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在之前的第一篇教程:建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(1):声音强度中,我们一起学习了关于声音强度的一系列理论概念(声功率,声强,声强级,声压和声压级),以及在Pachyderm里面设置基本声源和分析声音强度的方法。那么在今天的第二篇教程里,我们就需要以此为基础,学习建筑声学设计中一个非常重要的部分:降噪。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第1张图片


STEP 1
降噪


相较于我们后一讲会介绍的混响,降噪应该是一个大家都比较熟悉概念。因为声音,特别是噪声,会严重影响到建筑使用者的生理心理状态,所以很多特定的建筑空间对于噪音是有严格要求的,比如医院,学校等等,它们会采取一系列的措施减少噪音的干扰。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第2张图片

那么对于建筑师来说我们有哪些手段可以减少噪音的干扰了?

首先我们可以观察下下面这一组声强和声强级的公式。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第3张图片

大家可以发现,对于声强来说,它的数值大小是严格遵守距离平方反比规律的,所以增加同声源的距离是一个非常好的隔音降噪措施。因此,各位建筑师首先第一个需要掌握的降噪手段就是在总平规划中合理布置建筑位置,使得主要使用房间尽量远离类似于高速公路和施工场地这样一些噪音较大的地方。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第4张图片

那么除了增加距离之外我们还有哪些其他方法了?

首先大家应该知道声音穿过任何介质,都会发生几个基本的物理现象,反射,吸收和穿透。那么反射和吸收的声音加在一起就是声音的衰减值。所以说对于降噪除了增加距离让其自然衰减外,我们主要会用到的两个方法就是声反射和声吸收。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第5张图片


STEP 2
声反射和声吸收


先说一下声反射,他指的是声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒质时,在两种媒质的分界面处将发生反射,使入射声波的一部分能量返回第一种媒质中的现象。

但是因为声音反射它本身只是把能量返回到第一种媒介中,而没有真正的将声音转换为其他能量,所以单纯就就声音衰减这方面而言,这样一些增加反射的措施在建筑内部使用的相对较少,它主要是使用在室外环境,比如机场,高速路周围,类似于下图中所展示的隔音板。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第6张图片

那对于我们建筑设计来说了,虽然我们的确也可以在场地周围布置隔音板增加反射来减少噪音,但是一方面这样操作会增加场地周边的噪音强度,另一方面隔音板对于你的整体场地的造型以及空间可达性都会产生很大的影响,所以除非是很特殊的情况下,比如你的场地极度靠近高速公路或者机场,我们基本不会把大面积布置隔音板作为一个主要的隔音降噪措施。

当然在这说一下,一般情况下两种介质的密度相差越大的时候,声能的反射越大。而实际应用中,声音基本上都是在空气中传播的,于是与空气密度相差越大的材料对声音的反射越强,声反射效果越好,这也是为什么隔音板材大部分采用类似于金属这样一些高密度材料制作。

那最后了关于声反射还有一个比较重要的知识点需要和大家提一下,就是声音的散射系数。类似于光在光滑的物体表面有镜面反射,在粗糙的物体表面有漫反射,声音的反射同样具有相同的属性,光滑的表面会形成定向反射,而粗糙的表面会像四面八方均匀反射。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第7张图片

为了表示声音的这种特性,科学家就使用了散射系数这个参量来进行描述:散射系数越小越接近镜面反射,散射系数越大越接近漫反射。当然个人感觉这个东西和我们的和声音衰减本身关系不大,因为像隔音板这样一些东西我的主要目的是要把声音弹走,具体怎么弹的并不是我们所关心的。

但是声音反射并不是只涉及到隔音,它同样可以用于声音的增强,比如音乐厅里面会设置反射板来起到增强音效的作用。那对于这种情况了,散射系数就很重要了,不同散射系数的材质会有不同的声音效果。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第8张图片

下面我们再来看一下声吸收。

声吸收指的是,当声波通过媒质或射到媒质表面上时声能减少的过程。这主要是由于媒质的黏滞性、热传导性和分子弛豫过程,使有规的声运动能量不可逆地转变为无规地热运动能量。因为不同于声反射将声音反射回原有介质,声吸收是真正的将声能转换为热能,所以实际的建筑设计中我们更多会使用声吸收来实现降噪。

常见的声音吸收大致可以分成两大类即共振吸声和多孔吸声,当然下图里面还有一个薄板吸声,他实际上可以归于共振吸声。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第9张图片

多孔吸声主要是靠从表面至内部许多细小的敞开孔道,让声波能顺着微孔进入材料的内部,引起空隙中空气的振动。由于空气的黏滞阻力、空气与孔壁的摩擦和热传导作用等,使相当一部分声能转化为热能从而被损耗,从而达到吸声的目的。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第10张图片

多孔吸声以吸收中高频声波为主,主要的多孔材料有纤维状的各种有机或无机纤维及其制品以及多孔结构的开孔型泡沫塑料和膨胀珍珠岩制品。所以当大家项目的噪音源为高频声的话,建议使用多孔吸声材料。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第11张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第12张图片

而共振吸声主要是通过不同的共振结构设计获取不同的自振频率,而当声波的频率与共振吸声结构的自振频率一致时,就会发生共振,并使振幅达到最大,从而消耗声能,达到吸声的目的。

