第十一章 吸声材料与吸声结构

第十一章吸声材料与吸声结构,多孔吸声材料吸声结构建筑物中的吸声减噪,吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。,一、吸声系数与吸声量：吸声系数定义：=(E总-E反）/E总，即声波接触吸声介面后失去（吸收）声量占总声能量（入射）的比例。大，吸收的声能大，吸声系数永远小于1。同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同。一般常用100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。有时使用平均吸声系数或降噪系数粗略衡量材料的吸声能力。平均吸声系数：100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值降噪系数（NRC)：125Hz/250Hz/500Hz/1000Hz吸声系数的平均值（尾数四舍五入整理成.5或.0）吸声量：对于平面物体A=S,单位是平米（或塞宾），对于单个物体，表面积难于确定，直接用吸声量。,吸声量或吸声系数的测量：1、混响室法T=0.161V/S(1/T2-1/T1)；A=0.161V/n(1/T2-1/T1)其中：V：混响室体积S：材料表面积n：吸声体个数T1：空室混响室混响时间T2：加入材料后混响时间2、驻波管法：利用在管中平面波入射波和反射波形成极大声压Pmax和极小声压Pmin推倒出0。3、T和0的值有一定差别：T是无规入射时的吸声系数，0是正入射时的吸声系数。工程上主要使用T,根据室内稳态声压级的计算公式：,室内的声能密度由两部分构成：第一部分是直达声，相当于Q/4r2表述的部分；第二部分是扩散声(包括第一次及以后的反射声)，即4/R表述的部分。可以设想，在离声源较近处Q/4r24/R，离声源较远处Q/4r24/R，前者直达声大于扩散声，后者扩散声大于直达声。在直达声的声能密度与扩散声的声能密度相等处，距声源的距离称作“混响半径”，或称“临界半径”。,建筑物中的吸声减噪量,设室内作吸声减噪处理前后的声压级分别为LP1、LP2，则吸声处理后室内噪声的降低量为：,当r很小，即住处在噪声源近旁时，Q/4r24/R；从而可以略去上式中的4/R项，于是有：,当r很大，即住处在噪声源较远时，Q/4r24/R；从而可以略去上式中的Q/4r2项，于是有：,一般情况下有：,因此，上式可简化为：,该式只包含了平均吸声系数，表示和室内表面吸声条件对应的声压级差的最大值，由此可知，室内吸声降噪不能使室内的声压级降至低于直达声声压级之下，只能减少因室内界面等使声压级提高的分贝数。,二、多孔材料的吸声机理：多孔吸声材料，如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能，不是因为表面粗糙，而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。,错误认识一：表面粗糙的材料，如拉毛水泥等，具有良好的吸声性能。错误认识二：内部存在大量孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。,粗糙表面与多孔材料的区别,闭孔材料与多孔材料的区别,影响多孔吸声材料吸声系数的因素：多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能。影响多孔吸声材料吸声特性的主要是材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。密度：每立方米材料的重量。孔隙率：材料中孔隙体积和材料总体积之比。结构因子：反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况，是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。空气流阻：单位厚度时，材料两边空气气压和空气流速之比。,空气流阻是影响多孔吸声材料最重要的因素。流阻太小，说明材料稀疏，空气振动容易穿过，吸声性能下降；流阻太大，说明材料密实，空气振动难于传入，吸声性能亦下降。因此，多孔材料存在最佳流阻。在实际工程中，测定空气流阻比较困难，但可以通过厚度和容重粗略估计和控制（对于玻璃棉，较理想的吸声容重是12-48Kg/m3,特殊情况使用100Kg/m3或更高）。1、随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大（多孔吸声材料对高频总有较大的吸收）。2、厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到一定程度时，材料变得密实，流阻大于最佳流阻，吸声系数反而下降。,3、多孔吸声材料的吸声性能还与安装条件有着密切的关系。当多孔吸声材料背后有空腔时，与该空气层用同样的材料填满的效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高，吸声系数将随空气层的厚度增加而增加，但增加到一定值后效果就不明显了。,4、使用不同容重的玻璃棉叠加在一起，形成容重逐渐增大的形式，可以获得更大的吸声效果。5、多孔吸声材料表面附加有一定透声作用的饰面，如厚度小于0.05mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等，基本可以保持原来材料的吸声特性。使用穿孔面材时，穿孔率须大于20%，若材料的透气性差时，如塑料薄膜，高频吸声特性可能下降。6、高温、高湿会影响材料的吸声性能。