第12章 材料和结构的声学特性

第12章材料和结构的声学特性

建筑声环境的形成及其特性，一方面取决于声源的情况，另一方面取决于建筑环境的情况。而建筑环境，一方面是指建筑空间，另一方面是指形成建筑空间的物质实体——按照各种构造和结构方式“结合”起来的材料以及在建筑空间中的人和物。材料和结构的声学特性是指他们对声波的作用特性。

12.1 吸声材料和吸声结构

应用场所：早前：音乐厅（一般不做吸声处理）、剧院、礼堂、录音室、播音室等。

后来：教室、车间、办公室、会议室等。

作用：1、缩短和调整混响时间

2、控制反射声

3、消除回声

4、改善音质，改变声场分布

5、用于控制噪声

12.1.1 吸声系数和吸声量

1）吸声系数

用以表征材料和结构吸声能力的基本参量通常采用吸声系数，以“α”表示，定义为：

α在0到1之间，数值越大，吸声能力越好。

吸声系数与频率有关，工程上通常采用125、250、500、1000、2000、4000Hz 六个频率来表示某一种材料和结构的吸声频率特性。有时也把250、500、1000、2000Hz四个频率吸声系数的算术平均值（取为0.05的整数倍）称为“降噪系数”（NRC）。

2）吸声量

用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的量是吸声量，它与构件的尺寸大小有关。A＝α*S

12.1.2吸声材料和吸声结构的分类

1）吸声材料的选用原则：

（1）、吸声系数高；

（2）、吸声频带宽；

（3）、材料的耐久性好。

（4）、材料的装饰性、防火防腐、防虫

驻、质轻、防潮等。

2）分类

吸声材料按吸声机理分为：

（1）靠从表面至内吸声材料部许多细小的敞开孔道使声波衰减的多孔材料，以吸收中高频声波为主，有纤维状聚集组织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。

（2）靠共振作用吸声的柔性材料（如闭孔型泡沫塑料，吸收中频）、膜状材料（如塑料膜或布、帆布、漆布和人造革，吸收低中频）、板状材料（如胶合板、硬质纤维板、石棉水泥板和石膏板，吸收低频）和穿孔板(各种板状材料或金属板上打孔而制得，吸收中频)。以上材料复合使用，可扩大吸声范围，提高吸声系数。用装饰吸声板贴壁或吊顶，多孔材料和穿孔板或膜状材料组合装于墙面，甚至采用浮云式悬挂，都可改善室内音质，控制噪声。多孔材料除吸收空气声外，

还能减弱固体声和空室气声所引起的振动。将多孔材料填入各种板状材料组成的复合结构内，可提高隔声能力并减轻结构重量。

12.1.3吸声材料

1、多孔吸声材料

（1）多孔吸声材料的类型包括：有机纤维材料、麻棉毛毡、无机纤维材料、玻璃棉、岩棉、矿棉，脲醛泡沫塑料，氨基甲酸脂泡沫塑料等。聚氯乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料不属于多孔材料，用于防震，隔热材料较适宜。

（2）构造特征：材料内部应有大量的微孔和间隙，而且这些微孔应尽可能细小并在材料内部是均匀分布的。材料内部的微孔应该是互相贯通的，而不是密闭的，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用。微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内。

（3）吸声特性主要是高频，影响吸声性能的因素主要是材料的流阻，孔隙，结构因素、厚度、容重、背后条件的影响。

a.材料厚度的影响任何一种多孔材料的吸声系数，一般随着厚度的增加而提高其低频的吸声效果，而对高频影响不大。但材料厚度增加到一定程度后，吸声效果的提高就不明显了，所以为了提高材料的吸声性能而无限制地增加厚度是不适宜的。常用的多孔材料的厚度为: 玻璃棉，矿棉50—150mm 毛毡4---5mm 泡沫塑料25—50mm

b.材料容重的影响改变材料的容重可以间接控制材料内部微空尺寸。一般来讲，多孔材料容重的适当增加，意味着微孔的减少，能使低频吸声效果有所提高，但高频吸声性能却可能下降。合理选择吸声材料的容重对求得最佳的吸声效果是十分重要的，容重过大或过小都会对多孔材料的吸声性能产生不利的影响。

c.背后空气层的影响多空材料背后有无空气层，对于吸声特性有重要影响。大部分纤维板状多孔材料都是周边固定在龙骨上，离墙50—150mm距离安装。材料空气层的作用相当于增加了材料的厚度，所以它的吸声特性随着空气层厚度增加而提高，当材料离墙面安装的距离(既空气层的厚度)等于1/4波长的奇数倍时，可获得最大的吸声系数；当空气层的厚度等于1/2波长的整数倍时，吸声系数最小。

