3.吸声技术解析

第三章噪声控制技术－吸声Chapter3.Technologyofnoisereduction——noiseabsorption王志权ByWangZhiquan第一节概述

第二节吸声材料

第三节吸声结构体

第四节吸声设计

第三章噪声控制技术－吸声第一节概述1.声音传播途径声源传播途径接受点在声源处抑制噪声在声传播途径中控制：吸声、消声、隔声、阻尼减振等接受点的保护2.主要考量因素：噪声源特性以及降噪量大小降噪遵循预防为主、全过程防治的基本操作原则——技术、经济因素——降噪方法：通常是采取综合防治措施，即吸声、消声、隔声、隔振和阻尼装置等措施同时使用。吸声是噪声污染控制的一种重要手段，是一种在噪声传播途径上控制噪声污染的方法，常用于室内减噪。3.室内噪声的来源：直达声：声音直接通过空气传播混响声：室内各墙壁面反射回来混响声易造成声污染，使室内噪声级增加；如：一列火车进入隧道以后的噪声级比行驶在空旷的野外可高出5-10dB；也会对听觉造成干扰。混响声的声音强弱，取决于室内各种物体表面的吸声能力。有的能增强，有的通过声能量的吸收而降低噪声水平。1.吸声概念当声波入射到物体表面时，部分入射声能被物体表面吸收转化为其他形式的能量，这种现象叫“吸声”。在噪声污染控制工程设计中，常利用吸声材料吸收声能量来降低室内噪声。合理布置吸声材料，可降低混响声5-10dB。第二节吸声材料2.吸声机理吸声材料是一种松软多孔的物质，声波以声能的形式投射到多孔材料表面时，一部分声波从多孔材料表面反射，另一部分声波进入材料的孔隙，引起孔隙内的空气和材料本身振动，由于多孔材料表面与空气的内摩擦（摩擦力来自空气的压缩、膨胀）作用，将一部分声能转变成热能，此外，声音在多孔材料内经过多次反射也进一步衰减。所以，当进入多孔吸声材料内的声波再返回时，声波能量已衰减很多，大部分被多孔吸声材料消耗掉了，从而使声音的能量减小，达到降噪的目的。吸声机理：压缩、膨胀、摩擦、产热降低声音能量。材料特征：内部有许多小孔，并与材料表面相通，具有通气性。良好的吸声材料需具备三点要求：

多孔

孔间贯通

与外界联通3.影响多孔吸声材料吸声性能的主要因素：材料孔隙率（q）

孔隙率：多孔材料中通气的孔隙体积与材料总体积之比。一般多孔材料的孔隙率在70％以上，有的高达90％。同时要求这些孔隙尽可能细小且分布均匀，这样，材料内孔隙的总表面积较大，利于声能的吸收。吸声材料的结构特性（此处指材料的厚度和密度）材料密度：随着材料密度的增大，最大吸声系数αmax向低频方向移动。材料厚度：多孔材料对高频率声音吸声效果明显，即在高频区吸声系数较大；多孔材料对低频率声音吸声效果差，即在低频区吸声系数较小；随着材料厚度的增加，吸声最佳频率向低频方向移动，即低频范围的吸声性能随材料厚度的增加而提高，但厚度增加对高频声的吸收影响不明显，因高频声在吸声材料表面即被吸收。厚度每增加1倍，最大吸收频率（或频谱曲线）向低频方向移动一个倍频程；实际应用中，多孔吸声材料的厚度一般取30-50mm就可以，如果需要提高低频吸声效果，厚度可取50-100mm，必要时也可大于100mm，再大就不经济了，特别是当材料厚度相当大时，此时由于厚度引起的吸声变化就不明显了。

