隔聲材料和結(jié)構(gòu)淺說論文

1、隔聲材料和結(jié)構(gòu)淺說論文 室內(nèi)裝修已成為一項(xiàng)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，大大小小的裝飾裝璜公司像雨后春筍，遍地林立。不少裝璜公司，以新風(fēng)格、新材料、新工藝給室內(nèi)建筑裝修帶來新面貌，達(dá)到了新水平。 在很多情況下，室內(nèi)裝修有一定的聲學(xué)要求。不僅是各類劇院、體育場館和歌舞廳以及與聲學(xué)有關(guān)的錄音室、演播室等專業(yè)用房本身有一定的聲學(xué)技術(shù)指標(biāo)，而且凡是公共場所，一般都需要傳播語言或音樂，即使是家庭用房現(xiàn)在也需要有良好的音樂欣賞環(huán)境。所以室內(nèi)裝修工程必須重視聲學(xué)要求。如果忽視這一點(diǎn)，極有可能造成不良后果。例如有一水上健身娛樂場所，地面基本上都是水面，上空是一大玻璃圓穹項(xiàng)，由于沒有聲學(xué)設(shè)計(jì)，致使廳內(nèi)混響時(shí)間特別長，當(dāng)有文娛表演

2、時(shí)連報(bào)幕的話也聽不清。再如有的走廓或門廳，做得富麗堂皇、金碧輝煌，但即使是普通的談話聲或背景音樂，也在空間內(nèi)久傳不衰，形成令人煩惱的干擾噪聲。 造成音質(zhì)差的主要原因是沒有科學(xué)的聲學(xué)設(shè)計(jì)。不少裝飾工程公司本身沒有合格的聲學(xué)設(shè)計(jì)人員；有的一開始邀請(qǐng)聲學(xué)專家做設(shè)計(jì)，以后自以為有了“經(jīng)驗(yàn)”，便大膽地把設(shè)計(jì)也承包了；有的是東抄西襲，以為找到了人家的奧秘，你做軟包，我也搞軟包，你用穿孔板，我也做穿孔板，實(shí)際上沒有掌握真正的聲學(xué)要求；也不排除有的工程技術(shù)人員懂得一些聲學(xué)知識(shí)，但并不精于室內(nèi)聲學(xué)的原理和實(shí)踐，做出了并不合格的聲學(xué)裝修設(shè)計(jì)。 室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)是一門系統(tǒng)學(xué)科，涉及面較廣，本文只就與室內(nèi)裝飾有關(guān)的吸聲和

3、隔聲的材料和結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)作簡單介紹，希望裝飾工程人員和業(yè)主對(duì)聲學(xué)材料和結(jié)構(gòu)有所了解，能夠理解聲學(xué)設(shè)計(jì)為什么作這樣那樣的處理，從而使裝飾工程在美觀和聲學(xué)要求上達(dá)到完美的統(tǒng)一。 1.吸聲與隔聲的基本概念 首先要明確吸聲與隔聲是完全不同的兩個(gè)聲學(xué)概念。吸聲是指聲波傳播到某一邊界面時(shí)，一部分聲能被邊界面反射(或散射)，一部分聲能被邊界面吸收(這里不考慮在媒質(zhì)中傳播時(shí)被媒質(zhì)的吸收)，這包括聲波在邊界材料內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉或是轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能沿邊界構(gòu)造傳遞轉(zhuǎn)移，或是直接透射到邊界另一面空間。對(duì)于入射聲波來說，除了反射到原來空間的反射(散射)聲能外，其余能量都被看作被邊界面吸收。在一定面積上被吸收的聲能與入

4、射聲能之比稱為該邊界面的吸聲系數(shù)。例如室內(nèi)聲波從開著的窗戶傳到室外，則開窗面積可近似地認(rèn)為百分之百地“吸收”了室內(nèi)傳來的聲波，吸聲系數(shù)為1。當(dāng)然，我們所要考慮的吸聲材料，主要不是靠開口面積的吸聲，而要靠材料本身的聲學(xué)特性來吸收聲波。 對(duì)于兩個(gè)空間中間的界面隔層來說，當(dāng)聲波從一室入射到界面上時(shí)，聲波激發(fā)隔層的振動(dòng)，以振動(dòng)向另一面空間輻射聲波，此為透射聲波。通過一定面積的透射聲波能量與入射聲波能量之比稱透射系數(shù)。對(duì)于開啟的窗戶，透射系數(shù)可近似為1(吸聲系數(shù)也為1)，其隔聲效果為0，即隔聲量為0db。對(duì)于又重又厚的磚墻或厚鋼板，單位面積質(zhì)量大，聲波入射時(shí)只能激發(fā)起此隔層的微小振動(dòng)，使對(duì)另一空間輻射的

