第七章.吸声和市内声扬

第七章吸声和室内声场教学目的吸声材料吸声机理及影响因素(C：理解)共振吸声结构吸声机理及设计计算(C：理解)3.穿孔板吸声结构原理及参数设计(C：理解)4.室外声传播与声衰减(B：识记)B、教学重点(1)吸声系数(2)吸声材料吸声机理及影响因素(3)吸声体与吸声屏(4)共振吸声结构吸声机理及设计计算(5)微穿孔板吸声结构原理及参数设计(6)室内声场及吸声设计计算(7)室外声传播与声衰减C、教学难点1、吸声材料吸声机理及影响因素2、共振吸声结构吸声机理及设计计算D、教学用具多媒体——幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排4课时G、教学过程吸声技术的处理对象为空气声，注意区别于“空气动力性噪声”。一、材料的声学分类和吸声特性纤维类：超细玻璃纤维棉(上海平板玻璃,φd=4μ,容重20~25kg/m3为准)、矿渣棉、化纤棉(湘星集团,φd=8μ)、金属纤维棉；泡沫类：聚氨脂泡沫塑料（山东蓬莱聚氨脂泡沫塑料厂,粘贴方便，可适合各种结构形状）;泡沫陶瓷（宜兴）;泡状金属（泡沫铝）；颗粒类：烧结粉末金属（四院）;膨胀珍珠岩;88型耐高温吸声砖（四院）。吸声系数α：表征吸声体吸声性能好坏通常用吸声系数α，定义为：——声强反射系数Zs——材料声阻抗率即材料表面上声压对该点质点速度之比。Zs===ρ2c2（平面或球面声波时）ρ1c1——为空气介质特性阻抗。故可由Zs求出α0，亦可由α0求出Zs。由此还可见，越接近于空气声阻抗率，则吸声系数越大。关于α的几点讨论：①∵α=0全反射，材料不吸声α=1无反射，材料全吸声∴0≤α≤1（范围）②α随频率而变化通常用125、250、500、1K、2K、4K等六个倍频程中心频率上的吸声系数的算术平均值作为平均吸声系数α。α≥0.2的材料方可称为吸声材料。硬质水泥面、光滑钢板，其α仅为0.01～0.03，不能算吸声材料。③α与声波入射角有关：α0——垂直入射吸声系数，用驻波管法测定的吸声系数（与实际工况尚有较大出入，但可表征材料本身的性能）。驻波管法简介：在一根内壁光滑截面厚度均匀的长厚管的一端盖头内装待测吸声材料，另一端装扬声器，扬声器向前发声，形成驻波场，用一根细的内壁光滑的空心金属探管探测，探管一端接在传声器上，另一端穿过扬声器可来回滑动，探测相对位置与声场变化关系，由驻波振幅的最大值与最小值及其与入射声波、反射声波的振幅关系，求得声强反射系数，从而求得吸声系数α0，并可根据驻波振幅的极小值位置求出相位差θ，从而求得材料的声阻抗率。具体详见p68。αT——无规入射吸声系数，用混响室法测定的吸声系数（与实际工况较接近，但测试较复杂，对仪器设备要求较高）。混响室法简介：将被测吸声材料放置在混响室地面当中或是挂起来，用白噪声发声器经功率放大器策动混响室内扬声器发出噪声，数秒钟后室内声场稳定，使声源突然停止发声，用传声器连同前置放大器通过长电缆连放大器，经滤波器至电平记录仪，记录下各频带声压级随时间的衰变曲线得T60即衰减60dB所需时间（混响时间），由放与不放置吸声材料的不同T60值计算出αT（被测吸声材料的）。具体详见P155。通常αT>α0，且αT省略写为α，一般无特别指明均为αT值。αT与α0的粗略换算关系为：低频（<500Hz）：αT=2α0；中频（500～1000Ｈz）：αT=1.35～1.25α0；高频（1000～8000Ｈz）：αT=α0。④各表面材料不同的室内吸声系数的表征由于室内各表面材料不同，则各部分的吸声系数不同，设各表面面积为S1，S2，…，Sn，相应的吸声系数为α1，α2，…，αn则显然，αs视αi取法不同而不同，αi为某频带的值则αs也为某频带的值。⑤αT与T60的关系S——室内表面积/m2,V——室内体积/m3m——空气衰减常数，与温湿度有关且随f升高而增大。（f<2000Hz时m可忽略），其值是P140。⑥与的关系 前已述及（条件：两无限大的均匀连续媒质界右）⑦斜向入射吸声系数入射角θ时：(α0仅作理论分析用)在扩散声场中，各种入射角的声波是等概率的，故二、多孔吸声材料的吸声机理及影响因素1、吸声机理吸声材料表面声阻抗率越接近空气介质特性阻抗ρc则界面反射越小，声波能量直接进入吸声材料内越多，再给：a.