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    常用的吸声材料和吸声结构

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    常用的吸声材料和吸声结构
    * 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2015-09-09 * 浏览 : 20
    一、吸声材料和吸声结构

    在没有进行声学处理的房间里,人们听到的声音,除了由声源直接通过空气传来的直达声之外,还有由房间的墙面、顶棚、地面以及其它设备经多次反射而来的反射声,即混响声(reverberant sound)。由于混响声的叠加作用,往往能使声音强度提高10多分贝。如在房间的内壁及空间装设吸声结构,则当声波投射到这些结构表面后,部分声能即被吸收,这样就能使反射声减少,总的声音强度也就降低。这种利用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声的降噪技术,称为吸声(sound absorption)。
        1.吸声材料
    材料的吸声性能常用吸声系数(absorption coefficient)来表示。声波入射到材料表面时,被材料吸收的声能与入射声能之比称为吸声系数,用α表示。一般材料的吸声系数在0.01~1.00之间。其值愈大,表明材料的吸声效果愈好。材料的吸声系数大小与材料的物理性质、声波频率及声波入射角度等有关。
    通常把吸声系数α>0.2的材料,称为吸声材料(absorptive material)。吸声材料不仅是吸声减噪必用的材料,而且也是制造隔声罩、阻性消声器或阻抗复合式消声器所不可缺少的。多孔吸声材料的吸声效果较好,是应用最普遍的吸声材料。它分纤维型、泡沫型和颗粒型三种类型。纤维型多孔吸声材料有玻璃纤维、矿渣棉、毛毡、苷蔗纤维、木丝板等。泡沫型吸声材料有聚氨基甲醋酸泡沫塑料等??帕P臀牧嫌信蛘驼渲檠液臀⒖孜┑?。
    表10-2
    多孔材料的吸声系数α0
    材料名称
    厚度
    密度
    腔厚
    频率(Hz)
    材料名称
    厚度
    密度
    腔厚
    频率(Hz)
    cm
    kg/m3
    cm
    125
    250
    500
    1000
    2000
    4000
    cm
    kg/m3
    cm
    125
    250
    500
    1000
    2000
    4000
    超细玻璃棉棉径
    4μm
    2
    20
     
    0.04
    0.08
    0.29
    0.66
    0.66
    0.66
    水泥
    木丝板
    1.5
    470
    -
    0.05
    0.17
    0.31
    0.49
    0.37
    0.66
    4
    20
     
    0.05
    0.12
    0.48
    0.88
    0.72
    0.66
    1.5
    470
    3
    0.08
    0.11
    0.19
    0.56
    0.59
    0.74
    5
    15
     
    0.05
    0.24
    0.72
    0.97
    0.90
    0.98
    1.5
    470
    12
    0.1
    0.28
    0.48
    0.32
    0.42
    0.68
    10
    15
     
    0.11
    0.85
    0.88
    0.83
    0.93
    0.97
    2.5
    470
    -
    0.06
    0.13
    0.28
    0.49
    0.72
    0.85
    矿渣棉
    5
    175
     
    0.25
    0.33
    0.70
    0.76
    0.89
    0.97
    2.5
    470
    5
    0.18
    0.18
    0.50
    0.47
    0.57
    0.83
    矿棉板,表面压纹打孔
    1.5
    400
     
    0.06
    0.15
    0.46
    0.83
    0.82
    0.78
    工业毛毡
    1
    370
    -
    0.04
    0.07
    0.21
    0.50
    0.52
    0.57
    1.5
    400
    5
    0.17
    0.48
    0.52
    0.65
    0.72
    0.75
    3
    370
    -
    0.10
    0.28
    0.55
    0.60
    0.60
    0.59
    1.5
    400
    10
    0.21
    0.44
    0.52
    0.60
    0.74
    0.76
    5
    370
    -
    0.11
    0.30
    0.50
    0.50
    0.50
    0.52
    甘蔗纤维板
    1.5
    220
     
    0.06
    0.19
    0.42
    0.42
    0.47
    0.58
    7
    370
    -
    0.18
    0.35
    0.43
    0.50
    0.53
    0.54
    2
    220
     
    0.09
    0.19
    0.26
    0.37
    0.23
    0.21
    聚氨酯
    泡沫塑料
    3
    45
    -
    0.07
    0.14
    0.47
    0.88
    0.70
    0.77
    2
    220
    5
    0.30
    0.19
    0.20
    0.18
    0.22
    0.31
    5
    45
    -
    0.15
    0.35
    0.84
    0.68
    0.82
    0.82
    水玻璃膨胀珍珠岩
    10
    250
    -
    0.44
    0.73
    0.50
    0.56
    0.53
    -
    8
    45
    -
    0.20
    0.40
    0.95
    0.90
    0.98
    0.85
    10
    350-
    450
    -
    0.45
    0.65
    0.59
    0.62
    0.68
     
