L4-03 吸声和室内声场

第2章 吸声和隔声材料2.1材料的声学分类和吸声特性一、吸声材料的分类1、多孔性吸声材料（1）无机纤维材料：玻璃棉、岩棉及其制品。

（2）有机纤维材料：棉麻植物纤维及木质纤维制品（软质纤维板、木丝板）。

（3）泡沫材料：泡沫塑料和泡沫玻璃等。

（4）吸声建筑材料：膨胀珍珠岩、微孔吸声砖、泡沫混凝土等。

2、共振吸声结构由于共振作用，在系统共振频率附近对入射声能具有较大的吸收作用的结构，称为共振吸声结构。

（1） 穿孔板吸声结构 （2） 微穿孔板吸声结构 （3） 薄板吸声结构 （4） 薄膜吸声结构二、吸声系数和吸声量1．吸声系数吸声系数：材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比。

r E E E E E iri i a -=-==1α式中：E i 为入射声能，E a 为被材料或结构吸收的声能， E r 为被材料或结构反射的声能，r 为反射系数。

当入射声波被完全反射时，α=0，表示无吸声作用； 当入射声波完全没有被反射时，α=1，表示完全吸收。

一般的材料或结构的吸声系数在0—1之间，α值越大，表示吸声性能越好，它是目前表征吸声性能最常用的参数。

吸声系数是频率的函数，同一种材料不同的频率，具有不同的吸声系数。

平均吸声系数α：用中心频率125、250、500、4K 六个倍频程的吸声系数的平均值。

2．吸声系数分类（1）正入射吸声系数：驻波管吸声系数，记作αo（2）无规入射吸声系数：混响室吸声系数，记作αs ，在实际应用中有普遍意义。

3．吸声量吸声系数反映房间壁面单位面积的吸声能力，材料实际吸收声能的多少，除了与材料的吸声系数有关外，还与材料表面积大小有关。

实际吸声量SA α=（1）吸声量的单位是平方米。

房间总的吸声量A 可以表示为∑∑+=iiii i A s a A （2）右式第一项为所有壁面吸声量的总和，第二项是室内各个物体吸声量的总和。

4．吸声系数的测量吸声材料的吸声系数可由实验方法测出，常用的方法有混响室法和驻波管法两种。

测量方法不同，所得的测试结果也有所不同。

（1）混响室方法把被测吸声材料（或吸声结构）按一定的要求放置于专门的声学试验室——混响室中进行测定。

将不同频率的声波以相同几率从各个角度入射到材料的表面，这与吸声材料在实际应用中声波入射的情况比较接近。

（2）驻波管方法将被测材料置于驻波管的一端，用声频信号发生器带动扬声器，从驻波管的另一端向管内辐射平面波，声波以垂直入射的方式入射到材料表面，部分吸收，部分反射。

反射的平面波与入射波相互叠加产生驻波，波腹处的声压为极大值，波节处的声压为极小值。

根据测得的驻波声压极大值和极小值，就可以计算出垂直入射吸声系数。

图1 驻波管装置和测试设备驻波管的装置如图1，主体是一根内壁光滑而坚硬的刚性管。

形状可为方管，也可为圆管。

管的横向尺寸d（圆管的直径或方管的边长）应小于最高测试频率的波长的二分之一。

如f max为2000Hz，则d应小于8.5cm。

管子的长度应大于最低测试频率的波长的二分之一，如f mim为125Hz，则l 应大于1.36m。

驻波管的一端安装作为声源的扬声器，另一端是待测吸声材料的试件，驻波管中的声场利用探管测试。

驻波管法比混响室法简单方便，但所得的数据与实际应用情况相比有一定误差。

混响室法和驻波管法测得的吸声系数可按表1进行换算。

表1 a o与a s的换算表2.2 多孔材料一、多孔材料的吸声原理多孔材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面上反射，一部分则透入到材料内部向前传播。

