第六章 吸声

第六章吸声第一节吸声材料和吸声结构第二节吸声测量第三节吸声设计第一节吸声材料和吸声结构材料的吸声性能可用吸声系数α来表示，吸声系数α的定义为被材料吸收掉的声能与入射声能之比，即（6-1）完全反射的材料，吸声系数α=0；完全吸收的材料，吸声系数α=1；一般材料的吸声系数都在0和1之间，即0＜α＜1。吸声系数的大小，除了受材料本身性质的影响外，还与材料的安装方式（背后有无空气层、空气层的厚度以及固定方式等）入射声的频率以及声波的入射角度有关。吸声材料就其广泛的涵义来说，是指一些可以有效地将声能转变为其他形式能的材料；而用声学术语来说，是指在125、250、500、1000、2000、4000Hz6个倍频带的平均吸声系数大于0.2的材料。吸声材料经由不同的物理过程进行能量转换，因而具有不同的吸声机理。入射反射入射入射吸收EEEEE根据不同的吸声机理，可将吸声材料和吸声结构分为以下几类。一、多孔材料二、柔性材料三、膜状与板状材料四、共振吸声结构一、多孔材料多孔材料的构造特征是在材料中有许多微小的间隙和连续的孔洞，这些间隙和孔洞具有一定的通气性能。当声波经过材料表面入射到内部时，就会引起孔隙中的空气运动，空气的粘滞性以及孔隙中的空气和孔壁与纤维之间的热传导导致产生热损失，从而使相当一部分声能转变为热能而被消耗掉，这就是多孔材料的吸声机理。常用的多孔材料有玻璃棉、矿渣棉、岩棉、毛毡、木丝板和吸声砖等。多孔材料的吸声性能与材料的厚度、密度、背后空气层的厚度以及入射声波的频率有关。多孔材料的吸声系数一般都随着频率的增加而增大，在一定的频率下大致要达到固定值。多孔材料的厚度对吸声性能也有影响。若将多孔材料装置在离刚性壁一段距离处，即在其间留有一定厚度的空气层，则它的吸声系数就会增大。当空气层的厚度近似等于二分之一波长的整数倍时，吸声系数最小。另外，不同的温度和湿度对多孔材料的吸声性能也有一定的影响。二、柔性材料柔性材料是指内部具有许多微小的独立气孔的材料以及泡沫塑料。柔性材料基本上没有通气性能，在一定程度上具有弹性。它的吸声机理是，声波入射到材料表面时，很难透入到材料的内部，而只是使材料作整体的振动，从而为克服材料内部的摩擦而消耗了声能，引起声波的衰减。柔性材料的高频吸声系数很低，中低频吸声性能类似于共振吸收。三、膜状与板状材料膜状材料是指聚乙烯薄膜或几乎没有通气性能的帆布等类的材料，它本身的刚度很小，在受拉力处于张紧状态时具有一定的弹性。板状材料是在胶合板、硬质板、石膏板、石棉水泥板等板材的背后设置空气层，并把它们的周边固定在框架上。在一定的范围内，膜状材料和板状材料的吸声机理是一样的，即当入射声波的频率同材料的固有频率一致时，两种材料都会发生共振，由于内部摩擦而消耗声能。由板状（或膜状）材料与其后设置的空气层组成的吸声结构，可用于吸收低频噪声，其共振频率（固有频率）f0为（6-2）式中f0——共振频率，单位为Hz；ρs——板（膜）的面密度，单位为kg/m2；D——板（膜）后的空气层厚度，单位为cm。Dfs6000共振吸声结构主要有薄板共振吸声结构、单腔（亥姆霍兹共振腔）吸声结构以及穿孔板共振吸声结构等。（一）薄板共振吸声结构主要特点是有较大的低频吸收，但单纯利用由板和空气层构成的结构，其吸声系数不高。如果在空气层中填充一些多孔材料，则可以使吸声系数显著提高。四、共振吸声结构（二）单腔共振吸声结构单腔共振吸声结构是由腔体V与颈口d组成的，腔体通过颈口与外部空气相通。当声波入射到单腔时，入射声能将激起孔洞处的空气分子作往复运动，孔洞处的摩擦阻力消耗声能。如果入射声波的波长大于共振腔的尺寸，则其共振频率为（6-3）VLScfK20单腔共振吸声结构的最大特点是吸收频带窄，因此可以用于消除具有明显音调的低频噪声。如果要使在共振频率附近较宽的区域内有良好的吸声性能，可以在颈口处放置一些诸如玻璃棉之类的多孔材料，或贴一层薄布等，以增加颈口部分的摩擦阻力。（三）穿孔板共振吸声结构穿孔板共振吸声结构是由穿孔的板和板后的空气层组成的，可以看作是由许多个单腔并联在一起。它的吸声机理实际上包括薄板吸声机理和单腔共振吸声结构机构两个方面，它的最高吸声系数也出现在共振频率f0处，而f0的计算公式与公式6-3类似，（6-4）式中D——穿孔板后空气层的厚度，单位为cm；Lk——Lk=t+0.8d；t——板厚，单位为cm；d——孔径，单位为cm；p——穿孔率（穿孔面积/总面积）×100%。穿孔板共振吸声结构比单腔式的结构简单，而且能在比较宽的频率范围内得到令人满意的吸声效果。但在实际使用中，由于穿孔板吸声结构的性能不易控制，因此常用做多孔材料的护面板。用作护面板的穿孔板，孔径一般为3~10mm，穿孔率大于20%。