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    常用的吸聲材料和吸聲結構
    * 來源 : * 作者 : 廈門潤聲影音 * 發表時間 : 2015-09-01 * 瀏覽 : 259
    一、吸聲材料和吸聲結構

    在沒有進行聲學處理的房間里,人們聽到的聲音,除了由聲源直接通過空氣傳來的直達聲之外,還有由房間的墻面、頂棚、地面以及其它設備經多次反射而來的反射聲,即混響聲(reverberant sound)。由于混響聲的疊加作用,往往能使聲音強度提高10多分貝。如在房間的內壁及空間裝設吸聲結構,則當聲波投射到這些結構表面后,部分聲能即被吸收,這樣就能使反射聲減少,總的聲音強度也就降低。這種利用吸聲材料和吸聲結構來降低室內噪聲的降噪技術,稱為吸聲(sound absorption)。
        1.吸聲材料
    材料的吸聲性能常用吸聲系數(absorption coefficient)來表示。聲波入射到材料表面時,被材料吸收的聲能與入射聲能之比稱為吸聲系數,用α表示。一般材料的吸聲系數在0.01~1.00之間。其值愈大,表明材料的吸聲效果愈好。材料的吸聲系數大小與材料的物理性質、聲波頻率及聲波入射角度等有關。
    通常把吸聲系數α>0.2的材料,稱為吸聲材料(absorptive material)。吸聲材料不僅是吸聲減噪必用的材料,而且也是制造隔聲罩、阻性消聲器或阻抗復合式消聲器所不可缺少的。多孔吸聲材料的吸聲效果較好,是應用最普遍的吸聲材料。它分纖維型、泡沫型和顆粒型三種類型。纖維型多孔吸聲材料有玻璃纖維、礦渣棉、毛氈、苷蔗纖維、木絲板等。泡沫型吸聲材料有聚氨基甲醋酸泡沫塑料等。顆粒型吸聲材料有膨脹珍珠巖和微孔吸聲磚等。
    表10-2
    多孔材料的吸聲系數α0
    材料名稱
    厚度
    密度
    腔厚
    頻率(Hz)
    材料名稱
    厚度
    密度
    腔厚
    頻率(Hz)
    cm
    kg/m3
    cm
    125
    250
    500
    1000
    2000
    4000
    cm
    kg/m3
    cm
    125
    250
    500
    1000
    2000
    4000
    超細玻璃棉棉徑
    4μm
    2
    20
     
    0.04
    0.08
    0.29
    0.66
    0.66
    0.66
    水泥
    木絲板
    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
    礦渣棉
    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
    礦棉板,表面壓紋打孔
    1.5
    400
     
    0.06
    0.15
    0.46
    0.83
    0.82
    0.78
    工業毛氈
    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
    甘蔗纖維板
    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
    水玻璃膨脹珍珠巖
    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
     
    微孔磚
    5
     
     
    0.15
    0.40
    0.57
    0.48
    0.60
    0.61
    木纖維板
    1.3
    320
     
    0.10
    0.20
    0.40
    0.50
    0.45
    0.50
    前所述,多孔吸聲材料對于高頻聲有較好的吸聲能力,但對低頻聲的吸聲能力較差。為了解決低頻聲的吸收問題,在實踐中人們利用共振原理制成了一些吸聲結構(absorptive structure)。常用的吸聲結構有薄板共振吸聲結構、穿孔板共振吸聲結構和微穿孔板吸聲結構。
    (1)薄板共振吸聲結構。把不穿孔的薄板(如金屬板、膠合板、塑料板等)周邊固定在框架上,背后留有一定厚度的空氣層,這就構成了薄板共振吸聲結構。它對低頻的聲音有良好的吸收性能。其構造與等效圖如圖10-3所示,薄板相當于質量塊,板后的空氣層相當于彈簧。當聲波作用于薄板表面時,在聲壓的交變作用下引起薄板的彎曲振動。由于薄板和固定支點之間的摩擦和薄板內部引起的內摩擦損耗,使振動的動能轉化為熱能而使聲能得到衰減。當入射聲波的頻率與振動系統的固有頻率一致時,振動系統就會發生共振現象,聲能將獲得最大的吸收。
    薄板共振吸聲結構的共振頻率f0一般在80-300Hz之間。