在传播过程中，引起孔隙中的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。

声波在刚性壁反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透回空气中，一部分又反射回材料内部，声波的这种反复传播过程，就是能量不断转换耗散的过程，如此反复，直到平衡，这样，材料就“吸收”了部分声能。

二、影响多孔材料的吸声特征的因素多孔材料一般对中高频声波具有良好的吸声效果。

1、空气流阻：●流阻：当稳定气流通过多孔材料时，材料两面的静压差和气流线速度之比。

●比流阻：单位厚度材料的流阻。

●当材料厚度不大时，比流阻越大，说明空气穿透量越小，吸声性能会下降；但若比流阻太小，声能因摩擦力、粘滞力而损耗的效率也就低，吸声性能也会下降。

●材料存在一个最佳流阻。

当材料厚度充分大时，比流阻越小，吸声越大。

2、孔隙率3、材料厚度的影响4、材料容重的影响图2 不同厚度和容重的超细玻璃棉的吸声系数（a）容重为27kg/m3超细玻璃棉厚度变化对吸声系数的影响（b）5cm厚超细玻璃棉容重变化对吸声系数的影响5、背后空腔的影响当多孔材料背后留有空气层时，与该空气层用同样的材料填满的吸声效果近似，与将多孔材料直接实贴在硬底面上相比，中低频吸声性能都会有所提高，其吸声系数随空气层厚度的增加而增加，但增加到一定厚度后，效果不再继续明显增加。

如图3。

通常，空气层的厚度为1/4波长的奇数倍时，吸声系数最大；而为1/2波长的整数倍时，吸声系数最小。

图3 背后空气层厚度对吸声性能的影响6．护面层的影响●网罩：金属格网，塑料窗纱，丝布等罩面，这种表面处理方式对多孔材料吸声性能的影响不大。

●纤维织物：●塑料薄膜：极薄柔性塑料薄膜、穿孔薄膜●穿孔板：7．空间吸声体●把吸声材料或吸声结构悬挂在室内离壁面一定距离空间中，空间吸声体。

●由于悬空悬挂，声波可以从不同角度入射到吸声体，其吸声效果比相同的吸声体实贴在刚性壁面上的好得多。

●采用空间吸声体，可以充分发挥多孔吸声材料的吸声性能，提高吸声效率，节约吸声材料。

●空间吸声体在噪声控制工程中得到广泛的应用。

●大面积的平板体；离散的单元吸声体：立方体、圆锥体、短柱体或球体等。

●当空间吸声板的面积与房间面积之比为30～40%时，吸声效率最高，考虑到吸声降噪量取决于吸声系数及吸声材料的面积这两个因素，因此实际工程中，一般取40～60%●空间吸声板的悬挂方式：水平悬挂，垂直悬挂和水平垂直组合悬挂等。

●吸声板的悬挂位置应该尽量靠近声源。

2.3 共振吸声结构在室内声源所发出的声波的激励下，房间壁、顶、地面等围护结构以及房间中的其他物体都将发生振动。

结构或物体有各自的固有频率，当声波频率与它们的固有频率相同时，就会发生共振。

这时，结构或物体的振动最强烈，振幅和振动速度都达到最大值，从而引起的能量损耗也最多，因此，吸声系数在共振频率处为最大。

利用这一特点，可以设计出各种共振吸声结构，以更多地吸收噪声能量，降低噪声。

一、 薄膜与薄板共振吸声结构皮革、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。

这些薄膜材料可与其背后封闭的空气形成共振系统。

共振频率由单位面积膜的质量、膜后空气层厚度及膜的张力大小决定。

实际工程中，膜的张力很难控制，而且长时间使用后膜会松驰，张力会随时间变化。

因此考虑不受张拉或张力很小的膜，其共振频率可按下式计算：LM L M c f 0020060021≈=ρπ （3）式中，M 0为膜的单位面积质量(kg/m 2)；L 为膜与刚性壁之间空气膜的厚度(cm)。