因此不同的共振结构就会有不同的最佳吸声频段,比如说穿孔板共振吸声结构和薄膜吸声结构适合吸收中频声,薄板吸声结构则适合吸收低频声。不过总的来说,共振吸声主要用于中低频率声音的吸收。所以当大家项目的噪音源为中低频声的话,建议使用共振吸声材料。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第13张图片

最后关于吸声再说一个知识点需要提一下:吸声系数的大小除了取决于材料的性能和结构外,还与声波的入射频率有关。各种材料的吸声系数是频率的函数,因此对于不同的频率,同一材料具有不同的吸声系数。为表示方便,在工程上通常采用125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz六个频率吸声系数的算术平均值表示某一种材料的平均吸声系数,当然有的时候也会加一个8000HZ和62.5HZ构成所谓的八度音阶下的吸声系数。

通常平均吸声系数>0.2的材料就可以被称为吸声材料,而吸声系数>0.5的材料是理想的吸声材料。


STEP 3
声学模拟


对于降噪的模拟,基本的操作流程同我们上一篇文章中关于Pachyderm的设置是一致的,首先我们还是需要布置房间。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第14张图片

使用insert命令放置声源和接收器

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第15张图片

对于降噪的分析,一方面我们可以研究建筑本身的形体变化对于噪音的衰减影响。那么这时分析的基本流程同上篇教程里面介绍的一致,大家只要在Rhino中修改建筑的造型,然后分析接收器位置的SPL参数即可。另一方面了我们同样可以研究不同建筑材料的使用对于噪音的衰减影响。在今天的文章中,我们着重关注于后一种情况。

因为是要分析材料对于降噪的影响,指派声学材料这一步就变的非常重要,打开Pachyderm主菜单,点开第二个卷展栏material。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第16张图片

对于降噪的分析,只使用Pachyderm库中的材质就远远不够了,我们要依据材料的声学特性,对于材料的吸声系数,散射系数和透射系数进行单独的设置从而创建新的声学材质。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第17张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第18张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第19张图片

对于建筑师来说,这些参数是相对比较陌生的,因此当大家想要在建筑中使用特定的吸声材料的话,就需要去网络搜一下对应的参数,比如后面几张图就是我在网络上找到的不同材料的吸声系数参数。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第20张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第21张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第22张图片

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吸声系数>0.5的材料就可以算作理想的吸声材料了,而我们可以看到这里面类似于75mm的岩棉这样的一些材料就具有非常高的吸声系数。所以大家可以在这里吗选择吸声系数相对较高并且比较较为适合于你特定的方案需求的材料,作为你要分析的吸声材料。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第24张图片

只要把这些参数值依次输入,之后起一个新名字点击保存即可创建一个新的吸声材料。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第25张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第26张图片

完成材质设置之后就可以在For layer中选择特定的图层进行吸声材质的赋予。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第27张图片

那么介绍完这样一个基本吸声材质的设置与赋予之后,各位可能会有一个困惑:对于基础的单一吸声材质,比如上面设置的岩棉,我们是可以这样直接输入吸声系数,散射系数和透射系数来创建,但是很多时候像隔音板,共振吸声结构等材料都是多层的复合材质,它们应该如何设置了?

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第28张图片

针对这种情况我们就要使用高阶的设置材质的方法就是,点击call absorption designer,这里面可以对吸声材料做更为细致的设置。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第29张图片

点击sample type大家就可以看到这里面就有我们最常用的几种吸声材料比如多孔材料,各种各样的穿孔板,空气层等等。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第30张图片

比如现在我想使用穿孔板加空气层加实体板做一个共振吸声结构,那么就要依次选择这些材质。

首先穿孔板

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第31张图片

在下部我们可以改变他们的几何属性比如厚度,孔径孔间距等等。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第32张图片

修改完成后了点击add layer,我们就可以把设置好的穿孔板作为符合吸声材料的一层。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第33张图片

之后选择第二层材质空气(可以设置空气层的厚度)

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在选择第三层材质实体版。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第35张图片

当然设置完成之后了我们也可以对于每一个材质层进行删除或者改变其顺序。

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全部完成之后点击创建,我们就可完成这样一个多层复合材质的声学材质。

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对于这样一个复合材质,我们同样需要使用图层来赋予给相应的物体。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第39张图片

不过当前貌似对于使用absorption designer创建的材质pachyderm是无法进行后续修改的,也就是说整个创建的过程是一个不可逆操作,大家在生成的时候一定要确定参数和对应图层正确之后再进行添加。

最后的分析就很简单啦,童鞋们只要将自己设置的不同的声学材料赋予建筑,进行声压级的模拟来观察不同材料的降噪效果,进行对比并选择出最为合适的材料用在自己的方案中即可。

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第40张图片

关于这一部分的具体操作各位如果还有不明白的话,可以回看下pachyderm第一篇教程的基础分析部分。

今天的教程到此为止了,最后总结下本次教程的重点:

1:降噪的基本方法
2:声吸收和声反射
3:简单吸声材质的设置
4:复杂吸声材质的设置

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第41张图片

建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2):降噪第42张图片

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