4.5.1 听觉
1.听觉的生理基础
了解耳朵的构造及其生理机制才能知道听觉刺激的特性。
耳朵包括外耳、中耳和内耳三部分。外耳由耳郭和外耳道组成。耳廓有收集声波的作用，外耳道是声音传入中耳的通道。中耳包括鼓膜、鼓室和听小骨。鼓膜在外耳道的末端，是一片椭圆形的薄膜，厚约0.1mm。当外面的声音传入时即产生振动，把声音变成多种振动的“密码”传向后面的鼓室。鼓室是一个能使声音变得柔和而动听的小腔，腔内有3块听小骨，即锤骨、镫骨和砧骨。听小骨能把鼓膜的振动波传给内耳，在传导过程中，能将声音信号放大十多倍，使人能听到细微的声音。鼓室下部有一条咽鼓管，通到鼻咽部，当吞咽或打哈欠时管口被打开，使鼓膜两侧气压保持平衡。
内耳由耳蜗、前庭和半规管组成，结构复杂而精细，管道弯曲盘旋，也叫“迷路”。其中耳蜗主管听觉，前庭和半规管则掌握位置和平衡。耳蜗是一条盘成蜗牛状的螺旋管道，内部有产生听觉的“基底膜”。基底膜上有2.4万根听神经纤维，其上附着许多听觉细胞。当声音振动波由听小骨传导至耳蜗以后，基底膜便把这种机械振动传给听觉细胞，产生神经冲动，再由听觉细胞把这种冲动传到大脑皮层的听觉中枢，形成听觉，使人能听到来自外界的各种声音。
2.声音与听觉
（1）声源。物体的振动产生了声音，故任何一个发声体都可称为“声源”。但声学工程所指的“声辐射体”，主要有以下四种类型：
①点声源或单声源。点声源产生最简单的声场。如人的嘴、各种动物发声器官、扬声器、家用电器、汽车喇叭和排气口、施工机械、大型风扇等。这一类声源的线度要比辐射的声波波长小得多。
②线声源。在实际生活中，火车、汽车、摩托车、车间及成排的机器所产生的声音。这种声源是指沿轴线两端延伸至很远的声源。
③面声源或声辐射面。真正可以称为巨大的平面辐射体的是波涛汹涌的大海。在实际生活中，如运动场中成千上万观众的呼喊声，车间里机器声的反射墙面、剧场观众厅的反射墙面等所产生的声源。
④立体辐射声源或发声体。在现实中，一群蜜蜂发出的声音，室内排列的立体方位的“声柱”等所形成的声源。
室内环境中，声源主要是人群、家具、电器、设备（电梯、送排风管道、抽水马桶水箱、风扇、空调、荧光灯镇流器等等），多数情况下都可视为点声源。
（2）可听声。物体振动带动周围媒体（主要是空气）的波动，再由空气传给耳朵而引起感觉。这种声波的刺激作用对于耳的生理机能来说，不是都能感觉到或是都能接受的。太弱的声波不能引起听觉，太强的声波耳朵受不了。因此人耳能听到的声音有一个频率范围，声音频率范围是20-20000Hz，其声压级从0-120dB。
小于20Hz的声波称为次声，如一般钟表弹簧的摆动，它不易引起人的听觉。20～20000Hz的声波，如机器的振动，由冲击波或地震波而引起的地球振动，心脏的规律跳动以及乐队的乐音和歌唱声等等，其频率均属这个范围，都能引起听觉。
从20kHz一直延伸到“无穷大”的范围，这种声波称为超声。这个范围内的声音人们不能用听觉器官去直接感受它。但是，同次声一样，我们可以用相关的仪器来测量到。
在室外环境中，绝大多数声源发出的声音均在可听声范围内，只有少数声源会产生次声，如电冰箱等。超声一般都来自室外，它对室外环境的干扰程度取决于建筑围护结构的隔声性能。
（3）声的物理量与感觉量：
声的物理量和感觉量。
将声压级和频率相同的感觉量绘成曲线，称为等响曲线，由此，可清楚地看出人耳对可听声的声压和频率的感觉程度。