    表10-4 常用薄板共振吸聲結構的吸聲系數αT
    材料與構造        空氣層厚度(cm)        各頻率下的吸聲系數αT
                    125Hz        250 Hz        500 Hz        1000 Hz        2000 Hz        4000 Hz
    三合板,龍骨間距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,龍骨間距
    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
    草紙板,板厚2cm,龍骨間距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
    木絲板,板厚3 cm,龍骨間距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
    刨花壓軋板,板厚1.5 cm,龍骨間距45cm×45cm        5        0.35        0.27        0.20        0.15        0.25        0.39
    (2)穿孔板共振吸聲結構。穿孔板共振吸聲結構可以看作許多個單孔共振腔并聯而成,其結構示意圖如圖10-4所示。單孔共振腔如圖10-5所示,它是由腔體和頸口組成的共振結構,稱為亥姆霍茲共振器。腔體通過頸部與大氣相通,在聲波的作用下,孔頸中的空氣柱就象活塞一樣作往復運動,由于頸壁對空氣的阻尼作用,使部分聲能轉化為熱能。當入射聲波的頻率與共振器的固有頻率一致時,即會產生共振現象,此時孔頸中的空氣柱運動速度最大,因而阻尼作用最大,聲能在此情況下將得到最大的吸收。它的吸聲頻率與板厚δ、腔深D和穿孔率P有關。其共振頻率f0由下式計算:
       (Hz)             (10-22)
    式中   D—空腔深度,m;
    d—小孔頸口直徑,m;
    P—穿孔率(穿孔的面積占總面積的百分數);
    lk—小孔的有效頸長,lk=+dπ/4,m;
    δ—板厚,m;
    c—聲速,m/s。
    這種吸聲結構的缺點是對頻率的選擇性很強,在共振頻率時具有最大的吸聲性能,偏離共振頻率時則吸聲效果較差。它吸收聲音的頻帶比較窄,一般只有幾十赫茲到200Hz的范圍。為了使其吸收聲音的頻帶加寬,可在穿孔板后蒙上一層織物或填放多孔吸聲材料。
    (3)微穿孔板吸聲結構。微穿孔板吸聲結構是在普通穿孔板吸聲結構的基礎上發展起來的。普通穿孔板吸聲結構的板厚一般為1.5~mm,孔徑為2~15mm,穿孔率為0.5~5%左右.而微穿孔板吸聲結構是一種板厚及孔徑均為lmm以下,穿孔率為1~3%的金屬穿孔板與板后的空腔組成的吸聲結構。這是一種新型共振吸聲結構,有較寬的吸聲頻帶,并且不必填放多孔材料和織物,同樣也能達到較高的吸聲能力。
    微穿孔板吸聲結構具有美觀、輕便的優點。特別適用于高溫、潮濕和易腐蝕的場合。由于它阻力損失小,所以在動力機械中,為控制氣流噪聲提供較好的吸聲結構。但微穿孔板吸聲結構制造工藝復雜,成本較高,用于油污氣體中容易堵塞,因此在工程技術中應根據實際情況合理使用。
    如果采用雙層或多層微穿孔板吸聲結構,可使吸收頻率范圍加寬很多。圖10-6是雙層微穿孔板吸聲結構示意圖。穿孔板分為前后兩層,前空腔深為80mm,后空腔深為120mm,前后微穿孔板的穿孔率P分別為2%和1%,孔徑d和板厚δ均為0.8mm。
    應當指出,利用吸聲材料來降低噪聲,其效果是有一定條件的。吸聲材料只是吸收反射聲,對聲源直接發出的直達聲是毫無作用的。也就是說,吸聲處理的最大可能是將聲源在房間的反射聲全部吸收。故在一般情況下用吸聲材料來降低房間的噪聲其數值不超過10dB(A),在極特殊的條件下也不會超過15dB(A)。而且,吸聲處理的方法只是在房間不大或原來吸聲效果較差的場合下才能更好地發揮它的降噪作用。
     
