往平静的池塘里扔一颗小石子,看着涟漪扩散。一个涟漪波峰与下一个波峰之间的距离就是波长。现在扔一块更大的石头——涟漪之间的间距会变大(波长更长),整个波纹的范围也更广。扔一粒细小的沙粒,涟漪则会紧密排列(波长更短)。
现在把一根棍子垂直插在水里。如果波纹的波长很长——远大于棍子的长度——它们会绕过棍子,仿佛棍子不存在一般。若波纹的波长很短——远小于棍子的长度,棍子后方就会形成清晰的阴影。棍子的尺寸并未改变,但其声学效果完全取决于与之相互作用的波的波长。
声波波长是声波中两个相位相同的连续点之间的物理距离——通常从一个压力峰值测量到下一个压力峰值。它是声波的空间维度,决定了声波与物理世界的相互作用方式:声波是会绕过障碍物、穿过缝隙、从表面反射,还是会在房间内形成共振。
频率决定了波的振荡速度,而波长则决定了波的大小。在声学中,尺寸至关重要,因为声音与物体的每一次相互作用,都取决于波长与物体尺寸之间的关系。
声音与墙壁、屏障、扩散体和吸声体的相互作用正是如此。一块50毫米的声学板,对于4000Hz的波长(86毫米)来说尺寸巨大,但对于125Hz的波长(2.7米)来说则微乎其微。它在不同频率下的有效性,直接取决于这种尺寸关系。
波长(λ)与频率(f)以及声速(c)的关系如下:
lambda = c / f λ = c / f
在20摄氏度的空气中,声速约为343米/秒。由此可得:
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频率 |
波长 |
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20 Hz |
17.15 m 17.15米 |
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63 Hz |
5.44 m 5.44 米 |
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125 Hz |
2.74 m 2.74 米 |
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250 Hz |
1.37 m 1.37 米 |
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500 Hz |
0.686 m 0.686 米 |
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1000 Hz |
0.343 m 0.343 米 |
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2000 Hz |
0.172 m 0.172 米 |
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4000 Hz |
0.086 m 0.086米 |
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8000 Hz |
0.043 m 0.043 米 |
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20000 Hz |
0.017 m 0.017米 |
可听声的波长范围约为17米(低于两层楼高)至17毫米(小于一枚硬币)。这个千倍级的波长范围正是声学设计需要高度依赖频率的原因——同一房间、同一材料、同一几何结构,在不同波长下会形成截然不同的声学环境。
因为波长取决于声速,而声速又取决于温度,所以波长也会随温度变化:
c = 331.3 + 0.606 × T(单位:米/秒,T 单位:摄氏度)
在0摄氏度时,1000Hz的波长为0.331米;在30摄氏度时,波长为0.349米。根据ISO 3382-2:2008标准,大多数建筑声学计算均采用20摄氏度的标准参考温度(声速c = 343米/秒)。
吸声厚度
多孔吸声材料(矿棉、泡沫塑料、玻璃纤维)的厚度至少为其需吸收声波波长的四分之一时效果最佳。在1000Hz(波长λ=34厘米)时,9厘米厚的板材约为四分之一波长,吸声效果良好。而在125赫兹(波长λ=274厘米)时,要达到相同的四分之一波长吸声效果,需要69厘米厚的板材——这也是低频吸声极具挑战性的原因。
障碍物周围的衍射
声波会在尺寸与波长相当或小于波长的障碍物周围发生衍射。一道2米高的隔音屏障能有效阻挡4000Hz的声波(波长=8.6厘米),但对63赫兹的声波(波长=5.4米)几乎没有影响,后者会绕过屏障传播,仿佛屏障不存在。
扩散体设计
二次剩余扩散体的工作频率范围由其凹槽的深度和宽度决定。最大凹槽深度决定最低有效频率(约为λ/4),而凹槽宽度决定最高有效频率(约为λ/2)。
房间模式。当房间的尺寸等于半波长的整数倍时,会形成驻波。一个长度为5米的房间,其第一阶轴向模式对应的频率满足半波长为5米:f = 343 / (2 × 5) = 34.3 Hz。
面板吸声体调谐
膜式吸声器会调谐至特定频率以产生共振,在该频率下,其面板质量与空气腔深度与目标频率形成半波长或四分之一波长的关系。
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