图中最下边的虚线表示可听界限的最小可听值，即可听阈。并不是所有人在这个界限内都能听到声音，一般是10方左右才开始听到声音。从等响曲线可以看出，人的听力对于3-5kHz声音的听觉最敏感，无论在此限以上或以下，其敏感度都会逐渐下降。
（4）噪声级大小与主观感受。声音的强弱，即声强的大小对人耳的刺激会产生不同的感觉，太弱的声音听不到，过强的声音使人耳造成损伤，产生耳痛，甚至耳聋。不同的噪声级产生的主观感觉。
从以上可以看出，尽管人耳的听声范围很广，但能引起听觉又不损伤耳机体的声音，其声压级是40-80dB，频率从100-4000Hz，而其中频率为3000-4000Hz的听觉最敏感。超过这个范围的声音会给人带来烦恼或造成耳的损伤。
（5）噪声对人的影响。听觉的基本机能是传递声音信息和引起警觉。考虑到对人体活动的影响，声音可分为两大类：有用声或有意义的声音；干扰声或无意义的声音。
噪声就是干扰人的声音，噪声是引起人烦恼的声音。
噪声可引起：警觉、睡眠干扰，心理应激（通过网状激活系统刺激脑的自律神经中枢，引起内脏器官的自律反应，如心率加快等）。噪声还可干扰人们之间正常的语言交流。
既然噪声是一种干扰人的声音，那么其对人的工作会产生影响，降低人的作业效能。在分析噪声对作业的影响时还要考虑以下因素：
①噪声的强度；
②噪声的性质；
③噪声中也可能包含着有用信息，如机器噪声（监视发电机工作需要分辨噪声信息）；
④作业性质。
噪声更多的是损害人的作业效能。如噪声对于一些要求高技能和处理许多信息等复杂的脑力劳动都起着干扰作用；噪声妨碍人学习精细灵巧的活动；间断性和无法预料的强噪声（90dB以上），可使脑力活动迟钝。对一些工厂的研究还发现：加工车间的噪声降低20dB，废品率下降50%；装配车间的噪声降低20dB，生产率提高30%；打字室的噪音降低25dB，打字错误下降50%。这些研究说明了控制噪声的重要意义。
次强噪声只引起短时的听力丧失。经常发生短时的听力丧失，就会导致永久性的听觉丧失，称为噪声聋。内耳的感声细胞受噪声影响逐步退化是出现永久听力丧失的原因。90dB以上的噪声对听力有损害作用。人受噪声影响时会有如下生理反应：
①血压升高；
②心率加快；
③皮下血管收缩；
④代谢加快；
⑤消化减慢；
⑥肌肉紧张。
人的听觉系统的两个机能之一仍是引起警觉。噪声对人的情绪影响很大，这种情绪会引起强烈的心理作用。
人的体力恢复是身体健康的基本保证，睡眠、休息有利于体力恢复。如果噪声对自律神经系统的刺激作用不限于工作时间，以至于影响了休息，则人在应激和恢复之间就会失去平衡，易造成慢性病、作业效能下降。
3.听觉特征
根据声音的物理性能、人耳的生理机能、听觉的主观心理特征，与建筑环境声学设计关系密切的听觉特征主要表现在以下几个方面：
（1）听觉适应。具有正常听力的健康青年（年龄在12-25岁之间），能够觉察16-20000Hz的声音；25岁左右对于15000Hz以上频率的声音灵敏度则显著下降。随着年龄的增长，频率感受的上限逐年连续下降，这叫老年性听力衰减。
除了年龄变化之外，个人的生活习惯、营养及生活紧张程度，特别是环境噪声的积累对听力的影响也很大。如我国纺织业的女工其平均听力都比较差。
人对环境噪声的适应能力很强。对于健康人来讲，在安静的环境中住惯了，搬到喧闹环境中居住，开始时不适应，然而住久了也就习惯了。反过来再搬回原处住，开始还会不习惯，感到寂寞。但人对噪声积累的适应是不利于健康的，特别是噪声很大的适应，会造成永久性耳聋。
