对压力，下表中列出了自然界常见声音的相对压力水平，用SPL = 20*lg（相对压力）这一公式即可算出声压级。

例如：相对压力为1000的声⾳的SPL为60dB，声压级=20*lg(1000)=60

声压级、分⻉级和声强的关系⻅图 1.3.1，⼈⽿对SPL的敏感范围为0-130dB。

图1.3.1声强、压力、声压级和响度的关系

另⼀种表⽰声⾳大小的方法是声⾳强度。声⾳强度是声⾳功率的函数， 以每单位⾯积的功率表⽰。声⾳强度的典型表⽰是“⽡特每平方⽶(W/m2)”。
 

质量定律

最常⽤的改善隔声性能的方法遵循“质量定律”，即通过增加隔音屏障的质量。该质量定律既适⽤于柔软的质量系统，也适⽤于刚性的介质材料。

然⽽该方法对中空玻璃的隔声和“吻合效应”发⽣的频率范围内效果不佳（请参阅下⼀节）。

等式2：TL=20*lg（M*f）-47

式中：TL：传声损失量/隔声量，单位dB。

M：玻璃单位面积的质量，单位kg/㎡。

f：入射声波的频率，单位Hz。

基于上述等式2，给定⼀个固定的入射频率，每单位⾯积质量增加⼀倍，隔声性能可提高约6dB。例如，3 mm厚度玻璃的单位⾯积质量约为 8kg/平方⽶。

固定的玻璃（不考虑边缘密封系统和间隔层气体）应具有 500 Hz 的 STL：

TL(3mm) = 20*lg（8kg/㎡*500Hz）-47  = 25dB

将此配置的玻璃厚度（质量）加倍，则结果如下：

TL(6mm) = 20*lg(16kg/m2*500Hz) -47  = 31dB

这种方法对隔声有帮助，但局限性也显⽽易⻅。如果1m*1.5 m尺寸玻璃需要做到40 dB的隔声量，根据上述公式倒推，则需要25 mm的厚度，这个厚度的玻璃重量超过90kg/平方米，显然这不是改善隔声性能的最经济和有效的方法。

重合效应(吻合效应)和中空玻璃共振

重合效应/吻合效应

玻璃、钢、铝、⽊材和许多其他常⻅的建筑材料在暴露于包含某个频率的声⾳时会以特定频率共振或振动，材料共振的频率称为其固有频率或重合频率。对于中空玻璃，这种“吻合效应”由于⼀些内部阻尼（气体间隔层）和边缘阻尼（边缘密封系统：间隔条、密封胶），传声损耗曲线会出现下降或平台期，与其相邻的部分频率频段也会受到影响。由于这种“吻合效应”或“吻合下降”，如1.5.1所⽰。对于许多建筑材料⽽⾔，其固有频率往往与语⾳以及汽⻋、火⻋和飞机产⽣的噪⾳最重要的频率范围相吻合，当吻合效应发⽣时，这些声⾳很容易穿透玻璃⾯板或建筑材料⽴⾯。

图1.5.1不同退火玻璃的传声损失对比

中空玻璃结构共振

由于中空玻璃结构“质量（玻璃）-气体-质量（玻璃）”共振，TL性能也可能下降。玻璃厚度和⽓体间隙的特定组合会导致声⾳传输损失在⼀定程度上降低，特定频率的气体间隔层实际上充当了玻璃片之间的弹簧，它有助于振动能量从⼀层玻璃转移到另⼀层。中空玻璃结构“质量-空⽓-质量”共振频率（Fr）可以通过以下关系确定：
 

公式3： Fr = (1150 * v(t1 + t2))/ v(t1 * t2 * d)

其中：t1、t2是各⾃的玻璃片厚度，d 是以mm为单位的气体层间隙。

如果要处理声谱内的特定频率，则中空玻璃设计时应使“质量-空⽓-质量”共振频率尽量错开特定的频段。如图1.6.2所⽰，使⽤更宽的气体间隔将使“质量-空⽓-质量”共振下降到更低的频率。公式3与下⾯列出的实际测量数据具有很好的相关性。

图1.5.2玻璃共振与间隔空间的关系

总结：中空腔体宽度越宽隔声性能越好

其他位置声音传输/侧翼的影响 

声音通过测试样本以外的路径进行传播并接收，我们称之为侧翼的影响。在实验室环境下侧翼问题可以忽略不计，而实际⼀个建筑⽴⾯通常由许多元素组成，如墙壁、窗户、⻔、通⻛⼝、空调管道等。如果你试图评价⼀个窗户的隔音效果，⽽周边的维护结构中有⼀个隔音效果很差，你就会有侧翼影响的问题，从而⽆法确定窗户本⾝的真实隔音效果。

图1.6.1 显⽰了⼀个普通住宅的声⾳传播路径。

立面声音传播途径

图1.6.1住宅侧翼传播

门窗安装也会影响到整体建筑的隔声性能。密封材料界⾯之间的⼩间隙也可以成为声⾳传输的通道，使⽤发泡、密封剂或其他材料填充窗框和墙体洞口之间的间隙可以降低声⾳传播。