薄膜吸声结构的共振频率通常在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。

当薄膜作为多孔材料的面层时，结构的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及安装方法。

一般说来，在整个频率范围内吸声系数比没有多孔材料只用薄膜时普遍提高。

把胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板、金属板等板材周边固定在框上，连同板后的封闭空气层，也构成振动系统。

这种结构的共振频率可用下式计算：020021M K L M c f +=ρπ（4）式中，ρ0为空气密度，c 为空气中声速(m/s)，M 0为膜的单位面积质量(kg/m 2)；L 为膜与刚性壁之间空气膜的厚度(m)。

K 为结构的刚度因素(kg/m 2s 2)。

K 与板的弹性、骨架构造、安装情况有关。

对于边长为a 和b ，厚度为h 的矩形筒支薄板，22222)1(12⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=b a a Eh K ππ （5）其中E 为板材料的动态弹性模量(N/m 2)，σ为泊松比，对于一般板材在一般构造条件下，K =1×106 ～3×106。

当板的刚度因素K 和空气层厚度L 都比较小时，则（5）式与(4)式相同，这时的薄板结构可以看成薄膜结构。

但是当L 较大，超过100cm ，(5)式根号内第一项比第二项小得多，共振频率就几乎与空气层厚度无关了。

由式(4)和式(5)式可见，薄膜和薄板共振结构的共振频率主要取决于板的面密度和背后空气层的厚度，增大M 0和L 均可以使f 0下降，实用中薄板厚度常取3～6mm ，空气层厚度一般取3～10cm ，共振频率约在80～300Hz ，故通常用于低频率吸声。

常用的薄膜、薄板结构的吸声系数见表2。

表2 薄膜共振结构的吸声系数(αo)二、穿孔板共振吸声结构穿孔板共振器是噪声控制中使用非常广泛的一种共振吸声结构。

为了阐述穿孔板共振吸声结构的原理，先看如下的单腔共振吸声结构。

图1 空腔共振吸声结构单腔共振吸声结构是一个中间封闭有一定体积的空腔。

并通过有一定深度的小孔和声场空间相连。

见图1(a)。

当孔的深度t和孔径d比声波波长小得多时，孔中的空气柱的弹性形变很小，可以看作一个无形变的质量块(质点)，而封闭空腔V 的体积比孔颈大得多，随声波作弹性振动，起着空气弹簧的作用。

于是整个系统类似于图2(b)中的弹簧振子，称为亥姆霍兹共振器。

当外界入射声波频率f和系统的固有频率f0相等时，孔颈中的空气柱就由于共振而产生剧烈振动。

在振动中，空气柱和孔颈侧壁摩擦而消耗声能，从而起到了吸声的效果。

表3 薄板共振结构的吸声系数(αs)单腔共振器的共振频率f0可用下式计算：)(20δπ+=t V S c f （6）式中，c 为声速，一般取340m/s ，S 为孔颈开口面积(m 2)，V 为空腔容积(m 3)，t 为孔颈深度(m)，δ为开口末端修正量(m)。

因为颈部空气柱两端附近的空气也参加振动，所以对t 加以修正，(t +δ)为小孔有效颈长。

对于直径d 的圆孔，d d 8.04/≈=πδ。

亥姆霍兹共振器的特点是吸收低频噪声并且频率选择性强。

因此多用在有明显音调的低频噪声场合。

若在口颈处加一些诸如玻璃棉之类的多孔材料，或加贴一层尼龙布等透声织物，可以增加颈口部分的摩擦阻力，增宽吸声频带。

图2 穿孔板结构在板材上，以一定的孔径和穿孔率打上孔，背后留有一定厚度的空气层，就成为穿孔板共振吸声结构，见图2。

这种吸声结构实际上可以看作是由单腔共振吸声结构的并联而成。

穿孔板吸声结构的共振频率是：)(20δπ+=t L P c f (7)式中，c 为声速(m/s)，L 为板后空气层厚度(m)，t 为板厚(m)，δ为孔口末端修正量(m)。