在材料孔隙内多次反射，引起小孔或间隙中的空气运动，同形成孔壁的固体筋络发生摩擦。b.粘滞性摩擦，声能被转换为热能，使微观局部温升。c.热传导效应则及时把上升的热量传走，为粘滞性进一步变声能为热能创造条件。显然，要使声波引起的空气振动直接传到材料内部的空气里，则应有足量的微小孔隙且是连通的，筋络多且刚性好，非连通的多孔材料为柔性材料，吸声性能较差。2、影响多孔材料吸声性能的主要因素指标（1）内部因素①流阻Rf是表征多孔材料对空气粘滞性能影响大小的重要参数。定义为：在稳定的气流条件下：为便于比较，常采用单位厚度流阻R1，，亦称此流阻通常1cm厚材料的比流阻在10～105Pa﹒s/m范围内。理论与实践表明，当多孔材料厚度足够大时，此流阻越小，吸声系数越大。对每一种厚度的多孔材料，均有一定的合适的流阻，过大过小均不能很好吸声，一个合适的流阻值要求材料内部的孔隙连通，孔径适当，既能让声波通过孔隙，又能使之充分地与材料的筋络发生摩擦，进行能量转换。一般转合适值在102～103Pa﹒s/m内。几种多孔材料的流阻：1.6cm甘蔗板3600Pa﹒s/m2.5cm纤维板1800Pa﹒s/m2.0cm玻璃纤维（0.26g/cm3）490Pa﹒s/m6.0cm毛毡（0.35g/cm3）3200Pa﹒s/m几种细纱网的流阻（护石材料）规格（目）每厘米的线数线径μm流阻Pa﹒s/m3050100120200122039477933022111491575.75.99.013.524.6②孔隙率q材料内部自由连通孔隙的体积V0与材料总体积V的比值，即。对纤维状材料，其孔隙率可按下式给算：多孔吸声材料的孔隙率一般都在70%以上，多数可达90%以上。③结构因子表征多孔材料内部的微观结构——孔隙形状及排列对吸声性能影响的参数。简单的理论分析中，孔隙被假设为沿厚度方向纵向排列的毛细管，但实际上孔隙的形状和排列都是复杂而又不规则的，故为使该理论与实际相符合，引入结构因子作为一个修正系数，其值一般在2～10之间，偶尔也有高达25的。结构因子的大小，对低频吸收影响大，大则低频吸收更大些。当材料流阻比较小时，增大结构因子则中高频范围的吸声系数呈周期性变化（变差）。对纤维状材料，结构因子大者往往对应孔隙率小者。玻璃棉结构因子为2~4木丝板为3~6毛毡为5~10聚氨脂泡沫为2~8微孔吸声砖为16~20当相互垂直的三个方向的毛细管构成了格子结构时，结构因子为3；当毛细管相互平行但与表面法线夹角为α时，结构因子为1/cos2α。(α=45°时，1/cos2α=2)（2）外部因素（工程使用因素）①材料厚度的影响因实际材料非均匀且有限厚度，所以α与ZS的前述关系不能直接应用，需修正，常从ZS本身分析。多孔材料的表面声阻抗率K——材料内空气的压缩弹性模量ω——声波圆频率ρ——材料内空气密度d——吸声材料厚度当频率w较小时，即低频时，ZS以声抗为主，α值很小。当w极大时，以声阻为主，声抗几乎消失，α达最大，即高频吸声系数大。从ZS式中可知，若α改变，其他不变，吸声系数幅值不变，则w将相应改变以使wd乘积不变，故材料厚度加倍则吸声系数最大的频率向低频方向移动一个倍频程，但对高频声的吸收并无好处，因为高频声在吸声材料表面就被吸收。且对f>500Hz，α几乎与d无关。实验表明，同一种多孔材料，当容重一定时，厚度与频率的乘积决定了吸声系数的大小。常用多孔吸声材料的吸声特性材料名称容重（kg/m3）fr-DKHz-cm峰值吸声系数αr下半频宽Ωoct备注超细玻璃棉152025～3035～405.04.02.5～3.02.00.90～0.990.90～0.990.80～0.900.70～0.8011/311/312/3沥青玻璃棉毡1108.00.90～0.9511/3～12/3沥青矿棉毡～1204.0～5.00.85～0.9512/3聚氨脂泡沫塑料20～505.0～6.03.0～4.02.0～2.50.90～0.990.85～0.950.75～0.8512/311流阻较低流阻较高流阻很高微孔吸声砖340～450620～8303.02.00.800.6011/311/3流阻较低流阻较高木丝板280～6005.00.80～0.901海草～1004.0～5.00.80～0.901市场上成品材料最度有3cm、5cm、8cm、10cm、15cm等规格。