第五節(jié) 噪聲控制技術吸聲一、材料的聲學分類和吸聲特性（一）、吸聲材料的分類 吸聲材料按其吸聲機理來分類，可以分成多孔性吸聲材料及共振吸聲結構兩大類。1多孔性吸聲材料 無機纖維材料，如玻璃棉、巖棉及其制品。 有機纖維材料，如棉麻植物纖維及木質纖維制品（軟質纖維板、木絲板等）。 泡沫材料，如泡沫塑料和泡沫玻璃、泡沫混凝土等。吸聲建筑材料，如膨脹珍珠巖、微孔吸聲磚等。2共振吸聲結構由于共振作用，在系統(tǒng)共振頻率附近對入射聲能具有較大的吸收作用的結構，稱為共振吸聲結構。穿孔板吸聲結構微穿孔板吸聲結構薄板和薄膜吸聲結構等。（二）、吸聲系數(shù)和吸聲量1吸聲系數(shù) 吸聲系數(shù)定義為材料吸收的聲能與入射到材料上的總聲能之比，可用吸聲系數(shù)來描述吸聲材料或吸聲結構的吸聲特性。計算式為： 式中：Ei入射聲能； Ea被材料或結構吸收的聲能； Er被材料或結構反射的聲能； r反射系數(shù)。a0,表示無吸聲作用；a=1，表示完全吸收。一般的材料或結構的吸聲系數(shù)在0-1之間，a值越大，表示吸聲性能越好，它是目前表征吸聲性能最常用的參數(shù)。吸聲系數(shù)是頗率的函數(shù)，同一種材料，對于不同的頻率，具有不同的吸聲系數(shù)。平均吸聲系數(shù)a：中心頻率125,250,500,1 000,2 000,4 000六個倍頻程的吸聲系數(shù)的平均值，稱為平均吸聲系數(shù)a。2.吸聲量 吸聲材料的實際吸聲量按下式計算： AaS （7-2)吸聲量的單位是m2。房間總的吸聲量A可以表示為： 右式第一項為所有壁面吸聲量的總和，第二項是室內各個物體吸聲量的總和。 二、多孔吸聲材料（一）、多孔吸聲材料的吸聲原理內部具有無數(shù)細微孔隙，孔隙間彼此貫通，且通過表面與外界相通，當聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面上反射，一部分則透入到材料內部向前傳播。在傳播過程中，引起孔隙中的空氣運動，與形成孔壁的固體筋絡發(fā)生摩擦，由于粘滯性和熱傳導效應，將聲能轉變?yōu)闊崮芏纳⒌?。聲波在剛性璧面反射后，?jīng)過材料回到其表面時，一部分聲波透回空氣中，一部分又反射回材料內部，聲波的這種反復傳播過程，就是能量不斷轉換耗散的過程，如此反復，直到平衡，這樣，材料就“吸收”了部分聲能。（二）、吸聲材料吸聲特性的保證：為防止松散的多孔材料飛散，常用透聲織物縫制成袋，再內充吸聲材料，為保持固定幾何形狀并防止對材料的機械損傷，可在材料間加筋條（龍骨），材料外表面加穿孔護面板，制成多孔材料吸聲結構。（三）、影響多孔吸聲材料吸聲特性的因素多孔材料一般對中高頻聲波具有良好的吸聲效果。1. 空氣流阻的影晌空氣流阻是指在穩(wěn)定氣流狀態(tài)下，吸聲材料中壓力梯度與氣流線速度之比，它反映了空氣通過多孔材料時阻力的大小。單位厚度材料的流阻，稱為比流阻。當材料厚度不大時，比流阻越大，說明空氣穿透量越小，吸聲性能會下降；但若比流阻太小，聲能因摩擦力、粘滯力而損耗的效率也就低，吸聲性能也會下降。多孔材料存在一個最佳流阻。當材料厚度充分大時，比流阻越小，吸聲越大。2材料密度或孔隙率的影晌在同樣用料情況下，當厚度不限制時，多孔材料以松散為宜；在厚度一定的情況下，密度增加，則材料就密實，引起流阻增大，減少空氣穿透量，造成吸聲系數(shù)下降。