声波的反射、折射、衍射、扩散、吸收和透射

 波阵面与声线

       声波从声源出发，在同一介质中按一定方向传播。声波在同一时刻所到达的各点的包络面称为波阵面。

       波阵面为同心球面的波称为球面波。它是由点声源所发出的。当声源的尺度比它所辐射的声波波长小得多时，可以看成是点声源。

       波阵面为同轴柱面的波，称为柱面波。它是由线声源发出的。如果把许多靠的很近的单个点声源沿一直线排列，就形成了线声源。

       波阵面为与传播方向垂直的平行平面的波称为平面波。它是由面声源发出的。在靠近一个大的振动表面处，声波接近于平面波。如果把许多距离很近的声源放置在一平面上，也类似于平面波声源。

 

       声波的反射、折射、扩散、衍射、扩散、吸收和透射

       声波的反射 ：声波在传播过程中遇到介质密度变化时，会有声音的反射。房间界面对在室内空气中传播的声波反射情况取决于其表面的性质。

 平面的反射

       下图表示大而平的光滑表面对声音反射的情况，反射的声波都呈球状分布，它们的曲率中心是声源的“像”，即与平方反比定律一致。因此，反射声强度取决于它们与“像”的距离以及反射表面对声音的吸收程度。

    光滑平面对声波的反射

       反射的定律：1）入射线、反射线法线在同一侧。

                  2）入射线和反射线分别在法线两侧。         

                  3）入射角等于反射角。

 

曲面的反射

 

      弯曲表面对声音的反射仍然用声线表示声波的传播方向，下图表示由平面反射的声线是来自“像”声源的射线，呈辐射状分布，入射线、反射线和反射面的法线在同一平面内，入射线和反射线分别在法线的两侧，入射角等于反射角。投射到凸曲面上的声线都分别被反射，反射波的波阵面并不是圆的一部分，而是必须由画总长度相等的各条声线求得。

 

         声波遇到平面和凸曲面反射的比较

 

      下图分别表示对由平面、凸曲面及凹曲面形成的反射声线及波阵面的比较。从声源到反射面的距离都相等，所分析的入射声波立体角相同，所画的波阵面的时间间隔也相同。可以看出，来自凸曲面的波阵面比来自平面的波阵面大得多，而来自凹曲面的波阵面则小得多，并且缩小了。因此，与平的反射面相比，凸曲面反射声强度较弱，凹曲面反射声的强度较强。

 

     

 

声波的折射：

 

       声波在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。即使在空气中传播，随着离地面高度不同而存在的气温变化，也会改变声波的传播方向。白天近地面的气温较高，声速较大，声速随离地面高度的增加而增加减小导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随离地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播地比较远的原因。

 

        

此外，空气中各处风速的不同也会改变声波的传播方向，声速顺风传播时声线方向向下弯曲；逆风传播时方向向上弯曲，并产生声影区。

 

      在实际情况下，很难严格区分温度与风的影响，因为它们往往同时存在，且二者的组合情况千变万化，还会受到其他因素的影响。

 

      在设计工业厂房时，如果已经知道这种厂房有明显的干扰噪声，并且厂址又选在居住区附近，就需要考虑常年主导风向对声传播的影响；在做新的城市郊区和城镇规划时，更应强调这方面的要求。建造露天剧场时，可以利用在白天因温度差导致的声波传播方向向上弯曲的特点，以便加强后部座位所接受的来自舞台的声音；采用成排的台阶式坐席，是台阶的升起坡度与声波向上折射的角度大致吻合，就可以达到这样的效果。

 

声波的衍射：

 

      当声波的传播过程中遇到障壁或建筑部件（如墙角、梁、柱等）时，如果障壁或部件的尺度比声波波长大，则其背后将出现“声影”，然而也会出现声音绕过障壁边缘进入“声影”的现象，这就是声衍射。或者说衍射是声波绕过障壁弯曲的能力。声波进入声影区的程度与波长和壁障的相对尺度有关。

 

                       声波的衍射

 

      下图表示不同宽度的反射板反射的声波及边缘引起的衍射波，在这两种情况下声波的频率相同，因反射板的宽度不同，从反射波中分离的衍射波能量也不同。所以，对于一既定频率的声音，小尺度反射板的反射能力较小，当在大厅里使用反射板加强声音时，必须考虑它们有适当的尺度。

               声波遇到不同尺寸障板产生的反射和衍射

 