5、聲波能量(透射聲能)很小，所以隔聲量大，隔聲效果好。但對(duì)于原來空間而言，絕大部分能量被反射，所以吸聲系數(shù)很小。 對(duì)于單一材料(不是專門設(shè)計(jì)的復(fù)合材料)來說，吸聲能力與隔聲效果往往是不能兼顧的。如上述磚墻或鋼板可以作為好的隔聲材料，但吸聲效果極差；反過來，如果拿吸聲性能好的材料(如玻璃棉)做隔聲材料，即使聲波透過該材料時(shí)聲能被吸收99(這是很難達(dá)到的)，只有1的聲能傳播到另一空間，則此材料的隔聲量也只有20db，并非好的隔聲材料。有人把吸聲材料誤稱為“隔音材料”是不對(duì)的。如果有人介紹某種單一材料吸聲好隔聲也好，那他不是不懂就是在騙人了。 2.吸聲材料 吸聲材料是指吸聲系數(shù)比較大的建筑裝修材料。如

6、果材料內(nèi)部有很多互相連通的細(xì)微空隙，由空隙形成的空氣通道，可模擬為由固體框架間形成許多細(xì)管或毛細(xì)管組成的管道構(gòu)造。當(dāng)聲波傳入時(shí)，因細(xì)管中靠近管壁與管中間的聲波振動(dòng)速度不同，由媒質(zhì)間速度差引起的內(nèi)摩擦，使聲波振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料，稱多孔性吸聲材料，如玻璃棉、巖棉、礦碴棉、棉麻和人造纖維棉、特制的金屬纖維棉等等，也包括空隙連通的泡沫塑料之類。吸聲性能與材料的纖維空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，如纖維的粗細(xì)(微米至幾十微米間為好)和材料密度(決定纖維之間“毛細(xì)管”的等效直徑)、材料內(nèi)空氣容積與材料體積之比(稱空隙率，玻璃棉的空隙率在90以上)、材料內(nèi)空隙的形狀結(jié)構(gòu)等。從使用的角度，可

7、以不管吸聲的機(jī)理，只要查閱材料吸聲系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可。當(dāng)然在選用時(shí)還要注意材料的防潮、防火以及可裝飾性等其他要求。 多孔性吸聲材料有一個(gè)基本吸聲特性，即低頻吸聲差，高頻吸聲好。定性的吸聲頻率特性見圖1。頻率高到一定值附近，見圖1中f0，吸聲系數(shù)達(dá)到最大值，頻率繼續(xù)增大時(shí)，吸聲系數(shù)在高端有些波動(dòng)。這個(gè)f0的位置，大體上是f0對(duì)應(yīng)的波長為材料厚度t的4倍 當(dāng)材料厚度增加時(shí)，可以改善低頻的吸聲特性。圖1中t2大于t1，相同頻率時(shí)t2的吸聲系數(shù)大于t1的吸聲系數(shù)。如果t2=2t1，則相同吸聲系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率大約為f2=f1，即厚度增加一倍，低頻吸聲系數(shù)的頻率特性向低頻移一個(gè)倍頻程。但并非可以一直增加厚度

8、來提高低頻吸聲系數(shù)的，因?yàn)槁暡ㄔ诓牧系目障吨袀鞑r(shí)有阻尼，使增加厚度來改善低頻吸聲受到限制。不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一類好的吸聲材料，一般用5cm左右的厚度，很少用到10cm以上。而像纖維板一類較微密的材料，其材料纖維間空隙非常小，聲波傳播的阻尼非常大，不僅吸聲系數(shù)小，而且有效厚度也非常小。 一般平板狀吸聲材料的低頻吸聲性能差是普遍規(guī)律。一種改進(jìn)的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀，見圖2，當(dāng)聲波傳播到尖劈狀材料時(shí)，從尖部到基部，空氣與材料的比例逐漸變化，也即聲阻抗逐漸變化，聲波傳播就超出平板狀材料有效厚度的限制，達(dá)到材料的基部，從而可改善低頻吸聲性能。吸聲頻率特性仍與圖1相似，最

