建筑师必备的声学知识（三）

1 你是否曾停下来思考过——声音究竟是什么？

在人类的五种感官中，听觉似乎是较少受到关注的，然而一些现代研究¹表明，它对我们的整体健康与生活方式或许比较重要。那么，为何我们的聆听环境却鲜获重视与尊重？其原因至少有三方面：

A. 声音与声学是相对复杂的课题，大多数人对它们的理解较为有限。

B. 音响系统与声学处理方案必须针对每个房间进行定制，不存在“一刀切”的通用解决方案。为达到房间所需的音频质量与清晰度，往往需要根据房间的大小、形状、位置以及扬声器与声学饰面的数量与布置进行差异化设计。

C. 高品质扬声器与声学处理措施常被认知为价格昂贵、体积庞大或外观欠佳。尽管在历史上确有其事，但如今这类产品的尺寸与外观正变得越来越具美学吸引力。

2 声音并非有形之物，而是一种转化性的体验。

A. 声音是一种相对缓慢的推拉式分子链式反应，始于简单的振荡或振动。这些振动可由人类、动物或各类物体产生。

B. 当振动以足够能量激发邻近空气分子并被检测到时，便成为可听见的声音。在较早年龄与理想条件下，人类的可听声谱通常被认为是 20 赫兹（Hz）（以德国物理学家海因里希·赫兹命名）至 20,000 Hz。

C. 任一物体振动时，其相邻空气分子之间会发生与其振动频率相对应的能量传递。为形象理解这种能量传递，可联想牛顿摆（见图 2.1）无论球数多少，中间的球几乎不动，只有首尾两球因处于链式反应的起点与终点而易被观察到运动。在分子层面，空气中的电子会适度挤压，将新获得的能量沿分子链传递，随后在空气的压缩与稀疏过程中回到原位，从而形成局部高压与低压交替的小区域。

D. 振荡运动越强或越剧烈，压力变化越大，从而使振动或声音的响度更高。若无阻碍，这些微小的气压变化会从振源向外缓慢传播，直至撞击另一组可发生共振振动的物体。对人类而言，这些共振振动的物体即是我们的鼓膜。

E. 在基础的形式下，形成可听声的转化回路可表述为：

振动物体 → 空气分子相互推拉形成的链式反应 → 一个或多个共振振动的鼓膜 → 大脑 → 感质（qualia）；即人的主观听觉体验。单个空气分子本身并不产生可听声。

3 声音亦可视为一种力，与重力或磁力有相似之处。

但与具有普遍向下作用的重力或具黏性两极作用的磁力不同，可将声音理解为引发分子链式反应的力。当人为且有意识施加时，它是一种可按需在必要时启动或关闭的力。

A. 有意识的声波可在任意方向上轻易穿过空气；它们可被操控并导向相对明确的区域；在适当处理下，通常能灵活适应并响应我们的需求。

B. 然而，声波无法在不发生显著的质量、数量及时间变化的情况下绕过拐角或穿透固体物体，且此类变化通常是不期望出现的。

当声波绕过物体或拐角时，称为衍射。

当声波撞击固体物体时，部分能量可能通过结构传声振动传递，从而给房间的噪声隔离（无论是隔声入内还是隔声出外）带来困扰。

4 声音的存在必须依赖某种可压缩介质。

介质或大气的种类并不重要，只要其中存在可被推动或激发成明显高低压力分布的分子即可。

A. 水是易传声介质的良好范例；在适当条件下，钢材与混凝土亦然。

B. 真空没有大气，因此在真空中不存在声音。

5 频率、波长与声速

A. 声音可通过频率或波长来定义。每个离散频率都有对应的波长。虽然频率与波长直接相关并可互换，但二者表述的物理意义不同。

以每秒周期数标识特定频率时，单位为 Hz。

说某声音的频率为 500 Hz，即表示某物体在每秒内往复振动 500 次。

任一离散振动频率在产生后，会以声速向外传播，完成一次完整正弦波或周期所需的直线距离即为其波长。因此，纯 500 Hz 音调的波长约为 2.25 英尺，而 2.25 英尺的波即为 500 Hz 音调，二者在尺度与听觉上完全对应。

B. 在空气中传播时，声速为一广义常数。本文及后续论述均采用 1,127 英尺/秒（FPS） 作为参考值。该数值会因温度与湿度略有波动，但在本教程背景下差异不足以产生实质影响。

音乐与语音的复杂波形均以相同声速在空气中传播，与频率无关。

若需进行频率与波长的换算，方法十分简单：用声速（1,127）除以目标频率。例如：1,127 FPS ÷ 320 Hz = 3.52 英尺。

C. 现将声速（1,127 FPS）与光速（约 186,282 英里/秒）进行比较：

由于可见光波长极短，对光线的引导、塑形与约束比塑形、约束与控制声音容易数个数量级。原因在于：波长越长（频率越低），一旦进入运动状态，就越难以控制、消散或阻断。

完全阻挡或限制任何不需要的光线相对容易，例如仅需在两室之间关上一扇门；必要时无需大量投入或专门规划，即可使 A 室光线在 B 室完全消失。

若要在两室间阻挡或限制部分或全部可听声，这一做法的效果则大打折扣。低频与中频声音（LF 与 MF）常通过结构振动的传递轻易穿透门、墙与窗。相邻两室之间的言语私密性管理便是此类挑战的典型例子。

唯有经过极为细致的结构规划或专门的声学处理，方能彻底阻止或隔绝所有声音。

D. 理解可听频率与波长的对应关系，是连接声音、声学与建筑的重要纽带。一旦将声音转化为建筑师或室内设计师易于理解的物理尺寸，他们便能开始解开为何有效的声学处理需以多种尺寸与形态实施的奥秘。