    微孔砖
    5
     
     
    0.15
    0.40
    0.57
    0.48
    0.60
    0.61
    木纤维板
    1.3
    320
     
    0.10
    0.20
    0.40
    0.50
    0.45
    0.50
    前所述,多孔吸声材料对于高频声有较好的吸声能力,但对低频声的吸声能力较差。为了解决低频声的吸收问题,在实践中人们利用共振原理制成了一些吸声结构(absorptive structure)。常用的吸声结构有薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微穿孔板吸声结构。
    (1)薄板共振吸声结构。把不穿孔的薄板(如金属板、胶合板、塑料板等)周边固定在框架上,背后留有一定厚度的空气层,这就构成了薄板共振吸声结构。它对低频的声音有良好的吸收性能。其构造与等效图如图10-3所示,薄板相当于质量块,板后的空气层相当于弹簧。当声波作用于薄板表面时,在声压的交变作用下引起薄板的弯曲振动。由于薄板和固定支点之间的摩擦和薄板内部引起的内摩擦损耗,使振动的动能转化为热能而使声能得到衰减。当入射声波的频率与振动系统的固有频率一致时,振动系统就会发生共振现象,声能将获得最大的吸收。
    薄板共振吸声结构的共振频率f0一般在80-300Hz之间。

    表10-4 常用薄板共振吸声结构的吸声系数αT
    材料与构造        空气层厚度(cm)        各频率下的吸声系数αT
                    125Hz        250 Hz        500 Hz        1000 Hz        2000 Hz        4000 Hz
    三合板,龙骨间距45cm×45cm        5        0.21        0.73        0.21        0.19        0.08        0.12
            10        0.59        0.38        0.18        0.05        0.04        0.08
    五合板,龙骨间距
    50 cm×45cm        5        0.11        0.26        0.15        0.04        0.05        0.10
            10        0.36        0.24        0.10        0.05        0.06        0.16
    草纸板,板厚2cm,龙骨间距45cm×45cm        5        0.15        0.49        0.41        0.38        0.51        0.64
            10        0.50        0.48        0.34        0.32        0.49        0.60
    木丝板,板厚3 cm,龙骨间距45cm×45cm        5        0.05        0.30        0.81        0.63        0.70        0.91
            10        0.09        0.36        0.61        0.53        0.71        0.89
    刨花压轧板,板厚1.5 cm,龙骨间距45cm×45cm        5        0.35        0.27        0.20        0.15        0.25        0.39
    (2)穿孔板共振吸声结构。穿孔板共振吸声结构可以看作许多个单孔共振腔并联而成,其结构示意图如图10-4所示。单孔共振腔如图10-5所示,它是由腔体和颈口组成的共振结构,称为亥姆霍兹共振器。腔体通过颈部与大气相通,在声波的作用下,孔颈中的空气柱就象活塞一样作往复运动,由于颈壁对空气的阻尼作用,使部分声能转化为热能。当入射声波的频率与共振器的固有频率一致时,即会产生共振现象,此时孔颈中的空气柱运动速度最大,因而阻尼作用最大,声能在此情况下将得到最大的吸收。它的吸声频率与板厚δ、腔深D和穿孔率P有关。其共振频率f0由下式计算:
       (Hz)             (10-22)
    式中   D—空腔深度,m;
    d—小孔颈口直径,m;
    P—穿孔率(穿孔的面积占总面积的百分数);
    lk—小孔的有效颈长,lk=+dπ/4,m;
    δ—板厚,m;
    c—声速,m/s。
    这种吸声结构的缺点是对频率的选择性很强,在共振频率时具有最大的吸声性能,偏离共振频率时则吸声效果较差。它吸收声音的频带比较窄,一般只有几十赫兹到200Hz的范围。为了使其吸收声音的频带加宽,可在穿孔板后蒙上一层织物或填放多孔吸声材料。
    (3)微穿孔板吸声结构。微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板吸声结构的基础上发展起来的。普通穿孔板吸声结构的板厚一般为1.5~mm,孔径为2~15mm,穿孔率为0.5~5%左右.而微穿孔板吸声结构是一种板厚及孔径均为lmm以下,穿孔率为1~3%的金属穿孔板与板后的空腔组成的吸声结构。这是一种新型共振吸声结构,有较宽的吸声频带,并且不必填放多孔材料和织物,同样也能达到较高的吸声能力。
    微穿孔板吸声结构具有美观、轻便的优点。特别适用于高温、潮湿和易腐蚀的场合。由于它阻力损失小,所以在动力机械中,为控制气流噪声提供较好的吸声结构。但微穿孔板吸声结构制造工艺复杂,成本较高,用于油污气体中容易堵塞,因此在工程技术中应根据实际情况合理使用。
    如果采用双层或多层微穿孔板吸声结构,可使吸收频率范围加宽很多。图10-6是双层微穿孔板吸声结构示意图。穿孔板分为前后两层,前空腔深为80mm,后空腔深为120mm,前后微穿孔板的穿孔率P分别为2%和1%,孔径d和板厚δ均为0.8mm。
    应当指出,利用吸声材料来降低噪声,其效果是有一定条件的。吸声材料只是吸收反射声,对声源直接发出的直达声是毫无作用的。也就是说,吸声处理的最大可能是将声源在房间的反射声全部吸收。故在一般情况下用吸声材料来降低房间的噪声其数值不超过10dB(A),在极特殊的条件下也不会超过15dB(A)。而且,吸声处理的方法只是在房间不大或原来吸声效果较差的场合下才能更好地发挥它的降噪作用。
     