所以材料密度也有一個最佳值。3. 材料厚度的影晌隨著厚度增加，中低頻吸聲系數(shù)顯著增加，而高頻則保持原先較大的吸收，變化不大；當厚度不變而增加密度，也可以提高中低頻吸聲系數(shù)，不過比增加厚度的效果小。在實用中，考慮到制作成本及工藝的方便，對于中高頻噪聲，一般可采用2-5 cm厚的成型吸聲板，對于低頻吸聲要求較高時，則采用5-10 cm厚的吸聲板。4背后空腔的影響當多孔吸聲材料背后留有空氣層時，與該空氣層用同樣的材料填滿的吸聲效果近似，與多孔材料直接實貼在硬底面上相比，中低頻吸聲性能都會有所提高，其吸聲系數(shù)隨空氣層厚度的增加而增加，但增加到一定厚度后，效果不再繼續(xù)明顯增加，如圖73所示。通常，空氣層的厚度為14波長的奇數(shù)倍時，吸聲系數(shù)最大；而為12波長的整數(shù)倍時，吸聲系數(shù)最小。5.護面層的影響飾面應具有良好的透氣性。對于一些成型的多孔材料板材，如木絲板、軟質纖維板等，有時需進行表面粉飾，這時要防止涂料把孔隙封閉，以采用水質涂料噴涂為好，不宜用油漆涂刷。6.環(huán)境條件的影響（溫度、濕度） 高溫高濕會引起材料變質，其中溫度的影響較小，濕度的影響較大。溫度降低，低頻吸聲系數(shù)增大。濕度大，材料含水率增大，孔隙變小。（四）、空間吸聲體定義：把吸聲材料或吸聲結構懸掛在室內離壁面一定距離的空間中，稱為空間吸聲體。由于懸空懸掛，聲波可以從不同角度入射到吸聲體，其吸聲效果比相同的吸聲體實貼在剛牲壁面上的好得多。因此采用空間吸聲體，可以充分發(fā)揮多孔吸聲材料的吸聲性能，提高吸聲效率，節(jié)約吸聲材料。分為兩類：一類是大面積的平板體，如果板的尺寸比波長大，則其吸聲情況大致上相當于聲波從板的兩面都是無規(guī)入射的。實驗結果表明，板狀空間吸聲體的吸聲量大約為將相同吸聲板緊貼壁面的兩倍，因此它具有較大的總吸聲量；另一類是離散的單元吸聲體，可以設計成各種幾何形狀，如立方體、圓錐體、短柱體或球體等，其吸聲機理比較復雜，因為每個單元吸聲體的表面積與體積之比很大，所以單元吸聲體的吸聲效率很高?？臻g吸聲體工作原理及應用 空間吸聲體彼此按一定間距排列懸吊在天花板下某處，吸聲體朝向聲源的一面可直接吸收入射聲能，其余部分聲波通過空隙繞射或反射到吸聲體的側面、背面，使得各個方向的聲能都能被吸收?？臻g吸聲體裝拆靈活，工程上常把它制成產品，用戶只要購買成品，按需要懸掛起來即可?？臻g吸聲體適用于大面積、多聲源、高噪聲車間，如織布、沖壓飯金車間等。 板狀吸聲體是應用最廣泛的一種空間吸聲體?？臻g吸聲板懸掛在擴散聲場中時，吸聲板之間的距離大于或接近于板的尺寸時，它的前后兩面都將吸聲，單位面積吸聲板的吸聲量A可取為： 式中：a1，a2分別為正反面的吸聲系數(shù)； a兩面的平均吸聲系數(shù)。 與貼實安裝的吸聲材料相比，空間吸聲板的吸聲量有明顯的增加。 實驗室和工程實踐表明，當空間吸聲板的面積與房間面積之比為30%一40時，吸聲效率最高，考慮到吸聲降噪量取決于吸聲系數(shù)及吸聲材料的面積這 兩個因素，因此實際工程中，一般取40%-60%，比全平頂式相比，材料節(jié)省一半左右，而吸聲降噪效果則基本相同。 空間吸聲板的懸掛方式，有水平懸掛、垂直懸掛和水平垂直組合懸掛等。