125250500100020004000（Hz）1.00.80.60.40.2（α）10cm5cm2.5cm密度为15kg/m3超细玻璃棉的吸声特性（吸声系数随材料厚度增加的变化规律）4.材料吸声特性的物理量吸声系数（α）：材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，常用来描述吸声材料或吸声结构的吸声能力。吸声系数越大，吸声性能越好。当α＝0时，无吸声当α＝1时，完全吸收，无声能反射E0EE1E2（1）影响因素材料的物理性质：不同材料具有不同的吸声能力，一般0.2～1。声波频率：α是f的函数，同一种材料对声音的不同频率有相对应的α值，所以表征材料的α时，必须指明哪个频带。如150mm厚，密度为20kg/m3的玻璃棉，入射声波为500Hz，α＝0.85；入射声波为125Hz，α＝0.50。声波的入射角（方向）通过调控吸声材料和结构体的安装条件来改变入射角的大小。由于声波的入射角不同，所测量的吸声系数有三种不同的相应表达方法（稍后介绍）。（2）不同吸声材料的吸声系数：密度小，孔隙多的材料（如玻璃棉，泡沫的塑料）等吸声性能好，吸声系数大。坚硬光滑，结构密实的材料（如混凝土水泥粉刷墙，水磨石墙体等），吸声系数小。鉴于声波频率对吸声系数的影响，工程中，通常用125Hz，500Hz，1KHz，2KHz，4KHz六个倍频程的中心频率的吸声系数的算术平均值来表示材料的吸声频率特性。这个表示量，也称“平均吸声系数”一般的，α大于0.2才是吸声材料，α大于0.5就是理想的吸声材料。（驻波管法）（3）三种不同的吸声系数表达方法（依据测量时入射角度不同划分）由于入射角度对吸声系数影响较大，测量时入射角不同，有不同的测试结果，表示方法也不同，因此规定了三种不同的α。垂直入射吸声系数（α0）驻波管法吸声系数，多用于材料性质的鉴定与研究。优点：简便易测缺点：所得数据与实际常有一定误差。斜入射吸声系数实际中一般情况下应用不多，特定的场合有时推荐使用这种方法。无规则入射吸声系数（αT）又称，“混响室法吸声系数”，实际应用多，具普遍意义，包括了各种入射角，测定的是声波从各个角度以相等的几率入射到材料表面所得到的吸声系数。是在专门的声学实验室混响室中测定的，花费较大。常作为工程设计依据。在工程中可以用α0来得到αT。吸声量：工程上评价一种吸声材料的实际吸声效果时，通常用该量进行评价，用A表示，单位m2。定义：吸声系数与所使用的吸声材料的面积之乘积。A＝αS，注：面积必须为向着自由空间完全敞开的面积。当评价某空间的吸声量时，需要对空间内各吸声面积与吸声系数的乘积进行求和，得到该空间的总吸声量。5.多孔性吸声材料分类一般分为三大类：纤维类、泡沫类、颗粒类其中，纤维类：无机纤维类、有机纤维类无机纤维（如玻璃棉、岩棉及其制品）超细玻璃棉：最常用的吸声材料。优点：质轻，柔软，耐高温，耐腐蚀，防蛀，抗冻。缺点：吸水率高，弹性差，填充不均匀。矿渣棉：优点：质轻、防火、耐高温，耐腐蚀，防蛀。缺点：杂质多，易脆，在风速大，要求洁净的场合不宜使用。岩棉：新型吸声材料。优点：隔热，耐高温。有机纤维类吸声材料主要是由各种植物纤维如棉麻、甘蔗、稻草、棕丝等加工压制成的各种软质纤维板。优点：原材料属于可再生生物质资源，吸声性能好且价格低。缺点：易潮，易变质腐烂，从而降低吸声性能。泡沫塑料材料聚氨酯，聚醚乙烯，聚氯乙烯等优点：具良好的弹性，容易填充均匀，密度小。缺点：不防火，易燃，易老化。目前运用最多的是聚氨酯泡沫塑料。颗粒类吸声材料（建筑吸声材料）如：微孔吸声砖，加气混凝土，矿渣水泥，多孔陶土砖等。保温，防潮，耐热，耐蚀，抗冻等。第三节吸声结构体工程中常采用空间结构体吸声降噪。实为将吸声材料加外包装（护面结构）和框架制成的。可以做成各种几何体形状，吸声材料的各个表面都能同声波接触，起到空间吸声的作用。空间吸声体吸声性能好，便于安装。工程上，一般要求用便于安装，质量轻等，因此空间吸声体常采用超细玻璃棉作为填充材抖．采用木架或金属框等作为为支撑结构，采用玻璃丝布作为外包装材料，有时也采用穿孔率大于20％的穿孔板作为外包装，但采用此包装时相对重量和价格比采用玻璃丝布要高。空间吸声体示意图多孔吸声材料对高频声有较好的吸声能力，但对低频声的吸声能力较差，若（过度）加厚吸声材料来提高低频噪声的吸收，又很不经济。为解决这一矛盾，人们利用共振吸声的原理设计了各种共振吸声结构，取得了较好的效果。在实践中，一般利用共振吸声原理把各种薄的板材（或在其上打上孔眼），并在其后设置一定深度的密封空腔，组成共振吸声结构。常用的共振吸声结构有共振吸声器，穿孔板，微穿孔板，膜状和板状等共振吸声结构及空间吸声体。第四节吸声设计一、共振吸声结构（针对低频噪声控制）