d.材料表面装饰处理的影响大多数吸声材料在使用时常常需要进行表面装饰处理.常见的方法有：表面钻孔开槽，粉刷油漆，利用织布，穿孔板和塑料薄膜等。这些方法都将影响材料的吸声特性。半穿孔的矿棉吸声板增加了材料暴露在声波中的面积，既增加了有效吸声面积，因此提高了材料的吸声特性。粉刷油漆等于在材料表面上加了一层高流阻的材料，将会影响材料的吸声特性，特别是在高频段影响更显著。采用金属网，玻璃布和低流阻的材料或选择穿孔率大于20%的穿孔板做护面层时，对材料的吸声性能影响不大。若穿孔率小于20%时，对高频段的吸声会有影响，低频影响不大。

2、穿孔板共振吸声结构

穿孔板共振吸声结构可以看作许多个单孔共振腔并联而成，它是由腔体和颈口组成的共振结构，称为亥姆霍兹共振器。腔体通过颈部与大气相通，在声波的作用下，孔颈中的空气柱就象活塞一样作往复运动，由于颈壁对空气的阻尼作用，使部分声能转化为热能。当入射声波的频率与共振器的固有频率一致时，即会产生共振现象，此时孔颈中的空气柱运动速度最大，因而阻尼作用最大，声能在此情况下将得到最大的吸收。

采用穿孔的石棉水泥、石膏板、硬质纤维板、胶合板以及钢板、铝板，都可作为穿孔板共振吸声结构，在其结构共振频率附近，有较大的吸收，适于中频。

3、薄膜吸声结构

包括皮革、人造革、塑料薄膜等材料，具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特性，吸收共振频率附近的入射声能，共振频率通常在200～1000HZ范围，最大吸声系数约为0.3～0.4，一般把它作为中频范围的吸声材料。如果在薄膜的背后空腔内填放多孔材料，这时的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及薄膜的装置方法。

4、薄板吸声结构

把胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层，构成振动系统，其共振频率多在80～300HZ，其吸声系数约为0.2～0.5，可以作为低频吸声结构。决定薄板吸声结构的吸声性能的主要因素有:

（1）薄板质量m的影响增加板的单位面积重量，一般可以使其共振频率向低频移动。而选用质量小的，不透气的材料如皮革，有利于共振频率向高频方向移动。

（2）背后空气层厚度的影响改变空气层的厚度和改变板的质量一样，共振频率也会发生变化。在空气层中填充多孔材料，可使共振频率附近的吸声系数有所提高。

（3）板后龙骨构造及板的安装方式的影响由于薄板吸声结构有一定的低频吸声能力,而对中高频吸声差，因此在中高频时就具有较强的反射能力。能增加室内声能的扩散。通过改变龙骨构造何不同的安装方法，设计出各种形式的反射面，扩散面和吸声---扩散结构。

5、特殊吸声结构

（1）帘幕帘幕是具有通气性能的纺织品，具有多孔材料的吸声特性，由于较薄本身作为吸声材料使用是得不到大的吸声效果的。如果将它作为帘幕，离开墙面或窗洞一定距离安装，恰如多孔材料的背后设置了空气层，因而在中高频就能够具有一定的吸声效果。当它离墙面1/4波长的奇数倍距离悬挂时就可获得相应频率的高吸声量。

（2）空间吸声体将吸声材料作成空间的立方体如：平板形，球形，圆锥形棱锥形或柱形，使其多面吸收声波，在投影面积相同的情况下，相当于增加了有效的吸声面积和边缘效应，再加上声波的衍射作用，大大提高了实际的吸声效果，其高频吸声系数可达 1.40.在实际使用时，根据不同的使用地点和要求，可设计各种形式的从顶棚吊挂下来的吸声体。

（3）强吸声结构比较典型的强吸声结构是消声室。

6、如何正确布置吸声材料

（1）装置吸声材料时，如穿孔板，应结合灯具及室内装修统一考虑，进行分块组合，尽可能使吸声材料均匀分布，有利声场的均匀。

（2）要使吸声材料充分发挥作用，应将它布置在最容易接触声波和反射次数最多的表面上，如顶棚，顶棚与墙，墙与墙交接处1/4波长以内的空间等处。

（3）观众厅的后墙，挑台栏杆处，反射回来的声音可能产生回声干扰，常需在后墙的墙裙以上部位的墙面和挑台栏杆处，布置高吸声系数的材料。

（4）吸声材料分散布置，比集中式布置有利于声场扩散和改善音质条件。

（5）一般房间两相对墙面的总吸声量应尽量接近,有利于声场扩散.

（6）一般在顶棚较底的房间，狭长的走道，采用吸声处理方法，选用吸声系数大的材料或悬挂空间吸声体，对降低噪声的干扰效果很好。