因此，室内声环境设计时，首先要控制噪声，然后再进一步考虑室内音质。
（2）听觉方向。物体的振动产生了声音，声音的传播具有一定方向性，这是声源的重要特性，声源在自由空间中辐射出的声波分布有很多的变化，但大多数均有下列特征：
①当辐射声音的波长比声源尺度打得多时，辐射的声能是从各个方向均匀发射的。
②当辐射声音的波长小于声源尺度很多时，辐射声能大部分被限制在一相当狭窄的射束中，频率越高，声音越尖锐。
因此，礼堂中的扬声器发射低频声音时，所有听众几乎都能听到。但若频率较高，在扬声器轴线旁的听众便不能接收到足够的声能。人说话的声场分布也有类似的情况。
声源的方向性使听觉空间设计受到一定的限制。如果观众厅的座位面积过宽，则靠近边排一带的听众，将得不到一定的声级，至少对高频率情况是这样。尤其对前面几排，它们对声源所张的角度大，对边座的影响就更大。因此，大的观众厅一般都不采用正方形排座。
③音调与音色。音调是由主观听觉来辨别的。除了个体差异外，它与声音的频率有关。频率愈高，音调愈高；频率愈低，音调愈低。单纯的音调只包含一个频率，即所谓纯音。在音乐上，两个基频音，其高音调的频率与低音调的频率之比称为音程。如果两个音的音程为2，即一个音的频率比另一个音的频率高一倍，则两个音构成倍频程，音乐上叫八度，或八度音节。主观感觉的音调叫“美”（mel）。
物体振动所发出的声音是很复杂的，它包含一个基音和许多泛音，基音和许多泛音组成了一定的音色。泛音愈多，声音愈感到丰满动听，它衬托了基音或渲染了基音。
音调和音色对室内音质设计影响很大。如何使室内音场音质丰满悦耳，将涉及室内吸声材料的布置和声响系统的配置。
④响度级和响度。声音的声级或声压是一个客观的物理量，它与发生在主观心理上的感觉并不一致。强度相同而频率不同的两个纯音，听觉所感受到的可能不一样响，强度加倍的声音听起来也不一定加倍的响。用来描述主观感觉上的量，称为响度级。它是根据一个纯音的频率和声压级的关系来制定的，这些曲线称为等响曲线。这是在良好条件下根据许多听觉正常听音，对于不同频率的纯音与1kHz的音调比较得出的，其单位是方（Phon），即响度级单位。
一般训练有素的听者不但能判断两个声音中哪个较响，并且还能相当肯定地辨别出相差多少。量度一个声音比另一个声音响多少的量称为响度，它的单位是“宋”（Sone）。
根据有关测试统计，如有一声音的响度级为40方，它的响度为1000毫宋或1宋，从图中可以看出，在40方以上，响度和响度级的曲线近似一直线，每改变30方，相应的响度将改变10倍，响度级改变9方，响度改变2倍。
这种响度和响度级的关系，对室内隔声很有意义，如果在一室内将噪声响度级自60方减到51方，听起来噪声的响度已减低了一半。需要说明的是，等响曲线仅适用于纯音，响度级和响度的关系曲线可适用于纯音，也可适用于含几个频率的声音。
⑤听觉与时差。试验证明，人耳感觉到声音的响度，除了同声压及频率有关，还与声音的延续时间有关。例如有两个性质一样的声音，它们的声压级，一个是短促的、重复的10ms宽的窄脉冲声，间隔时间为100ms；另一个是200ms的宽脉冲声，每隔20ms重复一次，这两个声音对于人耳的听觉来说，它们的响度是不一样的。前一种声音是间断的一个一个的脉冲声，而后一种听起来几乎是连续的。这是耳朵对声音的暂留作用，即声觉暂留。从听觉试验得出，如果两个声音的间隔时间（即时差）小于50ms，耳朵就无法区别它们，就重叠在一起。当室内声音多次连续反射到人的耳朵无法区别，这种现象称为混响。因此为了避免听到一前一后两个重复的声音（如回声等），必须使每个声音到达人耳的时差小于50ms。