材料特征：薄膜或薄板表面穿孔吸声机理：应用共振原理

1.声音与薄板（薄膜）固有频率产生共振

2.声音与板后空腔气室空气产生共振共振吸声结构分类薄板或薄膜共振吸声结构单空腔共振吸声体穿孔薄板共振吸声体（1）单腔共振吸声体又称“亥姆霍兹共振器”，是一具有开口的体积为V的空腔。吸声原理：空腔中空气相当于一个弹簧，当声波入射到颈中空气时，颈中的空气就像活塞一样往返振动，它与颈壁的摩擦作用，使一部分声能转化为热能而消耗。当外来声波频率与其固有频率相同时，发生共振，振动速度达到最大值时，消耗的声能也最大，此时的吸声效果最好。亥姆霍兹共振器共振吸声频率计算：其中：

S：孔面积，m2V：共振腔体积，m3t：孔深度，mδ：孔口修正量，m

t+δ：为有效颈长，对于直径为d的圆孔，δ＝πd/4≈0.8d特点：单个共振器频率选择性很强，吸声频带很窄，f0一般在几十~几百Hz，往往用于低频吸声。实际工作中，分别设计几种规格的共振器，以便在较宽的低频范围获得较好的吸声效果。改进连接管的尺寸和空腔体的体积，可获得不同共振频率。在管内铺设吸声材料，可增加共振器的阻尼作用，能够使共振器的吸声频带的宽度加大。改进：（2）穿孔板共振吸声体（多腔共振吸声体）定义：将钢板、铝板、胶合板、塑料板和草纸板等板材，以一定的孔径和穿孔率打上孔，并在板后设置空气层（空腔）而构成。相当于并联的“亥姆霍兹”共振器。穿孔板共振结构的排列方式：常见的三角形、正方形。缺点：频率的选择性很强，吸声频带较窄，在共振频率f0附近具有很大的吸声性能，偏离共振频率效果就差。

S：每个孔面积,m2A：共振单元薄板面积,m2D：穿孔板后空气层厚度，m

Lk：颈的有效长度，m（与薄板上孔径的直径大小和板厚有关。）

P：穿孔率＝S/A，每个共振腔体积V＝AD工程上常用设计参数——板厚1-10mm；孔径：2-15mm穿孔率：0.5-15％空气层厚：50-250mm。在板后空腔内按一定要求填充适量多孔材料，以增加空气的摩擦；可以考虑：穿孔板采用不同穿孔率的多层（常取两层）穿孔板结构，能使吸声频带增宽，提高2－3个倍频程；孔径取偏小值，以提高孔内阻尼。改善穿孔板共振吸声结构吸声系数的措施：（3）微穿孔板结构是穿孔板共振吸声结构的一种改进措施。板薄：厚度小于1mm的薄板孔径小，声阻大：小于1mm穿孔率：1~5％该结构由微穿孔板和板后的空腔组成。

该结构是我国著名声学专家马大猷教授于1964年首先提出来的，1975年给出计算理论。特点：这种结构的吸声性能明显优越于前面三类共振结构。它的吸声频带较宽，吸声系数较高，特别是它可用在其他材料或结构不适合的场所（因为它完全不需使用吸声材料），如高温、潮湿、在腐蚀性气体或高速气流等环境；同时它结构简单、设计理论成熟，其吸声特性的理论计算与实测值很接近，而一般吸声材料或结构的吸声系数则要靠试验测量，理论只起指导作用，因此微孔板共振吸声结构近年来已在噪声控制领域得到广泛应用，效果较好。但它的缺点是微孔加工较困难，且易被灰尘堵塞。不同与穿孔板共振吸声器的主要特点是：减少穿孔直径至1mm以下。（4）薄板（膜）共振吸声结构原理：不穿孔的薄板，如金属板，胶合板，石膏板，塑料板等，使它周边固定，在背后留一定厚度的空气层，就构成了薄板共振吸声结构。它对低频声有很好的吸声性能。

