湖大噪声控制工程讲义02噪声控制技术-1吸声和室内声场

第二篇噪声控制技术噪声按传播途径可分为固体声、气体声、液体声，但在噪声控制中主要涉及到气体声与固体声，特别是气体声。噪声控制的基本程序是从声源调查入手，通过传播途径分析、降噪量确定等一系列步骤再选定最佳方案，最后对噪声控制工程进行评价。本篇主要讲述声学控制技术。噪声控制的基本程序框图如下图所示：声源分布、频率特性、时间特性噪声源测量和分析声源分布、频率特性、时间特性噪声源测量和分析传播途径有空气声、固体声传播途径调查和分析传播途径有空气声、固体声传播途径调查和分析受影响区域调查受影响区域调查危害状况、本底噪声、允许标准危害状况、本底噪声、允许标准声源分布、频率特性、时间特性降噪量确定声源分布、频率特性、时间特性降噪量确定制定控制方案总降噪量，声源、途径降噪量制定控制方案总降噪量，声源、途径降噪量设计施工设计施工声质量评价，经济性、适应性评价工程评价声质量评价，经济性、适应性评价工程评价第一章吸声和室内声场室内声学的一些基本知识1.1.1室内声场和扩散声场声在室内声场的传播规律要比自由声场复杂得多，除了声源发出的声音构成直达声场外，还存在室内壁面和各类物体、包括人员产生的反射声场。许多噪声控制问题，往往涉及的是室内声源形成的室内声场。解决这一类问题必须了解室内声学的一些基本知识。室内声场为便于研究，通常把房间内的声场分解成两部分：从声源直接到达受声的直达声形成的声场叫直达声场；经过房间壁面一次或多次反射后到达受声点的反射形成的声场叫混响声场。由于壁面的声学性质不可能处处均匀，房间形状一般也不规则，室内人和物对声音的反射现象更是十分复杂，声音经过多次反射，室内声场中声音的传播规律和露天半自由声场强烈地依赖于房间的大小和房内各个表面的反射性质。扩散声场扩散声场是指有声源的房间内，声能量密度处处相等，并且在任何一点上，从各个方向传来的声波几率都相等的声场。在这种理想化的声场中，声波的相位是无规则的。一般情况下，对于所有内壁面均光滑、坚硬，并且天花板、四壁为一定不规则形状的大房间，声源在室内产生的声场非常接近扩散声场。平均自由程声波在房间内两次相邻反射间的路程称作自由程，对于一个房间，自由程的平均值叫平均自由程。理论和试验证明，在扩散声场中，平均自由程与房间形状、声源位置无关，可用下式表示：d=4V/S,式中d为平均自由程，单位为米；V为房间容积，S为房间内表面总面积。当声速为c时，声波传播一个自由程所需时间τ为：τ=d/c=4V/cS，故单位时间内平均反射次数n为：n=1/τ=cS/4V1.1.2平均吸声系数与室内声音衰减1.平均吸声系数声波在室内碰到壁面(包括天花板与地板)时，一部分入射声波要被壁面吸收，其他部分发生反射。被壁面吸收的能量与入射能量的比值称为壁面的吸声系数αi。在扩散声场中，声能向各方向的传递几率相同，因此吸声系数应是对所有入射角的平均结果。可用下式表示：。平均吸声系数实际上表示房间壁面单位面积的平均吸声能力，也称单位面积的平均吸声量。由于反射声的存在，同样声源条件，室内声场要远高于自由声场。2.室内声音的衰减及混响、混响时间的计算当声源开始向室内辐射声能时，声波在室内空间传播，当遇到壁面时，部分声能被吸收，部分被反射；在声波的继续传播中多次被吸收和反射，在空间就形成了一定的声能密度分布。随着声源不断供给能量，室内声能密度将随时间而增加，这就是室内声能的增长过程。可用下式表示：当声场处于稳态时，若声源突然停止发声。室内受声点上的声能并不立即消失，而要有一个过程。首先是直达声消失，反射声将继续下去。每反射一次，声能吸收一部分，因此，室内声能密度逐渐减弱，直到完全消失，这一过程称为“混响过程”或“交混回响”，用下式表示：，由上式可见，在衰减过程中，D(t)随t的增加而减小。室内总吸声量A越大，衰减越快，房间容积V越大，衰减越慢。1.1.3扩散声场中的声能密度和声压级1.直达声场设点声源的声功率是W，在距点声源r处，直达声的声强为：，式中Q为指向性因子。据I=p2/ρc，D=p2/ρc2得距点声源r处直达声的声压及声能密度分别为：，相应的声压级为。