是由于吸湿吸水后，材料中孔隙减少。首先使高频吸声系数降低，随含湿量的增加，其影响的频率范围将进一步扩大。,三、吸声结构结构和物体有各自的固有振动频率，当声波频率与结构和物体的固有频率相同时，就会发生共振现象。这时，结构和物体的振动最强烈，振幅和振速达到极大值，从而引起能量损耗也最多。因此，吸声系数在共振频率处为最大。利用共振原理设计的共振吸声结构一般有两种：一种是空腔共振吸声结构，一种是薄板或薄膜吸声结构。需要指出的是，处于声场中的所有物体都会在声波激发下产生振动，只是振动的程度强弱不同而已。有时，一些预先没有估计到的物体会产生相当大的吸声，例如大厅中薄金属皮灯罩，可能在某个低频频率发生共振，因为灯多，灯罩展开面积大，结果产生不小的吸声量。,1、阻尼振动振动系统在振动过程中受到外界的阻力不断地损失能量。这种振幅随时间减小的振动称为阻尼振动或减幅振动。摩擦阻尼：由于摩擦阻力的存在，使振动能量逐渐转变为热能，叫做摩擦阻尼。辐射阻尼：由于物体的振动引起临近媒质质点的振动，使振动的能量逐渐向四周传播出去，转变为波动的能量，叫做辐射阻尼。2、受迫振动由于自由振动不可避免地受到阻尼的作用，振动会逐渐衰减而最后停止下来。要维持振动就必须施加周期性的外力。这种物体在受到周期性变化的外力作用下所产生的振动就叫做受迫振动。3、共振当策动力的频率等于振动物体的固有频率时，受迫振动的振幅达到最大值，这就发生了共振现象。共振是受迫振动的一种特殊形式。,共振原理,驻波和房间共振：1、波的叠加原理：几列波在空间某点相遇时，相遇处质点的振动为各列波在该点引起振动的叠加，相遇后各波仍保持原有特性继续沿着原来的方向独立传播的特性，又称作波的独立传播原理。2、波的干涉：当两列同频率、同振动方向且相位差恒定的声波在同一媒质中传播时，会在相遇区域的某些固定点造成振动始终加强，另一些固定点振动始终减弱的现象。满足这种相干条件的声波称为相干声波。3、驻波：即驻定的声压起伏，由两列同频率、同振幅但沿着一轴向相向传播的波互相叠加而形成的干涉。如果声音是在一对互相平行的，间距正好是半波长整数倍的界面之间来回反射，驻波过程将在两反射面间重复出现。对于声压而言，距界面12波长处和距界面12波长的整数倍处，声压最大，称为声压的波腹。而另一振动始终减弱的位置为波节。,4、在自由声场中有两个平行的界面，在两个界面之间，也可以维持驻波状态，即第二个界面产生的驻波的波腹与波节与第一个界面产生的驻波的波腹与波节在位置上重合，这样，在两界面之间就产生“共振”。轴向共振频率为：fc/nc/2L(Hz)。在矩形房间内三对平行表面上下、左右、前后间，只要其距离为半波长的整数倍，就可以产生相应方向上的轴向共振。,5、简正现象：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为“简正”。简正出现时，共振频率的声音被大大加强，形成频率特性的失真，低频会产生翁声，或产生“声染色”,共振吸收原理与结构1、空腔共振吸收-亥姆霍兹共振器孔的深度t和孔径d比声波波长小得多时，孔颈中的空气柱的弹性变形很小，可以看作是质量块来处理。封闭空腔V的体积比孔颈大得多，起着空气弹簧的作用，当外界入射声波频率f和系统固有频率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。,2、穿孔板吸声结构,穿孔板用作室内吊顶时，背后的空气层厚度往往很大，这时为了较精确地计算共振频率，应采用以下公式：,如果穿孔板背后没有吸声材料，穿孔率不宜过大，一般以2一5合适。穿孔率大，则最大吸声系数下降，且吸声带宽也变窄。如果穿孔板背面铺设有多孔材料，则穿孔率可以提高，一般高频吸声性能随穿孔率提高而提高；当穿孔率超过20，则穿孔板已作为多孔材料的罩面层而不同于空腔共振吸声结构了。,3、薄膜、薄板共振吸声结构:薄膜吸声结构：皮革、人造革、塑料薄膜于其背后封闭的空气层形成的共振系统。对中频（3001000HZ)有较好的吸收，最大吸声系数约为0.3一0.4。,薄板吸声结构：石膏板、胶合板、硬质纤维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。对低频（80-300HZ）有较好的吸收，其吸声系数约为0.2一0.5，其共振频率为：,4、空间吸声体。,室内各界面上，还可以用吸声材料和结构做成放置在建筑空间内的吸声体。空间吸声体有两个或两个以上的面与声波接触，有效的吸声面积比投影面积大得多，有时按投影面积计算，其吸声系数可大于1。对于形状复杂的吸声体，实际中多用单个吸声量来表示其吸声性能。,5、尖劈强吸声结构（声阻逐渐加大）,吸声尖劈是最常用的强吸声结构，用棉状或毡状多孔吸声材料，如超细玻璃棉、玻璃棉等填充在框架中，并蒙以玻璃丝布或塑料窗纱等罩面材料制成。对吸声尖劈的吸声系数要求在0.99以上，这在中高频容易达到，而低频时则较困难，达到此要求的最低频率称为“截止频率”，并以此表示尖劈的吸声性能。,6、空气吸收。由于空气的热传导与粘滞性，以及空气中水分子对氧分子振动状态的影响等造成。声音频率越大，空气吸收越强烈(一般大于2KHz将进行考虑)。7、洞口。在剧院中，舞台台口相当于一个偶合空间，台口后有天幕、侧幕、布景等吸声材料。其吸声系数一般为0.3-0.58、人和家具处于声场中的人和家具都要吸收声能。,五、吸声在建筑声学中的应用举例：1、室内音质的控制：玻璃棉产品可以制成吊顶板、贴墙板、空间吸声体等，在建筑室内起到吸声作用，降低混响时间。一般地，房间体积越大，混响时间越长，语言清晰度越差，为了保证语言清晰度，需要在室内做吸声，控制混响时间。如礼堂、教室、体育场，电影院。对音乐用建筑，为了保证一定丰满度，混响时间要比较长一些，但也不能过长，可以使