f0：薄板共振吸声结构的共振频率，Hz；

M：薄板的面密度，Kg/m2；

D：空气层（空腔）厚度，cm。当入射声波频率f与结构的固有频率f0一致时，即产生共振，消耗声能。薄板共振吸声结构的应用范围：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0.2~0.5。改进措施：在薄板结构的边缘与龙骨架交接处放置一些柔软材料（橡皮条，海绵条，毛毡等），以及在空气层中沿龙骨框四周衬贴一些多孔材料（如玻璃棉），可大大提高吸声效果；采用组合不同单元大小或不同腔深的薄板结构，可以提高吸声频带。图示：在板后填充多孔性材料后，系统的吸系数和吸声频带都会提高。填充纤维吸声材料的薄板吸声结构及其吸声特性1、应尽量先对声源进行隔声、消声等处理，当噪声源不宜采用隔声措施，或采用隔声措施后仍不能达到噪声标准时，可用吸声处理作为辅助手段。只有当房间内平均吸声系数很小时，吸声处理才能取得良好的效果。单独的风机房、泵房、控制室等房间面积较小，所需降噪量较高，宜对天花板、墙面同时做吸声处理；车间面积较大时，宜采用空间吸声体，平顶吸声处理；声源集中在局部区域时，宜采用局部吸声处理，并同时设置隔声屏障；噪声源比较多而且较分散的生产车间宜作吸声处理。二、吸声结构选择与设计的原则图a：开阔的空间，是个自由声场，声波被空气全部吸收，吸声系数为1。图b：坚硬、光滑的刚性表面，声波吸收很少；图c：多孔吸声材料，主要吸收中、高频噪声，吸收频带集中在中、高频区；图d：多孔材料背衬空腔，最大吸声频率向低频移动，吸收频带提高较大；图e：穿孔板背衬多孔吸声材料，不仅能较好吸收低频噪声，且吸声频带增宽；图f：板状吸声结构（1线），若在板后充填多孔吸声材料，可使吸声系数提高，最大吸声频率向低频移动（2线）；图g：穿孔板吸声结构，吸声频带很窄；图h：穿孔板背衬纤维布，吸声频带有一定提高；图i：多层穿孔板，吸声效果较好，频带较宽。2、对于中、高频噪声，可采用20~50mm厚的常规吸声板，当吸声要求较高时可采用50~80mm厚的超细玻璃棉等多孔性材料，并加适当的护面层；对于宽频带噪声，可在多孔材料后留50~100mm的空气层；对于低频带噪声，可用穿孔板共振吸声结构，其板厚通常可取2~5mm，孔径可取3~6mm，穿孔率小于5％。3、对于湿度较高的环境，或有清洁要求的板厚及孔径均不大于1mm，穿孔率可取0.5~3％，空腔深度可取50~200mm。4、进行吸声处理时，应满足防火、防潮、防腐、防尘等工艺与安全卫生要求，还应兼顾通风、采光、照明及装修要求等。1、确定吸声处理前室内的噪声级和各倍频带声压级，并了解噪声源的特性，选定相应的噪声标准；2、确定降噪地点的允许噪声级和各倍频带的允许声压级，计算所需降噪量△LP；3、根据△LP

，计算吸声处理后应有的室内平均吸声系数；三、吸声设计程序4、由室内平均吸声系数和房间可供设置的吸声材料的面积，确定吸声面的吸声系数；5、由确定吸声面的吸声系数，选择合适的吸声材料或吸声结构、类型、材料厚度、安装方式等。1、房间平均吸声系数和计算如果一个房间的墙面上布置有几种不同的材料时，它们对应的吸声系数和面积分别为:α1,α2,α3……和S1,S2,S3…….,则房间内平均吸声系数为：四、吸声计算：

2、吸声量的计算吸声量又称等效吸声面积，为吸声面积与吸声系数的乘积。式中：A：吸声量，m2；

α：吸声系数；

S：使用材料的面积，m2。如果一个房间的墙面上布置有几种不同的材料时，则房间的吸声量为：3、室内声压级的计算房间内噪声的大小和分布取决于房间形状、墙壁、天花板、地面等室内器具的吸声特性，以及噪声源的位置和性质。室内声压级的通常用下式计算