9、大吸聲系數(shù)的頻率f0對(duì)應(yīng)的波長大約為尖劈吸聲結(jié)構(gòu)長度t的4倍。例如要使100hz以上頻率都有很高的吸聲系數(shù)，吸聲尖劈的長度約為87cm左右。當(dāng)然這樣的吸聲結(jié)構(gòu)一般不宜用于室內(nèi)裝修，主要用于聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室或特殊的噪聲控制工程。 3.共振吸聲結(jié)構(gòu) 利用不同的共振吸聲機(jī)理，設(shè)計(jì)各種類型的共振吸聲結(jié)構(gòu)，使吸收峰值選擇在所需頻率位置，滿足不同頻率吸聲量的要求，特別是解決低頻吸聲量不足的問題。 3.1薄層多孔性吸聲材料的共振吸聲 薄層多孔性吸聲材料也包括各種透氣的織物，如棉、麻、絲、絨、人造纖維等織物。如圖3a，將材料掛在剛性面前距離d處，則當(dāng)d=1/4(2n1)(1)時(shí)，是空氣中聲波波長，n為正整數(shù)，織物處

10、于剛性面前駐波的聲壓波節(jié)位置，那里聲波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大，使在織物中消耗最大的聲能，形成共振吸聲。在(1)式中n分別等于0、1、2時(shí)，對(duì)應(yīng)的共振吸聲頻率fn為：fn=(2n+1)/4.co/d(2)式中co為空氣中聲波傳播速度，一般以340ms計(jì)算。例如，當(dāng)織物與剛性壁距離為34cm時(shí)，n=0對(duì)應(yīng)的最低共振頻率f0=250hz，n=1對(duì)應(yīng)的f1=750hz，n=2對(duì)應(yīng)f2=1250hz。其共振吸聲的頻率特性見圖3b。吸聲峰值與織物性能有關(guān)，一般都比較大，但共振吸聲峰的寬度不大，在實(shí)際使用中往往將簾子增大折皺懸掛，即連續(xù)改變織物與剛性面的距離，并在不同距離處懸掛不止一層織物，以改善吸聲頻率特性。

11、此外，將厚度為d的玻璃棉一類材料離剛性面d處安裝，見圖4，則(1)式中的d變成為d(dt)連續(xù)變化，即有許多共振吸聲頻率，而最低共振頻率為f0=c04（dt）。 3.2薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu) 如果剛性面前d處有一層不透氣的膜，見圖5，膜的單位面積質(zhì)量為m，則膜與厚度為d的空氣層構(gòu)成質(zhì)量彈簧的共振系統(tǒng)，其共振頻率為： fr=co/2o/md（3） 式中o為空氣密度。例如在“軟包”外表面蒙上不透氣的膜，則包在里面的多孔性吸聲材料就不能發(fā)揮原有的吸聲功能，而首先是膜的共振吸聲并通過膜振動(dòng)傳入材料內(nèi)的吸聲作用，而此膜振動(dòng)又受到材料的阻尼抑制，吸聲效能受到限制。如果蒙皮用人造革一類質(zhì)量較大的材料，如有的劇院中

12、的座椅，那種吸聲性能就更差了。 3.3薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 薄板是兩維的振動(dòng)系統(tǒng)，其共振頻率除了與板的物理常數(shù)和幾何尺寸有關(guān)外，還和它的邊緣固定狀況有關(guān)。如果一塊邊長為la、lb的矩形板，厚度為h，四邊都被牢固地鉗定，它的共振頻率fm，n為： fm,n=/2eh2/12(1-2)1/2.m2/1n2+n2/1b21/2(4) 式中e、分別為板的楊氏模量、密度和泊松比，m、n為正整數(shù)。當(dāng)n=0、m=1時(shí)，得到最低的共振頻率(設(shè)lalb)。如果板為玻璃，將玻璃的物理常數(shù)代入： fm,n=2.510h3(m2/1n2+n2/1b2)1/2(5) 式中長度單位為米。例如長50cm、寬40cm、厚4mm的玻

