建筑师必备的声学知识（八）

7.1 初始声源发出的声音进入房间并越过听众耳际之后，它们会永远存在吗？答案是否定的，它们不会永远持续。至于为何不会，则需稍作解释。  

7.2 能量守恒定律的基本表述为：“能量可被转化，但既不能被创造也不能被消灭。”这意味着声源输入房间的全部能量，必须通过吸收（将声能转化为热能）、透射（穿过围护结构进入另一空间）或反射（叠加到声压级）三种途径加以体现。

A. 若声能在完全密闭且全反射的房间内不断累积，而声源持续输出声能，则没有任何能量会被吸收。“理论上，随时间推移会达到足以爆炸的压力。”

7.3 假定为封闭空间，当声能抵达任何吸声或扩散/散射边界、屏障、物体或人体。不论其尺寸大小，部分乃至大部分能量会转化为热能。剩余能量则被反射或散射，沿新的路径继续传播，直至撞击其他物体或被透射出去。该过程持续进行，直至剩余声能变得不可闻，至完全无法检测。  

A. 物理机制：简言之，摩擦是将声能转化为热能的机制。热是无声的，这一过程人类几乎无法察觉。人眼无法观测其运动，皮肤亦难以感知其热量，但它确实存在。  

B. 即便没有吸声和扩散材料，声能也会因空气分子在被推拉过程中产生的相互摩擦而衰减。空气吸声对高频（HF）能量的消耗较为显著；随着频率由中频（MF）降至甚低频（VLF），吸声作用逐渐减弱。这解释了为何在大多数房间中，2 kHz 以上的过量混响很少成为问题，室内空气已将其吸收。  

1. 除墙体、门、窗、地板与天花板的质量外，这也是为何我们往往能听到邻居聚会传来的低频（LF）/VLF 能量明显多于 MF/HF 声音的原因之一。  

7.4 能量衰减的另一因素来自声透射。当声能以空气声或结构声形式穿过墙体、门、窗、楼板与天花板时，即发生此种衰减。  

A. 大多数建筑的构造材料与施工工艺会使一定量声能逸出结构围护体系。这通常并非设计意图，也不一定是好事，但它确实是声能耗散的又一途径。  

7.5 那么室外声的情况如何？  

A. 空气、各种自然与人工构筑物以及距离，在室外声传播过程中对声能的吸收、反射、绕射与散射均起重要作用。主要影响可归纳为六个控制因素：  

1. 平方反比律（见图 7.1）解释了声压随距离加倍而以 6 dB 的速率衰减的现象。初始能量波前在远离声源的过程中不断扩展，因此在传播路径的不同位置可闻能量越来越少。  

2. 根据周围结构与环境条件，声能可能遇到若干边界和共振物体，接触后进一步耗散声能。  

3. 地面反射与吸收取决于地表覆盖的物质。尽管作用微弱，草地会吸收部分 MF（中频） 与 HF（高频）声；而水面则主要是大多数频率的反射体。  

4. 站立或就座的听众可提供可测量的近地面 MF 与 HF 吸声量。  

5. 一般而言，室外不存在房间模态。室内发现的模态能量共振峰不会在室外形成并长时间滞留。  

6. 风况、温度与湿度会导致一定额外损失，且程度可变。至声压会充分降低至低于人耳听阈。  

B. 在室外，LF（低频） 与 VLF（极低频） 频率同样遵循平方反比律，但通常能在更远距离保持可闻性，主要受以下三个因素控制：  

1. 随着频率降低与波长增长，空气吸声的效率递减。这解释了为何 LF 与 VLF 声音在变得不可闻前似乎能传播更远。  

2. 由于 LF 与 VLF 波长极大，地面反射很常见，而多数地面覆盖物难以实现显著吸声。  

3. 风况、温度与湿度仍会造成不同程度额外损失。LF 与 VLF 声能会充分衰减至低于人耳听阈。  

术语与注释：

• 能量守恒（conservation of energy）：声学分析的基础物理定律。  

• 吸收（absorption）：声能转化为热能的过程，降低声压级。  

• 透射（transmission）：声能穿过围护结构进入相邻空间。  

• 反射（reflection）：声能遇界面返回原介质，增加声场强度。  

• 扩散/散射（diffusion/scattering）：声能经复杂表面反射后方向随机化。  

• 空气吸声（air absorption）：空气分子摩擦导致的声能耗散，高频尤为显著。  

• 平方反比律（inverse square law）：声压随距离加倍衰减 6 dB 的规律。  

• 房间模态（room modes）：封闭空间中由几何尺寸决定的驻波共振现象。  

• 听阈（threshold of hearing）：人耳能感知的较低声压级。