      下图表示同样尺度的反射板对低频和高频声波反射情况的比较，可以看出对低频声波的衍射作用较大，因此反射波的强度就比较小。由此可见，一个有限尺度的反射板对语言、音乐等复合频率声音的反射情况不同，对其中包含的高频声反射比较有效，或者说对高频声有定向特性。因为语言的清晰在很大程度上取决于对中、高频声音的听闻，如果反射板的尺度相当于中频声音波长的5倍，就能有效的加强语言声。例如，打算用作对500Hz频率声音的反射板，板的尺度至少应有3*3m。

 

                    相同尺寸的反射板对不同频率声波的反射

 

      下图表示声波绕过障壁顶部的情况。衍射波的曲率是以障壁边缘为中心，进入“声影区”愈深，声音就愈弱，设计有效的声屏障是改善人居声环境的主要措施之一。建筑空间里的一些构件及变化尺度（例如柱、梁、低的隔断以及眺台等）与声波的波长具有相同的数量级，在音质设计中不可忽视“声影”的影响。

 

                 声波自障壁顶部的衍射

 

声波的扩散反射：

 

       声波在传播过程中，如果遇到表面有凸凹变化的反射面，就会被分解成许多小的比较弱的反射声波，这种现象称为扩散反射。

 

      扩散反射类似于粗糙的粉刷墙面或磨砂玻璃表面对光的反射。导致声波扩散的表面必须很不规则，其不规则的尺度与声波波长相当。

 

     下图分析了一个表面具有约0.3m凸凹变化的表面对不同频率声音的反射情况。对于频率为100Hz的声音，该表面将导致定向反射，因为声波的波长比表面的不规则尺度大得多，换句话说，对于100Hz的声音，这种表面仍然如同光滑的表面。对于1000Hz的声音，则导致了扩散反射。对于频率为500Hz的声音，这种表面将导致部分扩散反射和部分定向反射。对于10000Hz频率的声音，其波长接近于34mm，表面的各个局部的不规则尺度，已经大到足以起定向反射的作用，声音被这些局部表面定向反射，但从整个表面而言，提供的是不规则反射。在室内音质设计中，扩散反射是考虑的重要因素之一。

 

                 

对频率为100Hz声音的定向反射[声音的波长（3.4m）远远大于表面的不规则性]

 

                

对频率为1kHz声音的扩散反射[声音的波长（0.34m）与表面不规则的尺度相当]

 

                 

 

（c）对频率为10kHz声音的定向反射[声音的波长（34mm）远远小于表面不规则的尺度，这是由各表面产生的定向反射]

 

 

 

声波的吸收：

 

      声波在空气中传播时，由于振动的空气质点之间摩擦使一小部分声能转化为热能，常称为空气对声能的吸收。这种能力损失随声波的频率而不同，当研究声音随距离的增加而衰减时，如果声音传播的距离较远，就必须考虑这种附加损失。在分析室内声学现象时，空气对在室内来回反射的声波（尤其是高频声）的吸收也不可忽略。

 

     声波透射到建筑材料或部件引起的声吸收，取决于材料及表面的状况、构造等。材料的吸声效率是用它对某一频率的吸声系数衡量。材料的吸声系数是指被吸收的声能（或没有被表面反射的部分）与入射声能之比，用表示。如果声音被全部吸收，；部分被吸收，。

 

      材料的吸声量等于按平方米计算的表面面积乘以吸声系数。例如作吸声处理所使用的材料面积，其吸声系数，则吸声量，即相当于6m2吸声系数等于1的吸声材料。对于一扇打开的窗，因投射到窗口的声能全被传到室外，所以打开的窗的；这里的分析没有考虑窗边缘对声波的衍射。

 

声波的透射：

 

      声波入射到建筑材料或建筑部件时，除了被反射、吸收的声能外，还有一部分声能透过建筑部件传到另一侧空间去，如下图所示。

            

              建筑材料对声波的反射、吸收和透射

 

       入射声能经部件透射的部分用透射系数表示，由部件反射的部分用反射系数表示。因为反射、吸声和透射的能量之和必定等于入射声能，下述关系式必定成立：

 

      建筑材料或部件的面密度（即单位面积重量）是影响反射、吸收和透射最重要的因素。厚重部件都是较好的反射面，可比轻质部件提供更多的反射，所以透射的声能也较少；因此厚重部件的值较大，值较小。如下图所示

 

 

                   不同面密度部件对声音的反射、透射和吸收

 

      如果我们考虑某一围蔽空间界面对声音的反射、吸收和透射情况，由于吸收和透射都是该围蔽空间里失去的声能，在这种情况下，吸声系数是不被界面反射的声能与入射声能的比值，即此时的吸声系数包含了透射系数，前述对打开的窗的吸声系数定为1，正式基于同样的分析。