2.混响声场在混响声场中，单位时间声源向室内贡献的混响声为W(1－α),设混响声能密度为Dr，则总混响声能为DrV，每反射一次，吸收，每秒反射cS/4V次，则单位时间吸收的混响声能为，当单位时间声源贡献的混响声能与被吸收的混响声能相等时，达到稳态，即：W(1－α)=，因此，达到稳态时，室内的混响声能密度为：，设房间常数，由此得到，混响声场中的声压，相应的声压级为。3.总声场把直达声场和混响声场叠加，就得到总声场。总声场地的声能密度D为：总声场的声压平方值为总声场的声压级为从上式可看出，由于声源的声功率级是给定的，因此房间中各处的声压级的相对变化就由右式第二项10lg（Q/4πr2+4/R）决定。当房间的壁面为全反射时，为0，房间常数也为0，房间内声场主要为混响声场；当为1，房间常数R为无穷大，房间内只有直达声，类似于自由声场。对于一般的房间，总是介于上述两种情况之间，房间常数大致在几十到几行之间。4.混响半径由上式可知，在声源的声功率级为定值时，房间内的声压级由受声点到声源距离r和房间常数R决定。当受声点离声源很近时，Q/4πr2远大于4/R,室内声场以直达声为主，混响声可以忽略；当受声点离声源很远时，Q/4πr2远小于4/R，室内声场以混响声为主直达声可以忽略，这声压级与距离无关；当Q/4πr2=4/R时，直达声与混响声的声能相等，这时候的距离r称为临界半径，记为rc,，当Q=1时的临界半径又称为混响半径。因为吸声降噪只对混响声起作用，当受声点与声源的距离小于临界半径时，吸声处理对该点的降噪效果不大；反之，当受声点离声源的距离大大超过临界半径时，吸声处理才有明显的效果。1.1.4混响和混响时间的计算1.混响通常将一次与多次反射声的叠加称为混响，在混响声场中，由于4/R>>Q/4πr2，则混响声场中的声压级为Lp=Lw+10lg（4/R）或Lp=Lw－10lgR+6。例题：某机器其指向特性为1，在2000Hz倍频中声功率级为120dB（A）,机器在一小房间内运转，此房间在2000Hz倍频带中的房间常数为9.29m2。求：在该混响声场中的声压级；高于混响声声压级1dB（A）的空间点距机器多远？解：(1)由Lp=Lw－10lgR+6得Lp=120－10lg9.29+6=116dB（2）由再依已知条件对唯一的未知数r求解，得代入已知条件求得r=1.06米2.混响时间混响的理论是赛宾在1900年提出的，混响时间的定量计算，迄今为止在厅堂音质设计中仍是重要的音质参量，虽然后来有几位声学专家导出了另外的混响时间的理论公式，但在实际工程中仍应用赛宾的公式。当室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声能密度衰减到原来的百万之一，即声压级衰减60dB所需要的时间，记作T,单位为秒。计算公式为：式中V---房间容积，m3；A---室内总吸声量，m2,A=S。适用条件：室内声音频率低于2000Hz，<0.2。1.1.5吸声降噪量在混响声场中，改变房间常数可改变室内某点的声压级，设R1、R2分别为室内设置吸声装置前后的房间常数，则距声源中心r处相应的声压级Lp1、Lp2分别为：吸声前后的声压级之差，即为吸声降噪量，为：当受声点离声源很近，即在混响半径以内的位置上，Q/4πr2远大于4/R时，的值很小，也就是说在靠近噪声源的地方，声压级的贡献以直达声为主，吸声装置只能降低混响声的声压级，所以吸声降噪的方法对靠近声源的位置，其降噪量是不大的。对于离声源较远的受声点，即处于混响半径以外的区域，如果Q/4πr2远小于4/R，且吸声处理前后的面积不变的条件，则上式可简化为：此式适用于远离声源处的吸声降噪时的估算，对于一般室内稳态声场，如工厂厂房，都是砖及混凝土砌墙、水泥地面与天花板，吸声系数都很少，因此有，则上式又可简化为：，一般的室内吸声降噪处理可用此式计算，利用此式的困难在于求取平均吸声系数麻烦，利用吸声系数和混响时间的关系，上式又可简化为，式中T1和T2分别为吸声处理前后的混响时间，由于混响时间可以用专门的仪器测得，所以用上式计算吸声降噪时，就免降了计算吸声系数的麻烦和不准确。