吸聲板的懸掛位里應該盡量靠近聲源。三、 共振吸聲結構原理：振動結構或物體都要消耗聲能，從而降低噪聲。結構或物體有各自的固有頻率，當聲波頻率與它們的固有頻率相同時，就會發(fā)生共振。這時，結構或物體的振動最強烈，振幅和振動速度都達到最大值，從而引起的能量損耗也最多，因此，吸聲系數(shù)在共振頻率處為最大。（一）、薄膜與薄板共振吸聲結構 可形成共振系統(tǒng)的材料：皮革、人造革、塑料薄膜等材料具有不透氣、柔軟、受張拉時有彈性等特性。這些薄膜材料可與其背后封閉的空氣形成共振系統(tǒng)。不受張拉或張力很小的膜共振頻率可按下式計算：式中：M0膜的單位面積質量，kg/m2； L膜與剛性壁之間空氣層的厚度，cm。 薄膜吸聲結構的共振頻率通常在2001000Hz范圍，最大吸聲系數(shù)約為0.3-0.4，作為中頻范圍的吸聲材料。 把膠合板、硬質纖維板、石青板、石棉水泥板、金屬板等板材周邊固定在框上，連同板后的封閉空氣層，也構成振動系統(tǒng)。這種結構的共振頻率可用下式計算：式中：0空氣密度； C空氣中聲速，m/s; M0膜的單位面積質量，噸/m2； L膜與剛性壁之間空氣膜的厚度，m； K結構的剛度因素,kg（襯護）。 K與板的彈性、骨架構造、安裝情況有關。對于邊長為n和b，厚度為h的矩形筒支薄板：式中：E板材料的動態(tài)彈性模量，N /m2； 泊松比。 對于一般板材在一般構造條件下，K(1-3) * 106kg/(m2s2)， 薄膜和薄板共振結構的共振頻率主要取決于板的面密度和背后空氣層的厚度，增大M0和L均可以使fo下降，實用中薄板厚度常取36 mm，空氣層厚度一般取310 cm，共振頻率約在80300 Hz，故通常用于低頻率吸聲。（二）、穿孔板共振吸聲結構1.單腔共振吸聲結構一個中間封閉有一定體積的空腔，并通過有一定深度的小孔和聲場空間相連.當孔的深度t和孔徑d比聲波波長小得多時，孔中的空氣柱的彈性形變很小，可以看作一個無形變的質量塊（質點），而封閉空腔V的體積比孔頸大得多，隨聲波作彈性振動，起著空氣彈簧的作用。于是整個系統(tǒng)類似于彈簧振子，稱為亥姆霍茲共振器。當外界入射聲波頻率f和系統(tǒng)的固有頻率fo相等時，孔頸中的空氣柱就由于共振而產生劇烈振動。在振動中，空氣柱和孔頸側壁摩擦而消耗聲能，從而起到了吸聲的效果。單腔共振器的共振頻率fo計算式：式中：c聲速，一般取340 m/s; S孔頸開口面積，m2； V空腔容積，m3； t孔頸深度，m； 開口末端修正量，m。對于直徑d的圓孔，d /40 . 8 d。2.亥姆粗茲共振器的特點吸收低頻噪聲并且頻率選擇性強。因此多用在有明顯音調的低頻噪聲場合。若在口頸處加一些諸如玻瑞棉之類的多孔材料，或加貼一層尼龍布等透聲織物，可以增加頤口部分的摩擦阻力，增寬吸聲頗帶。3. 穿孔板共振吸聲結構 在板材上，以一定的孔徑和穿孔率打上孔，背后留有一定厚度的空氣層，就成為穿孔板共振吸聲結構。穿孔板吸聲結構的共振頻率是：式中：c聲速，m/S; L板后空氣層厚度，m； t 板厚，m； 孔口末端修正量，m; P穿孔率，圓孔正方形排列時，P=d24B2，圓孔等邊三角形排列時，P=d2231/2B2。其中d為孔徑，B為孔中心距。 一般穿孔板吸聲結構主要用于吸收低中頻噪聲的峰值。吸聲系數(shù)約為04一07。 