    二、隔聲構件和隔聲材料
    利用木板、金屬板、墻體、隔聲罩等隔聲構件將噪聲源與接收者分隔開來,使噪聲在傳播途徑中受到阻擋以減弱噪聲的傳遞,這種方法稱為隔聲(sound insulation)。
    噪聲按傳遞方式可分為空氣傳聲(簡稱為空氣聲)和固體傳聲(簡稱為固體聲)兩種??諝鈧髀暿侵嘎曉粗苯蛹ぐl空氣振動而產生的聲波,并借助于空氣介質直接傳入人耳的。例如汽車的喇叭聲以及機器表面向空間輻射的聲音。固體傳聲是指聲源直接激發固體構件(如建筑結構)振動后所產生的聲音。固體構件的振動(如錘擊地面),以彈性波的形式在墻壁及樓板等構件中傳播,在傳播中向周圍空氣輻射出聲波。
    實際上,任何接受位置上均包含了兩種傳聲的結果。辨明兩種傳聲中哪一種是主要的,將有助于有效地采取隔聲措施。對于前者,通常用重而密實的構件隔離;而對于后者,則通常采用隔振措施,例如通過彈簧、橡膠或其它彈性墊層予以隔離。本節主要討論各種構件對空氣傳聲的隔聲原理和措施。
    1.1.隔聲構件的透聲系數與透射損失
    聲波在傳播途徑中碰到一個邊界很大的屏障時,它的能量一部分被屏障反射,另一部分被材料吸收,還有一部分會透過屏障傳到另一側去,如圖10-7所示。設入射到屏障上的總聲能為Wi,反射聲能為Wr,透過的聲能為Wt,被材料消耗吸收的能量為Wa。它們的關系為:
              (10-23)
    吸聲是將吸聲材料 (或吸聲結構)襯貼或懸掛在屏障甲側,當聲波入射到吸聲材料表面時,依靠材料的吸聲作用,減少聲反射,從而使甲側空間內噪聲降低。
    隔聲是用隔聲結構將噪聲隔擋,減弱噪聲的傳遞,使吵鬧噪聲環境(甲側)與需要安靜的環境(乙側)分離隔開。隔聲能力可用透聲系數τ表示,它定義為:
                                       (10-24)
    透聲系數τ是小于1的數,在完全透射情況下(即Wt=Wi),τ=1。τ值越小,表示透過材料的聲能越小,說明材料的隔聲能力越好。
    通常材料的τ值很小,而且各種不同材料的τ值變化很大(在1~10-6之間),使用起來很不方便。因此在實際工程中,常用透射損失(亦稱隔聲量)LTL來表示,其單位是dB。
    材料的隔聲性能若用透射損失LTL表示,便可直接看出聲能透過后衰減的分貝數。材料的LTL值越大,說明材料的隔聲性能越好。綜上所述,吸聲與隔聲的主要區別:
    (1)兩者降噪機理完全不同。吸聲是利用吸聲材料(吸聲結構)的吸聲作用,減弱聲反射,使噪聲降低;隔聲則是利用隔聲結構對聲波起隔擋作用,減弱聲透射,獲得減噪效果。
    (2)兩者降噪措施的著眼點不同。吸聲所注意的是在屏障甲側(見圖10-7)反射回來的聲能(Wr)的大小,反射聲越小,則吸聲效果越好,因此采用吸收房內聲能的措施;隔聲所注意的是在屏障另一側(圖10-7中的乙側)透過去的聲能(Wt)的多少,透過聲越小,則隔聲效果越好,因此采用隔絕傳到其他空間聲能的措施。
    (3)兩者所用的材料不同。吸聲多用輕而疏松的材料,隔聲則選用重而密實的材料。
    另外,在隔聲設計中還可以充分利用有空氣層相隔的雙層墻板的隔聲結構,它可使隔聲量大大提高,這主要是因為夾層中空氣的彈性作用,使聲能得到衰減的緣故。如果隔聲效果相同,夾層結構比單層結構的重量將減輕2/3~3/4。
    纖維型多孔吸聲材料還有一種叫聚酯纖維,這是一種有區于玻璃纖維的全新吸音材料替代產品,吸音效果更好、產品更環保,功能更全面,此外,聚酯纖維的質量、原料和制造技術的成熟都影響著吸音系數的大小。因為材料的特性,此類產品在國內應用的非常廣泛,并有廠家引進技術在國內生產,相對來說國內技術還不夠成熟,質量管理有待于提高,所以比起進口產品的質量還是有一定差距的。
     
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