例题：某房间几何尺寸为25m×10m×4m，室内中央设置一无指向性声源，测得1000Hz时室内混响时间为2秒，距声源10m的接收点处该频率的声压级为87dB，仿拟彩吸声处理，使该噪声降为81dB。试问该房间1000Hz的混响时间降为多少？并估算室内应达到的平均吸声系数。解：(1)依题意，噪声降低量为由得(2)由得1.2吸声材料一般将能够吸收较多声能的材料称为吸声材料，将能够吸收较多声能的结构称为吸声结构。吸声处理可使一般室内噪声降低约为3-5dB，使混响声很重的车间降噪6-10dB。在隔声和消声等其他噪声处理技术中，吸声材料或吸声结构也得到广泛应用，所以吸声是一种最基本的降低噪声的技术措施。1.2.1吸声基本知识1.吸声系数α(画图说明)吸声系数是指材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，可用吸声系数来描述吸声材料或吸声结构的吸声特性，计算式为：，式中Ei—入射声能；Eα—被材料或结构吸收的声能；Er—被材料或结构反射的声能；r—反射系数。由上式可见，当入射声波被完全反射时，，表示无吸声作用；当入射声波完全没有被反射时，，表示完全吸收；一般材料的吸声系数α都在0和1之间，即0﹤α﹤1，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，对于不同的频率，具有不同的吸声系数。通常当吸声系数α≥0.2时，材料才能被称为吸声材料。2.吸声量吸声量也称为等效吸声面积，其数值为吸声系数与吸声面积的乘积，可用下式表示：A=αS式中A---吸声量，m2;α—某频率声波的吸声系数；S---吸声面积，m2。若房间中有敞开的窗，而且其边长远大于声波的波长，则入射到窗口上的声能几乎全部传到室外，不再有声能反射回来。这敞开的窗，即相当于吸声系数为1的吸声材料。房间中的其他物体如家具、人等等，也会吸收声能，而这些物体并不是房间壁面的一部分。因此，房间总的吸声量A可以表示为：，式中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。3.吸声材料与吸声结构的选用要求在选择吸声材料与吸声结构时，要考虑以下因素：在尽可能宽的频带范围内对吸声系数要求高，吸声性能要长期稳定可靠；有一定的软科学强度，不易破碎、耐用、不易老化；表面适于装饰，易于清洗；防潮、防火、耐腐蚀、防蛀、不易发霉、不易燃烧、不腐蚀构架；质轻，容重小，易于更换、维修；无特殊气味、无损于人体健康，符合环境保护要求；价格便宜。4.吸声系数的测量测量的方法有混响室方法和驻波管方法。我们只要明白有这两种方法就行，至于怎样测量，你们自己书。1.2.2吸声材料的分类教材上把吸声结构也归为吸声材料，我认为不妥，吸声结构是利用吸声材料经过一定的加工形成了一定的结构。根据吸声机理可以把吸声材料分为多孔吸声材料、柔性吸声材料和膜状吸声材料三大类。(一).多孔吸声材料在材料表面和内部有无数的均匀颁的微细孔或微间隙，这些孔隙互相贯通并且向外张开，使声波易于进入微孔或微间隙内，这种吸声材料称作多孔吸声材料。吸声机理多孔吸声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。多孔吸声材料衰减声能有两个原因：一是当声波经过材料表面引起空隙内部空气振动时，空气与固体经络间产生相对运动。由于空气的粘滞性产生相应的粘滞阻力，使振动空气动能不断转化成为热能，从而使声波能量衰减；二是声波通过时发生空气绝热压缩升温，与多孔材料的热交换和热传导也衰减声能。种类根据多孔吸声材料的形状，可以将多孔吸声材料分为泡沬型、纤维型、颗粒型三类。泡沬型材料的表面与内部皆有无数互相連通的微孔，其材质一般由聚氨脂泡沬塑料、微孔橡胶等制成。纤维型材料包括毛、木丝、甘蔗纤维、化纤维、玻璃棉、矿物棉、金属纤维等有机和无机纤维材料，其中的超细玻璃棉是最常用的一种多孔吸声材料，金属纤维是最新研制并得到应用的多孔吸声材料。