建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析

朱炳寅，中國建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究院副總工程師；第四結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究室主任；教授級高級工程師；一級注冊結(jié)構(gòu)工程師；香港工程師學(xué)會(huì)會(huì)員。從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二十余年，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人完成的主要工程有：北京名人廣場寫字樓、北京建宏大廈和福建廣播電視中心、青藏鐵路拉薩站站房、莫斯科中國貿(mào)易中心等。

1 荷載

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6 鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7 筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

附錄……

隨著《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析》作者執(zhí)筆的三《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析》相繼出版發(fā)行，即《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新規(guī)范綜合應(yīng)用手冊》（第二版）、《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用圖解手冊》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析》；作者博客的開通；及作者在國內(nèi)主要城市的巡回宣講．作者有機(jī)會(huì)通過博客、郵件、電話與網(wǎng)友和讀行交流，就大家感興趣的工程問題進(jìn)行計(jì)論，現(xiàn)將作者對這類問題的理解和解決問題的建議歸類成冊，以回報(bào)廣人網(wǎng)友和讀者的信息與厚愛。其目的是對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員遵從規(guī)范解決問題時(shí)有所幫助；也希望對備考注冊結(jié)構(gòu)工程師的考生有所啟發(fā)。

音頻測量一般包括信號(hào)電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數(shù)。大部分音頻參數(shù)都可以由這幾種基本參數(shù)組合而成。音頻分析可以分為時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等幾類。由于信號(hào)的諧波失真對于音頻測量比較重要，因此將其單獨(dú)歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測量和音頻分析。

音頻分析儀基本參數(shù)測量

音頻測量中需要測量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測試可以分為均方根電壓(RMS)、平均電壓和峰值電壓等幾種。

頻率是音頻測量中最基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時(shí)鐘作為基準(zhǔn)來測量信號(hào)的頻率。測量頻率時(shí)，在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)的輸入信號(hào)和基準(zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)計(jì)數(shù)，然后將兩者的計(jì)數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率就得到信號(hào)頻率。隨著微處理芯片的運(yùn)算速度的提高，信號(hào)的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計(jì)算得到。

信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標(biāo)，是信號(hào)的有效電壓與噪聲電壓的比值。信噪比的計(jì)算公式為：

2-1

在實(shí)際測量中，為方便起見，通常用帶有噪聲的信號(hào)總電壓代替信號(hào)電壓計(jì)算信噪比。

音頻分析儀時(shí)域分析

時(shí)域分析通常是將某種測試信號(hào)輸入待測音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號(hào)的時(shí)域波形來評定設(shè)備的相關(guān)性能。最常用的時(shí)域分析測試信號(hào)有正弦信號(hào)、方波信號(hào)、階躍信號(hào)及單音突變信號(hào)等。例如將正弦信號(hào)輸入設(shè)備，觀察輸出信號(hào)時(shí)域波形失真就是一種時(shí)域分析方法。

方波分析具有良好的突變性及周期性，通過觀察設(shè)備對方波信號(hào)的輸出信號(hào)波形能夠很好的檢測設(shè)備的各項(xiàng)性能，因此方波信號(hào)成為最常用的時(shí)域分析信號(hào)。

階躍信號(hào)分析比較簡單，主要用來檢測音頻設(shè)備對于信號(hào)突變的響應(yīng)靈敏度。階躍信號(hào)分析的參數(shù)通常兩個(gè)，就是階躍響應(yīng)信號(hào)的上升時(shí)間和脈沖寬度。上升時(shí)間越小，設(shè)備對于信號(hào)突變的響應(yīng)越靈敏，瞬態(tài)特性越好;脈寬越小，設(shè)備的阻尼特性越好，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

正弦信號(hào)在某個(gè)時(shí)刻峰值突然升高，形成突變，就是單音突變信號(hào)。由于單音突變信號(hào)的能量集中在一個(gè)很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號(hào)檢測音頻設(shè)備在某個(gè)特定頻率的響應(yīng)情況。單音突變信號(hào)的主要用途是快速判定某些音頻設(shè)備，例如揚(yáng)聲器的阻尼特性等。

音頻分析儀頻域分析

頻域分析是音頻分析的重要內(nèi)容，頻域分析的主要依據(jù)是頻率響應(yīng)特性曲線圖。前面提到的正弦檢測、脈沖檢測及最大長度序列信號(hào)檢測都能夠得到設(shè)備的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)曲線圖反映了音頻設(shè)備在整個(gè)音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強(qiáng)；曲線谷底處頻率成分聲壓小、聲音弱。若波峰和波谷起伏太大，則會(huì)造成較嚴(yán)重的頻率失真。

音頻分析儀時(shí)頻分析

時(shí)頻特性描述了音頻設(shè)備在時(shí)間軸上隨著時(shí)間的變化其頻域特性的變化情況。時(shí)頻特性不僅在頻率的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，而且還在時(shí)間的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)特性。對于放音設(shè)備而言，主觀聽感的評述，如低音是否干凈，背景是否無損，層次是否分明，音場的深淺等均與音頻設(shè)備的時(shí)頻特性均有密切關(guān)系。音頻設(shè)備的時(shí)頻特性是客觀評價(jià)音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個(gè)很重要的方面。

音頻分析儀失真分析

音頻設(shè)備的失真包括諧波失真、互調(diào)失真、相位失真及瞬態(tài)失真等幾類。音頻測量中最重要的是諧波失真，諧波失真，簡單地說就是聲音信號(hào)經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來的額外的諧波成分。從聽眾的角度看，不同的發(fā)聲物體所發(fā)出的聲音是由不同的基波和諧波構(gòu)成的，聽眾可以根據(jù)聲音的特性分辨出發(fā)聲的物體。如果功率放大器將某種樂器所發(fā)出的樂音(樂音由基波和諧波組成)放大，經(jīng)揚(yáng)聲器放音后，對基波和各次諧波的波形形狀、幅值和相位均能無失真的重現(xiàn)出來，則可以認(rèn)為是高質(zhì)量的放音；否則，揚(yáng)聲器所放出的聲音聽起來煩躁、別扭，則諧波失真已經(jīng)達(dá)到無法忍受，甚至使人無法分辨發(fā)聲樂器的種類。因此，諧波失真是音頻設(shè)備的重要性能指標(biāo)。

諧波失真的測量方法有兩種，一種是以正弦信號(hào)輸入待測設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號(hào)的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡單的測量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號(hào)中的基頻成分，然后直接測量剩余信號(hào)的電壓，將其與原響應(yīng)信號(hào)作比較，就可以得到諧波失真。顯然第二種方法得到的諧波失真是THD N，由于采用了信號(hào)的總電壓值代替了基頻分量電壓值，因此得到的諧波失真比實(shí)際值偏小，且實(shí)際的諧波失真越大，誤差越大。

在實(shí)際的音頻測量時(shí)，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個(gè)頻率點(diǎn)，分別測量出各點(diǎn)的諧波失真，然后將各諧波失真數(shù)值以頻率為橫坐標(biāo)連成一條曲線，稱為諧波失真曲線。

音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是20Hz-20kHz，其中語音大約分布在200Hz-3kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對象，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過程。

各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，對于200－3000Hz之間的語音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語音識(shí)別，其用途是確定語音內(nèi)容或判斷說話者的身份；而對于20－20000Hz之間的全范圍的語音信號(hào)分析則可以用來衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來的全部過程中需要用到的各類電子設(shè)備，例如話筒、功率放大器、揚(yáng)聲器等，衡量音頻設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率響應(yīng)特性、諧波失真、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等。