在室内，由于有不同界面的存在，可能使声音传播形成多次反射，如果这些反射声能在直接声到达后50ms之内到达，那么这些反射声是有益的，它可以增强响度。如果是50ms以后的反射声，只能产生混响的感觉，对加强直接声没有帮助，个别突出的反射声还会形成回声。
⑥双耳听闻效应。传声器所拾的音和我们用一只耳朵的听音很相似，称为单耳听闻。我们平时习惯以双耳听闻，声音到达两耳的响度、音品和时间是各不相同的。由于这些差别使得我们能辨别不同地点的各种声音的声源位置，并将注意力集中到这些声源，而对于来自其他方面的声音则不大注意。由于有这样的双耳听闻效果，反射声就无意识地被掩蔽或被压低了，从而保证正常的听闻。如果是单耳听闻，这种效果会立即消失。
⑦掩蔽效应。掩蔽效应是耳朵的一种特征。它是一声音的听阈因另一声音的存在而上升的现象。例如人们在观看演出的时候，如果没有噪声的干扰，便可听得很清楚。一旦从休息厅或其他房间传来噪声时，人们对演唱听起来就很吃力，除非将演员的发声响度提高到超过噪声的声级。也就是说，由于噪声的干扰使听阈提高了。这种现象在繁华街道中的电话亭里，在织布车间里，在嘈杂的商店里都会存在，在这样的噪声背景下，人们很难听清楚别人的讲话声。
这些现象均说明噪声有掩蔽作用。噪声的掩蔽量大小，不仅决定于它们的总声压，并且与它们的频率组成情况有关。强烈的低频声音（具有80分贝以上的声压级）对于所有高频率范围内的声音有显著的掩蔽作用。相反，高音调的声音对于频率比它低的声音掩蔽作用较弱。例如交响乐队中具有高频特性的小提琴就容易被其他低频特性的管弦乐器掩蔽。相反的在强烈的高音调啸声下，可以毫不困难地听到较弱的低音调声音，如语言等。当掩蔽声与被掩蔽声的频率几乎相等时，这时一个声音对另一个声音的掩蔽最大。
噪声对语言的掩蔽不仅使“听阈”提高，也对语言的清晰度有影响。当噪声的声压级超过语言级10-15dB时，人们必须全神贯注地倾听才能听清楚，这很容易造成听者的疲劳。随着噪声级的提高，清晰度逐渐降低。当噪声超过语言级20-25dB时，则完全听不清。这种影响还因频率不同而异。一般语言的可懂度最为重要的频率是在800-2500Hz之间，如果噪声的频率也在此范围内，则影响最大。
人耳的掩蔽效应进一步说明控制噪声的重要性。室内设计时，要尽可能地降低环境本底噪声；另一方面，在室内声学设计时，如背景音乐的音响系统设置、大型乐队的演出，则要避免有用信号的声音互相掩蔽。另外，人们也可以利用掩蔽效应在噪声的环境里用音响系统的声音来掩蔽场内喧闹的嘈杂声。
⑧声音的记忆和联想。救护车或巡警车驶过发出的警笛或警铃声、雷雨交加的雷鸣声、枪声或爆破声，当人们听到、见到后，再从电声系统中听到这些声音后就会使人记忆起实际的情景而产生恐惧或紧张。这种干扰也不决定于重放系统的声强，而是声音的记忆所产生的作用。如果受影响的人在睡眠状态下被这些声音惊醒，其干扰程度会急剧增加。然而，能引起刺激和令人厌烦的不只是各种噪声，如果某些“声记忆”可以使人联想到一些可怕的事件，那么美妙的声音也会引起人们强烈的反应。尤其是那些为人们所不熟悉的声音或者是人们不习惯的声音，它们所产生的刺激往往比声级相同，但却为人们所熟悉的声音要强得多。