颗粒状材料有膨胀珍珠岩、蛭石混凝土和多孔陶土。多孔吸声材料在使用时一般需要护面层保护，防止失散。护面层材料可以是玻璃丝布、金属丝网、纤维板等透声材料，内填以松散的厚度为5～10cm的多孔吸声材料。为防止松散的多孔材料下沉，常选用透声织物缝制成袋，再内填吸声材料。为保持固定几何形状并防止机械损伤，在材料间要加木筋条(木龙条)加固，材料外表面加穿孔罩面板保护。常用的护面板材为木质纤维板或薄塑料板。吸声特性多孔吸声材料的吸声特性主要受入射声波(频率和入射角)和材料性质的影响，一般对高频声吸收效果好，低频声吸收效果较差。因为低频声波激发微孔内空气与筋络的相对运动少，磨擦损失少，因而声能损失少；而高频声容易使使之快速振动，从而消耗较多的声能，所以多孔吸声材料常用于高、中频噪声的吸收。多孔吸声材料的特性除与本身内在的特性有关外，还与材料的使用条件有关，如单位体积重量、厚度以及构成吸声板的结构形式，使用时的温度、湿度等。4.吸声特性的影响因素影响多孔材料的吸声特性的主要因素是材料的孔隙率、空气流阻和结构因子。其中以空气流阻最为重要。空气流阻是指在稳定气流状态下，吸声材料中压力梯度一气流线速度之比，它反映了空气通过多孔材料时阻力大小。单位厚度材料的流阻，称为比流阻。密度改变材料的密度，等于改变了材料的空隙率(包括微孔数目与尺寸)和流阻。因此对于某一种多孔吸声材料都有一最佳值。厚度当多孔吸声材料的厚度增加时，对低频声的吸收增加，对高频声影响不大。对一定的多孔材料，厚度增加一倍，吸声频率特性曲线的峰值向低频方向近似移动一个倍频程。在实用中，考虑经济及制作的方便，对于中、高频噪声，一般可采用2～5cm厚的常规成形吸声板；对低频吸声要求较高时，则采用5～10cm厚。背后空气层若在材料层与刚性壁之间留一定距离的空腔，可以改善对低频声的吸声性能，作用相当于增加了多孔材料的厚度，且更为经济，通常空腔增厚，对吸收低频声有利。当腔深近似于入射声波的1/4波长时，吸声系数最大，当腔深为1/2波长或其敕倍数时，吸声系数最小。实用时，过厚，常取腔深为5-10cm。温、湿度的影响使用过程中温度升高会使材料的吸声性能高频向高频方向移动，温度降低向低频方向移动。所以在使用时，应注意该材料的温度适用范围。温度增大会使孔隙内吸水时增加，堵塞材料上的细孔，使吸声系数上降，而且是先从高频开始，因此对于湿度较大的车间或地下建筑的吸声处理，应选用吸水量较小的耐潮多孔材料，如防潮超细玻璃棉毡与矿棉吸声板等。气流的影响当将多孔吸声材料用于通风管道和消声器内时，气流易吹散多孔材料，影响吸声效果，甚至飞散的材料会堵塞管道，损坏风机叶片，造成事故。应根据气流速度大小选择一层或多层不同的护面层。(二)柔性吸声材料柔性吸声材料内部一般具有许多微小而独立的气孔，基本上没有通气性能，但却具有一定的弹性。柔性吸声材料的吸声机理是，当声波入射到柔性吸声材料的表面时，很难透入到材料的内部，柔性吸声材料只作整体的振动，因材料内部存在一定的磨擦而消耗了声能，引起声波的衰减。(三)板状与膜状吸声材料板状材料是将胶合板、硬质板、石膏板、石棉水泥板等板材固定在框架上，并在其背后设置空气层。膜状材料是指聚乙烯薄膜或几乎没有通气性能的帆布等材料，由于它们的刚度很小，在受拉情况下处于张紧状态且具有一定的弹性。两种材料的吸声机理很相似，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，并引起内部磨擦而消耗声能。板状或膜状材料所构成的吸声结构可用于吸收低频噪声，其共振频率为式中f0—共振频率，Hz；D----板或膜后的空气层厚度，cm。1.3吸声结构利用共振原理做成的吸声结构叫做共振吸声结构。它基本分为三种：薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构、微穿孔板共振吸声结构。主要适用于对中、低频噪声的吸收。1.3.1薄板共振吸声结构1.构造将薄的塑料、金属或胶合板等材料的周边固定在框架(称为龙骨)上，并将框架牢牢地与刚性板壁相结合，这种由薄板与板后的封闭空气层构成的系统就称为薄板共振吸声结构。