若吸声材料层背后为刚性壁石，最佳吸声频率出现的材料厚度等于该频率声波波长的1/4。（从反射吸收角度所推得的）②材料的容重纤维棉类吸声材料填充的容重间接地控制着材料内部微孔尺寸。容重过小，经运输或振动，易导致疏密不均，效果变差。容重增加，孔隙率会相应降低，因而改善低频吸声效果，但高频吸声效果将会下降。当容重过大时，孔隙率过低，吸声效果又会明显降低。超细玻璃棉以20～25kg/m3为佳（最大为30），根据实际填装经验，这样的容重只要掌握在比玻璃棉的自然密度略大一些即可。③多孔材料背后空气层的影响其机理见下图可见增加空气层目的为改善低频吸声效果。当空气层厚度等于1/4波长的奇数倍时，可获得最大的α值，而当其厚度为1/2波长的整数倍时，吸声系数最小。相当于增加材料层的有效厚度。太薄对低频作用不大，太厚不切实际。对低频取200～300mm对高频取70～100mm（更常用）④护面层a.用低流阻材料，如玻璃纤维布、麻布、纱布等，对吸声材料性能影响可忽略。b.用穿孔率大于20%的穿孔板则影响不大（大于30%时几乎无影响）。若穿孔率小于20%，则在高频部分，由于声波波长短，衍射效应小，护面层后吸声材料性能发挥差，但对低频部分，由于衍射作用强，所以影响不大。孔径通常取为5～8mm。⑤空间吸声体利用声波衍射及室内反射作用，扩大声波接触吸声面。悬挂时总是小面积朝下。⑥温、湿度的影响：温度高，吸声峰值向高频移动；反之向低频。吸湿后吸声性能降低。三、吸声结构的吸声机理及影响因素1、薄板共振吸声结构由薄板和密闭板后空气层组成质量弹簧系统。机理：声波引起薄板振动消耗能量（以热能形式）以降低声能密度。板的劲度远小于空气层的劲度。∵空气的体积弹性模量为，劲度为又∵共振频率(弹簧振子系统)∴薄板共振吸声结构共振吸声频率为取ρ=1、2kg/m3,C=340m/s注意单位M——薄板面密度kg/m2L——板后空气层厚度cm常用木质薄板共振吸声结构的板厚取3～6mm，空气层厚度取30～100mm，共振吸收频率级在100～300Hz之间，其吸声系数一般为0.2～0.5。若在薄板与龙骨架交接处放置一些柔软材料（如橡皮条、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性材料（如玻璃纤维棉等），则吸声性能可以明显提高。（对低频）2、亥姆霍兹共振器（单个空腔共振吸声结构）由一个空腔（体积为V）和颈口（颈长为l0，直径为d）所组成，腔体通过孔颈与腔外大气相通。原理：当声波作用于颈口，并当波长比颈口大得多时，颈部空气质点往复摩擦颈壁使部分声能转化为热能而消耗，当系统的固有频率与声波激发频率相吻合时发生共振，声能消耗最大。其共振频率可按下式估算：S——颈口面积m2c取340m/sV——空腔体积m3t——孔径深度，m——开口末端修正量，m与空腔形状无关在下有最大吸声量以外频段，由于引起空腔空气分子的振动不大，吸声量急降。吸声频带窄。例：吸声砖，江南减振降噪集团（湖大）生产，孔径有23、25mm等规格，施工时共振吸声频率的单个空腔交错排列分别吸收50、100Hz的低频噪声。3、薄膜共振吸声结构用薄膜（如聚乙烯薄膜、漆布、不透气的帆布等），在其后设置空气层所构成。与薄板结构在吸声机理上基本相同。由于膜的面密度比较小，故其fr向高频移动。通常fr为200~1000Hz，最大吸声系数为0.3~0.4。则注意单位M——薄板面密度kg/m2L——板后空气层厚度cm4、穿孔板共振吸声结构可看作许多单个共振腔并联而成,单腔共振器的共振频率为：(同上)式中：c:声速，一般取340m/s2;S:孔颈开口面积；V:容腔容积，m3；t：孔颈深度； ：开口末端修正量。穿孔板共振吸声结构的共振频率是：式中：c:声速，一般取340m/s2;L:板后空气层厚度，m；t：板厚，m； ：孔口末端修正量；P:穿孔率P越大，越高，L越深或L越厚，则越低。p的计算:对于正方形排列d:孔径；B：孔隙间距（中心距）三角形排列平行狭缝p=d/B缝宽工程上：d取1.5～10mmp取5%d取2～15mmD取100～200mm通常，p=5～20%的各种穿孔板后留腔深为30～300mm的吸声结构，其αr约为0.3～0.5。