    二、隔声构件和隔声材料
    利用木板、金属板、墙体、隔声罩等隔声构件将噪声源与接收者分隔开来,使噪声在传播途径中受到阻挡以减弱噪声的传递,这种方法称为隔声(sound insulation)。
    噪声按传递方式可分为空气传声(简称为空气声)和固体传声(简称为固体声)两种??掌侵干粗苯蛹し⒖掌穸纳?,并借助于空气介质直接传入人耳的。例如汽车的喇叭声以及机器表面向空间辐射的声音。固体传声是指声源直接激发固体构件(如建筑结构)振动后所产生的声音。固体构件的振动(如锤击地面),以弹性波的形式在墙壁及楼板等构件中传播,在传播中向周围空气辐射出声波。
    实际上,任何接受位置上均包含了两种传声的结果。辨明两种传声中哪一种是主要的,将有助于有效地采取隔声措施。对于前者,通常用重而密实的构件隔离;而对于后者,则通常采用隔振措施,例如通过弹簧、橡胶或其它弹性垫层予以隔离。本节主要讨论各种构件对空气传声的隔声原理和措施。
    1.1.隔声构件的透声系数与透射损失
    声波在传播途径中碰到一个边界很大的屏障时,它的能量一部分被屏障反射,另一部分被材料吸收,还有一部分会透过屏障传到另一侧去,如图10-7所示。设入射到屏障上的总声能为Wi,反射声能为Wr,透过的声能为Wt,被材料消耗吸收的能量为Wa。它们的关系为:
              (10-23)
    吸声是将吸声材料 (或吸声结构)衬贴或悬挂在屏障甲侧,当声波入射到吸声材料表面时,依靠材料的吸声作用,减少声反射,从而使甲侧空间内噪声降低。
    隔声是用隔声结构将噪声隔挡,减弱噪声的传递,使吵闹噪声环境(甲侧)与需要安静的环境(乙侧)分离隔开。隔声能力可用透声系数τ表示,它定义为:
                                       (10-24)
    透声系数τ是小于1的数,在完全透射情况下(即Wt=Wi),τ=1。τ值越小,表示透过材料的声能越小,说明材料的隔声能力越好。
    通常材料的τ值很小,而且各种不同材料的τ值变化很大(在1~10-6之间),使用起来很不方便。因此在实际工程中,常用透射损失(亦称隔声量)LTL来表示,其单位是dB。
    材料的隔声性能若用透射损失LTL表示,便可直接看出声能透过后衰减的分贝数。材料的LTL值越大,说明材料的隔声性能越好。综上所述,吸声与隔声的主要区别:
    (1)两者降噪机理完全不同。吸声是利用吸声材料(吸声结构)的吸声作用,减弱声反射,使噪声降低;隔声则是利用隔声结构对声波起隔挡作用,减弱声透射,获得减噪效果。
    (2)两者降噪措施的着眼点不同。吸声所注意的是在屏障甲侧(见图10-7)反射回来的声能(Wr)的大小,反射声越小,则吸声效果越好,因此采用吸收房内声能的措施;隔声所注意的是在屏障另一侧(图10-7中的乙侧)透过去的声能(Wt)的多少,透过声越小,则隔声效果越好,因此采用隔绝传到其他空间声能的措施。
    (3)两者所用的材料不同。吸声多用轻而疏松的材料,隔声则选用重而密实的材料。
    另外,在隔声设计中还可以充分利用有空气层相隔的双层墙板的隔声结构,它可使隔声量大大提高,这主要是因为夹层中空气的弹性作用,使声能得到衰减的缘故。如果隔声效果相同,夹层结构比单层结构的重量将减轻2/3~3/4。
    纤维型多孔吸声材料还有一种叫聚酯纤维,这是一种有区于玻璃纤维的全新吸音材料替代产品,吸音效果更好、产品更环保,功能更全面,此外,聚酯纤维的质量、原料和制造技术的成熟都影响着吸音系数的大小。因为材料的特性,此类产品在国内应用的非常广泛,并有厂家引进技术在国内生产,相对来说国内技术还不够成熟,质量管理有待于提高,所以比起进口产品的质量还是有一定差距的。
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