DLpcfK20五、微穿孔板微穿孔板是指在厚度不大于1mm（一般为0.2~1mm）的薄板上，在每平方米面积穿以上万个甚至几万个直径小于1mm的孔（穿孔率一般为1%~3%），并与板后一定厚度的空气层构成一定的结构。六、吸声体空间吸声体是一种分散悬吊于房间天花板下方的高效吸声结构。吸声体可做成板状、球状、圆柱状、圆锥状、棱锥状、多面体状和楔状等多种形状。第二节吸声测量吸声测量的测量频率范围一般为100~4000Hz，在测量频率范围内，其频带宽度为1/3倍频程或倍频程。吸声测量主要有两种方法，即驻波管法和混响室法。一、驻波管法（6-5）（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）（6-10）11nnrplcf2下minmaxppn201pr2140nnDcf84.1上二、混响室法混响室法要求试件的面积为10m2，试件的边缘距混响室墙面至少1m。声源可用啭音或白噪声，发声与接收均经过1/3倍频程滤波器或倍频程滤波器。测量室内放置吸声材料前后的混响时间T0和T，再用下式求出吸声材料在无规入射条件下的吸声系数αr，即（6-11）式中V——混响室的体积，单位为m3；S——试件的面积，单位为m2。混响时间T60是指声能衰减60dB所需要的时间。如果我们假设声能衰减d（单位为dB）所需要的时间为t（单位为s），则混响时间T60（单位为s）可用下式表达（6-12）011161.0TTSVrtdT6060三、两种吸声系数之间的关系在实际工程上，设计吸声结构时应按无规入射吸声系数αr值计算，因此，在使用吸声材料时，首先应该了解它的吸声系数是用什么方法测定的。如果是用驻波管法测定的法向入射吸声系数α0，则可按图6-13算出αr值。例如已知某多孔材料的法向入射吸声系数α0=0.4，在图6-13横坐标α0=0.4处画一条垂线，交曲线于A点，再有A点作水平线交纵坐标αr/α0于1.55处，即αr/α0=1.55，因此αr=α0×1.55=0.4×1.55=0.62法向入射吸声系数α0的测试比较方便，由于它不需要很多材料，也不需要加工试件，因此，多用于产品质量检验和科学研究等方面。而无规入射吸声系数αr，虽然可作为实用的设计吸声结构的依据，但是它的测试比较麻烦，10m2的试件需要用很多材料加工制成，因此，αr的数据大部分是由α0的数据换算得到的。第三节吸声设计吸声设计是噪声控制设计中的一个重要方面。在由于混响严重而使噪声超标或者由于工艺流程及操作条件的限制，不宜采用其他措施的厂房车间，采用吸声减噪技术是现实有效的方法。另外，隔声和消声器技术，也都离不开吸声设计。一、设计原则吸声处理的主要适用范围为：（1）室内表面多为坚硬的反射面，室内原有的吸声较小，混响声占主导的场合；（2）操作者距声源有一定距离，室内混响较大的场合；（3）要求减噪点虽然距声源较近，但用隔声屏隔离直达声的场合。二、基本设计公式在一般室内声场中，离声源一定距离处的声压级Lp，可以采用下式进行估算（6-13）式中Lw——声源的声功率级，单位为dB；r——计算处到声源的距离，单位为m；Rr——房间常数，Rr=，单位为m2；S——室内总表面积，单位为m2；——室内平均吸声系数；——声源指向性因数。rwpRrRLL44lg102R若吸声处理前后的房间常数分别为、分别为相应的室内平均吸声系数，则在离声源足够远处最大的吸声减噪量可按下式计算（6-14）室内吸声处理的平均减噪量可按下式计算（6-15）或（6-16）式中T1、T2——处理前后室内的混响时间。pL2221111,1SRSRrr12，、maxpL211212max11lg10lg10rrpRRL12lg10pL21lg10TTLp三、设计方法需要作吸声设计的房间大致可分为两种情况：（1）已有声源，对受到它的干扰的房间进行改建；（2）新建一个房间封闭噪声源。针对这两种情况的具体设计步骤如下：（1）房间改造设计1）测量室内的噪声现状；2）计算或实测吸声处理前室内平均吸声系数及房间常数；3）由相应的噪声标准确定离声源一定距离处的允许噪声级，求出所需的吸声减噪量；4）根据所需的吸声减噪量，利用公式6-14，计算所需的房间常数和平均吸声系数的值。5）选择适当的吸声材料或吸声结构，在室内天花板及墙面作必要的吸声设计，使其达到所需的平均吸声系数。11rR2rR22（2）房间新建设计在这种情况下只要推断出没有经过吸声处理时的室内平均吸声系数和室内设置噪声源时室内噪声的状态，就可以如同“房间改造设计”一样进行设计。吸声设计的减噪效果可用吸声减噪量及室内工作人员的主观感觉效果来评价。吸声减噪量一般应通过实测或计算吸声处理前后室内相应位置的噪声水平（A、C声级和125~4000Hz6个倍频程声压级）得到。条件允许时，也可以通过测量混响时间以及声场衰减等方法求得吸声减噪量。