为了提高其吸声的性能，可在空腔内加填多孔吸声材料。加填方式以紧贴穿孔板为最佳。5、微穿孔板吸声结构近年发展起来的新型吸声结构，其理论由马大酞教授创立。它是在板厚小于1mm的薄板上钻以孔径小于1mm的微孔，穿孔率在0.5～5%之间，后部留有一定厚度的空气层。因为它的穿孔直径很小，具有相当大的声阻，于是空腔内不必再填放吸声材料，同样能取得较高的吸声系数和较宽的有效吸声频带。金属微穿孔板吸声结构的相对声阻，相对声质量分别为：t——板厚d——孔径P——等孔率式中，、分别为声阻常数和声质量常数：d——孔径，mm；f——频率，kHz.可见d小则rA值大，而mA值却小得多。其共振频率D为腔深（穿孔板与后壁的距离）。共振时的最大吸声系数可见，孔径d越小，吸声系数越大，吸声降噪频带越宽。但越小越易堵。试验获知：当微穿孔板厚度t=0.2～1mm，孔径d=0.2～1mm，p=0.2～4%，吸声性能较好，最佳是p=1～2.5%。当t>1，d>1，p<0.5%或p>4%，α下降。为了提吸声带宽，有的场合可使用双层微穿孔板结构。典型例：前腔厚度80mm后腔厚度120mmp前为2%p后为1%d与t均为0.8mm。四、室内声场及吸声设计：1、扩散声场与混响声场：室内声场的建立过程：稳定声源初始阶段稳态混响声能密度与被声源供给识响声场的能量吸收声能均不断增加正好补偿被壁面与媒质所吸收的声能所谓混响指声源的直达声与室内多次反射的反射声混杂的结果，故混响声场即为直达声与反射声共同作用的声场，教材中推导室内声压级公式时用的是稳态混响声场的平均声能密度。扩散声场是混响声场的一种理想状态，即室内多次反射后，室内声能密度处处相同，在任何一点上，声波传播几率各向同性且相位无规律。教材中推导室内声压级公式时近似采用了扩散声场中平均自由程的概念，即不编空间的形状如何均为,从而得每秒内平均反射次数。最后由稳态时每秒钟由声源提供的混响声能等于被吸收的混响声能，经变换得：此即室内声场中离声源r处的声压级Lp的计算公式。式中，Lw——声源声功率级dBR——房间常量2．总声场的声压级：显然，当LW，Q已定时，只有改变R值才能使Lp随之变化，而R值不仅取决于αi，还取决于吸声面积Si，故表征室内吸声效果的特征指标应是R而不是α。易知：经吸声处理，室内某点位置上的噪声降低量为：注意不是反射声的降噪量，而是其与直达声按分贝叠加后的混响声的降噪量。当近源处：（混响半径概念：当Q=1时的临界半径又称为混响半径）r2很小，说明近场以直达声为主，吸声装置近乎不起降噪作用。当远离声源处：r2很大，时，远声场以混响声为主。两声场的临界距离只有在的区域内进行吸声处理才会有较明显的效果。值得注意：吸声处理有时虽只降几分贝，但心理效果很好，与声源降低几分贝的效果感觉大不一样。显然，尽可能将声源放置室内中央则可减小Q值使直达声降低，降低声源声功率级LW则LPD和LPk均降低。注意当房间内有多个声源分散布置时，室内声场多为直达声场，吸声降噪的效果不会理想。此时只有结合使用带吸声面的隔声屏障去阻断直达声，方可考虑在另侧作吸声处理。注意Lp计算公式的使用条件：扩散声场。只有当房间的体积相当大和声波频率比较高的条件下，才能达到近似扩散的声场，否则Lp与r的关系有较大误差，实际中将为驻波声场，其严格的分析需借助室内波动声学，分析简正频率。此外常见建材的吸声系数α名称及构造厚度（cm）αα125250500100020004000砖（粉刷面）混凝土石、水泥地面木门玻璃窗钢板石软座背椅（每把）半穿孔吸声装饰纤维板木丝板距顶棚10cm1.350.0280.020.080.120.010.1270.3470.7250.010.010.090.080.330.020.010.120.170.930.020.020.140.260.680.030.020.160.380.720.040.020.150.590.830.050.030.100.600.86在计算R值时，最好按频率不同分别计算，以便与噪声频谱相适应，吸声设计主要步骤：a.实测或预测室内噪声级和频谱特性；b.据标准或要求，确定室内的吸声降噪量，包括声级频谱（各频带所需降噪声量）。c.测量或估算量室内原