人对声音的记忆和联想的特征，对室内外景观和环境声学设计同样有实际意义。如在室内某处设计了一个山水灯光景点，如果配上潺潺流水的背景声，则景点会更加动人。如果将背景音乐设计成树叶飒飒、虫叫鸟鸣的声音，则会使人仿佛置身于大自然的环境中。还可以利用声音的联想和记忆去给病人治病等等。
4.5.2 听觉环境
室内听觉环境包括两大类，一类是音响、声学设计的问题。另一类是如何消除噪声，即噪声控制。
1.室内噪声控制
噪声控制主要从三个方面着手，即声源、声音的传递过程和声音的接收（即个人防护）。
（1）控制声源。控制噪声源是减低室内噪声最有效的方法。首先要在建筑规划时就要考虑室外环境噪声对室内的影响。设计前要做好调查工作，将环境噪声的强度和分布情况制定出“噪声地图”。力求使室内对音质要求高的房间远离噪声源。办公室、绘图室和所有进行脑力作业的房间应尽量安排在离噪声远的地方。设计时，应将噪声大的房间尽量远离要求集中精力和技能的房间，中间用其他房间隔开作为噪声的缓冲区。
对于室内噪声源的控制也可以采用以下三种方法：
①降低声源的发声强度。主要是改善设备性能。车间里的机器设备要尽可能采用振动小、发声低的机器。对于民用建筑的空调设备、特别是冷水机组的压缩机，要尽可能选用噪声小的机器。对于在道路、办公区、商业区及住宅区内的机动车，要限制其喇叭声。
②改变声源的频率特性及其方向性。对于机器设备的声源主要由制造厂家改进设计，而对使用单位主要是合理的安装，尽可能将设备的发声方向不要同声音的传播方向一致。
③避免声源与其相邻传递媒质的耦合。这主要是改进设备的基座，减少固体声的传播。最有效的方法是设置减震装置。可以通过加固、加重、弯曲变形等手法处理产生噪声的振动体；也可采用不共振材料来降噪。所以，重型机械必须牢固地固定在水泥和铸铁地基上，也可安装在带消声隔层的地基上。根据机器的类型，可使用弹簧、橡胶、毛毡等消声材料。
此外，在有多种声源同时存在的情况下，根据噪声级的叠加原理，即总噪声级不等于各个声压级的代数和，而是等于各个声源声压的方均根值。故噪声控制时，首先要控制最强的噪声源。
（2）控制声音的传递过程。声音的传递主要是空气传递和固体传递。
①增加传递途径。随着传递时间的增加或传递距离的增加，声音的声强会逐渐减弱，故尽可能将噪声源远离使用者停留的地方。如民用建筑中采用分体式空调，将噪声大的声源作为室外机组置于户外，将电冰箱远离卧室放在厨房中，将车库或空调设备置于地下室，将冷却设备置于屋顶，等等。
②吸收或限制传递途径上的声能。主要是采用吸声处理。在有声源的房间里，将顶棚和墙面布置吸声材料，房间的墙和顶棚上安装吸音材料可进一步消声。其作用是吸收部分声能，减少声音反射和回声影响。
在以下情况下可考虑安装吸音板：
a.安装吸音板后可使房间回声时间下降1/4，办公室回声时间下降1/3；
b.房间高度低于3m；
c.房间高于3m，但体积小于5000立方米。
目前，吸音板主要用于50m2以上的办公室、财务室、出纳室和银行等。
除此之外，还可以做隔断、绿化等防噪措施。室内绿化和隔断能够阻挡、吸收声音的传播，达到一定程度的降噪作用。不同材质的吸音系数。
③利用不连续媒质表面的反射和阻挡。主要是采用隔声处理。
2.隔声
隔声的方法主要有三种形式：
（1）对声源的隔声可采用隔声罩。
（2）对接收者的隔声。可采用隔声间的结构形式。如空调机房、锅炉房等噪声源强的地方，可为工作人员设置独立的控制室，使其与噪声源隔开。