設在fo處的最大吸聲系數(shù)為a，則在fo附近能保持吸聲系數(shù)為a /2的頻帶寬度f為吸聲帶寬。穿孔板吸聲結構的吸聲頻帶較窄，通常僅幾十赫到二、三百赫。吸聲系數(shù)高于0.5的頻帶寬度f可由下式計算：式中：0與共振頻率fo相對應的波長； L空腔深（板后的空氣層厚度），m。工程上一般取板厚2-5 mm，孔徑2-4 mm，穿孔率1一10，空腔深（即板后空氣層厚度）以10-25cm為宜。尺寸超以上范圍，多有不良影響，例如穿孔率在20%以上時，幾乎沒有共振吸聲作用，而僅僅成為護面板了。（三）、微穿孔板吸聲結構微穿孔板吸聲結構的形成：在板厚度小于1.0mm薄板上穿以孔徑小于1.0mm的微孔，穿孔率在1-5%之間，后部留有一定厚度（如5-20 cm）的空氣層?？諝鈱觾炔惶钊魏挝暡牧稀?，常用的多是單層或雙層微穿孔板結構形式。徽穿孔板吸聲結構是一種低聲質量，高聲阻的共振吸聲結構，其性能介于多孔吸聲材料和共振吸聲結構之間。其吸聲頻率寬度可優(yōu)于常規(guī)的穿孔板共振吸聲結構。 研究表明，表征微穿孔板吸聲特性的吸聲系數(shù)和頻帶寬度，主要由微穿孔板結構的聲質量，和聲阻r來決定。而這兩個因素又與微孔直徑d及穿孔率P有關，微穿孔板吸聲結構的相對阻抗Z（以空氣的特性阻抗0C為單位）用下式計算：式中：C空氣中聲速，m/s; D腔深（穿孔板與后壁的距離），mm； m相對聲質量； r相對聲阻； 角頻率，=2f(f 為頻率); j虛數(shù)。 r和m分別由下式表示：式中：t板厚，mm； d孔徑，mm； P穿孔率，； Kr聲紐系數(shù)，即：Km聲質盤系數(shù)，即：通常橄穿孔板吸聲結構的設計，孔徑與板厚之尺寸基本相當，因此式中的x值可按下式計算：式中：d 孔直徑，mm； f頻率，kHz。定義微穿孔板的阻尼比為： 該值對微穿孔板結構的共振頻帶寬度影響很大。由此值可推導得微穿孔結構的共振頻率：半吸收頻率的相對半寬度為： 利用以上各式，就可以從要求的r、m、f求出穿孔板吸聲結構的x、d、t、P等參量，由于微穿孔板的孔徑很小，孔數(shù)很多，其r值比普通穿孔板大得多，而m又很小，故吸聲頻帶比普通穿孔板共振吸聲結構寬得多，這是微穿孔板吸聲結構的最大特點。一般性能較好的單層或雙層微穿孔板吸聲結構的吸聲頻帶寬度可以達到6-10個1/3倍頻程以上。 共振時的最大吸聲系數(shù)為： 常用的微穿孔板材料：鋁板、鋼板、鍍鋅板、不銹鋼板、塑料板等材料。微穿孔板的優(yōu)點：由于微穿孔板后的空氣層內無需填裝多孔吸聲材料，因此不怕水和潮氣，不霉、不蛀、防火、耐高溫、耐腐蝕、清潔無污染，能承受高速氣流的沖擊，因此，微穿孔板吸聲結構在吸聲降噪和改善室內音質方面有著十分廣泛的應用。（四）、薄塑盒式吸聲體1.薄塑盒式吸聲體吸聲過程：薄塑盒式吸聲體也稱無規(guī)共振吸聲結構，是由改性的聚氯乙烯塑料薄片成型制成，外形像個塑料盒扣在塑料基片上。當聲波入射時，盒體的各個表面受迫作彎曲振動，由于盒體各壁面尺寸不同，薄片將產生許多振動模式，這些模式取決于它的邊界條件，在振動過程中，薄片自身的阻尼作用將部分聲能轉換為熱能，從而起到了吸聲的作用。2.影響因素： 這種結構的吸聲特性和薄片厚度、內腔變化、斷面形狀及結構后面的空氣層厚度等因素有關。塑料薄片的厚度直接影響結構吸聲性能的變化。在保證強度的條件下，面層薄片以薄為宜，