(图见李家华66面)。2.吸声机理薄板共振吸声结构实际近似于一个弹簧和质量块振动系统。薄板相当于质量块，板后的空气层相当于弹簧，当声波入射到薄板上，使其受激振动后，由于板后空气层的弹性、板本身具有的劲度与质量，薄板就产生振动，发生弯曲变形，因为板的内阻及板与龙骨间的磨擦，便将振动的能量转化为热能，从而消耗声能。当入射声波的频率与板系统的固有频率相同时，便发生共振，板的弯曲变形量大，振动最剧烈，声能也就消耗最多。3.吸声特性及其改善弹簧振子的固有频率由下式计算：，式中f0为固有频率，K为弹簧刚度，M为振动物体的质量。薄板振动系统的劲度决定于板、空气层以及安装的状况。由声学原理可以导出薄板吸声结构的共振频率的近似计算式：，式中c为声速、ρ0空气密度、m为板的面密度、h为板后空气层厚度。单位面积板材所具有的质量称作面密度：，式中t为板厚(m)，为板密度(kg/m3)。由上式可知，薄板共振结构的共振频率主要取决于板的面密度与背后空气层的厚度，增大m或h，均可使f0下降。衫中，薄板厚度通常取3-6mm，空气层厚度一般取3-10cm，共振频率多在80-300Hz之间，故通常用于低频吸声。若在薄板与龙骨的交接处放置增加结构阻尼的软材料，如海棉条、毛毪等，或在空腔中适当悬挂矿棉、玻璃棉毪筀袞声材料，可使薄板共振结构的吸声性能得到明显改善。1.3.2穿孔板共振吸声结构在薄板上穿以小孔，在其后与刚性壁之间留一定深度的空腔所组成的吸声结构称为穿孔板共振吸声结构。按照薄板上穿孔的数目分为单孔和多孔共振吸声结构。1.单孔共振吸声结构结构单孔共振吸声结构又称作“亥姆霍兹”共振吸声器或单腔共振吸声器。它是一个封闭的空腔，在腔壁上开一个小孔与外部空气相通的结构（图6-5（b）（c）），可用陶土、煤渣等烧制或水泥、石膏浇注而成。吸声机理单孔共振吸声结构也可比拟为一个弹簧与质量块组成的简单振动系统，开孔孔颈中的空气柱很短，可视为不可压缩的流体，比拟为振动系统的质量M，声学上称为声质量；有空气的空腔比作弹簧K，能抗拒外来声波的压力，称为声顺；当声波入射时，孔颈中的气柱体在声波的作用下便象活塞一样做往复运动，与颈壁发生磨擦使声能转变为热能而损耗，这相当于机械振动的磨擦阻尼，声学上称为声阻。声波传到共振器时，在声波的作用下激发颈中的空气柱往复运动，在共振器的固有频率与外界声波频率一致时发生共振，这时颈中空气柱的振幅最大并且振速达到最大值，因而阻尼最大，消耗声能也就最多，从而得到有效的声吸收。吸声特性“亥姆霍兹”共振器的使用条件必须是空腔小孔的尺寸比空腔尺寸小得多，并且外来声波波长大于空腔尺寸。这种吸声结构的特点是吸收低频噪声并且吸收频带较窄(即频率选择强)，因此多用在有明显音调的低频噪声场合。若在颈口下放置一些诸如玻璃棉之类的多孔材料，或加贴一薄层尼龙布等透声织物，可以增加颈口部分的磨擦阻力，增宽吸声频带。单腔共振体的共振频率一般由下式求出：式中S为孔颈开口面积，m2;c为声速，一般取340m/s；V为空腔容积；lk为小孔有效颈长，m;若小孔为圆形：，式中l为颈的实际长度（即板厚度）米，d为颈口的直径米2.多孔穿孔板共振吸声结构A）构造与吸声机理多孔穿孔板共振吸声结构通常简称为穿孔板共振吸声结构，它是在板材上，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，图见教材130面。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。穿孔板共振吸声结构的共振频率是：式中h为板后空气层厚度，也是空腔的深度，P为穿孔率，即穿孔面积与总面积之比，圆孔正方形排列时，P=πd2/4B2;圆孔等边三角形排列时，P=πd2/2,其中d为孔径，B为孔中心距。当空腔内壁贴多孔材料时lk=l+1.2d。由上两式可看出，板的穿孔面积越大，吸声的频率越高；空腔越深或板越厚，吸声的频率越低，一般穿孔板共振吸声结构主要用于吸收低、中频噪声的峰值，吸声系数约为0.4－0.7。设在f0处的最大吸声系