（3）对噪声传播途径，可采用隔声墙与声屏的结构形式。如在织布机旁设置隔声屏，对防止噪声传播和叠加会收到很好的效果。隔声屏的位置应靠近噪声源或接收者，并做有效的吸声处理。墙的自重要大，为了便于电源引线和维修，可在隔声墙上开口，但开口面积不能超过隔声间面积的10%。
建筑中，设计两个房间的隔层时应考虑墙、门、窗及天窗等对噪音的隔声作用。
4.5.3 室内音质设计
室内音质设计的根本目的就是根据声音的物理性能、听觉特征、环境特点，创造一个符合使用者听音（拾音）要求的良好的室内声环境。这些建筑环境一般指音乐厅、剧院、会堂、礼堂、电影院、体育馆、多功能厅等公共建筑，以及录音室、播音室、演播室、实验室等具有声音要求的专业用房。关于住宅等一般民用建筑和工业建筑，其室内的声环境主要是噪声控制和隔振问题。
室内音质设计是要保证这些室内场所没有音质缺陷和噪声干扰，同时要根据室内环境的使用要求，保证声音具有合适的响度、声能分布、一定的清晰度和丰满度。因此，在设计前要根据使用要求，制定出合适的声学指标，在设计时应与规划、工艺、建筑、结构设备等各工种密切配合，以便经济合理地满足声学要求。
室内音质设计的内容和步骤是：
1.噪声控制
（1）确定厅堂内允许噪声值。在通风、空调设备和放映设备正常运行的情况下，根据使用性质选择合适的噪声值。列出了不同地方允许的极限值。
（2）确定环境背景噪声值。要求到建筑基地实地测量环境背景噪声值，如果有噪声地图的话，还要结合发展规划（包括民航航线）作适当的修正。
（3）环境噪声处理。首先要选择合适的建筑基地，结合总图布置，使人群远离噪声源，再根据隔声要求选择合适的围护结构。
（4）建筑内噪声源处理。尽量采用低噪声设备，必要时再加防噪处理。
（5）隔声量计算和隔声构造的选择（参阅有关建筑声学教材和专著）。
2.音质设计
（1）选择合理的房间容积和形态。首先根据人在室内环境中的行为要求确定室内空间的大小，再根据视觉、听觉等的要求调整室内空间形态。不能满足声学要求时，再配以扩声系统。一般采用几何声学做图法，判断空间形态是否存在回声、颤动回声、声聚焦、声影区等音质缺陷，对可能产生缺陷的界面做几何调整或采用吸声、扩散等手法加以处理。
（2）反射面及舞台反射罩的设计。利用舞台反射罩，台口附近的顶棚、侧墙、跳台栏板、包厢等反射面，向池座前区提供早期发射声。
（3）选择合适的混响时间。根据房间的用途和容积选择合适的混响时间及其频率特性，对有特殊要求的房间采取可变混响的方式。
（4）混响时间计算。按初步设计所选材料分别计算125、250、500、1000、2000和4000Hz音频的混响时间，检查是否符合选定值。具体计算请参阅有关书籍。
（5）吸声材料的布置。结合室内视觉要求，从有利声扩散和避免音质缺陷等因素综合考虑。
听觉与听觉环境的交互作用只是室内环境设计的一个问题，故室内音质设计还须同其他知觉要求结合起来，综合处理。
（6）背景音乐。声音有兴奋大脑的作用，尤其在工作单调的情况下。
音乐有鲜明的节奏，有规律的声强变化，使整个人体处于兴奋状态。而刺激性和节奏很强的音乐也能分散人的注意力。所以音乐只适合于重复单调的工作。背景音乐起源于美国。是一种在政府机关、商店、候车室、旅馆甚至宿舍内播放的持续不断的、声音极轻，不被人注意的音乐。它的作用是把人包围在一个和谐愉快的气氛里而不分散人的注意力。背景音乐也适合于脑力作业。