13、璃窗，四邊固定，則(m，n)為(1，0)的最低共振頻率為20hz，(m，n)為(0，1)的共振頻率為25hz，(m，n)為(1，1)的共振頻率為32hz。隨著(m，n)漸次增大，共振頻率越來越大(間隔也越來越密)，在這些頻率上有較大的聲吸收和聲透射。 在室內(nèi)裝修中經(jīng)常用到板材，它們都有一定的共振吸聲效應(yīng)，其共振頻率大體上如(4)式所示，與板的幾何尺寸和物理常數(shù)有關(guān)，同時(shí)與邊緣固定狀況有關(guān)，例如釘子釘多少，釘緊的程度，是否用膠固定等等。因此這類共振吸聲往往不被主動(dòng)采用在設(shè)計(jì)方案內(nèi)，只有有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師才謹(jǐn)慎地使用。但有一點(diǎn)非常重要，即當(dāng)用薄板作表面裝飾處理時(shí)，為避免共振頻率過多的一致，在設(shè)計(jì)和施工

14、中注意將固定薄板的木筋之間給予不同的間距尺寸，使共振頻率得以分散。對(duì)于不希望有薄板共振吸聲作用的聲學(xué)空間，表面處理就采用貼實(shí)的厚板。 3.4穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 經(jīng)常利用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)來補(bǔ)足低頻所需的吸聲量。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)如圖6a所示，板厚t，離剛性面距離d，如板上鉆圓孔(也可開狹縫)，孔的半徑為a，穿孔面積占板面積的比率(穿孔率)為p，則此穿孔共振結(jié)構(gòu)的共振頻率fr為 fr=co/2p/(t+16a)d(6) 式中表示共振頻率有好幾個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)，如板厚t，孔的半徑a，穿孔率p以及板與剛性面的距離d?，F(xiàn)在市場上有做好的不同穿孔率的穿孔板，可以選擇不同的穿孔率和改變板與剛性面間距離d，來得到

15、所需的共振頻率。 需要注意的是穿孔板共振吸聲峰的形狀，它與共振結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼有關(guān)。見圖6b，阻尼小時(shí)，共振峰較尖銳,阻尼大時(shí)共振峰較為平緩。一般寧可選擇較為平緩的吸聲特性，以避免過強(qiáng)的吸聲頻率選擇性。板厚、孔徑小，阻尼較大。微穿孔板的穿孔直徑為081mm左右，所以阻尼大，吸收峰較為平緩，但因易積灰和不耐腐蝕，所以不少地方不宜采用。 一般穿孔板厚度不大于5mm，穿孔直徑在610mm左右，這種情況下阻尼嫌小。要增加共振結(jié)構(gòu)的阻尼，需要在穿孔附近增加吸聲材料。參看圖6c，當(dāng)聲波傳播經(jīng)過穿孔時(shí)，“聲線”像流線那樣在孔中和孔附近比較密集，那里的“流速”大，即聲波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大，吸聲材料產(chǎn)生最大的阻尼作

16、用。我們很難將吸聲材料填塞到一個(gè)個(gè)孔中，所以往往在板的前面或后面貼一層吸聲材料(厚度為一個(gè)孔直徑時(shí)效率最高)來增加共振吸聲系統(tǒng)的阻尼，使吸收峰比較平緩。吸聲材料在穿孔板后面時(shí)，只起到共振吸聲的阻尼作用；若放在穿孔板前面，則同時(shí)兼有多孔性吸聲材料的吸聲功能。穿孔率p大于02時(shí)，一般不是共振吸聲結(jié)構(gòu)，僅僅作為多孔性吸聲材料的“護(hù)面板”。 4.隔聲材料 不透氣的固體材料，對(duì)于空氣中傳播的聲波都有隔聲效果，隔聲效果的好壞最根本的一點(diǎn)是取決于材料單位面積的質(zhì)量。 參看圖7，一個(gè)面積非常大的隔層，其單位面積質(zhì)量為ms，當(dāng)聲波從左面垂直入射時(shí)，激發(fā)隔層作整體振動(dòng)，此振動(dòng)再向右面空間輻射聲波。以單位面積考慮，

17、透射到右面空間的聲能與入射到隔層上的聲能之比稱透射系數(shù)。定義無限大隔層材料的傳遞損失(也稱透射損失)tl： tl=101g1/(7) 上述簡單情況下可計(jì)算得到傳遞損失近似為： tl=20lgms/2oco(db)(8) 式中=2f為圓頻率，0、c0為空氣的密度和聲波傳播速度。tl的大小表示材料的隔聲能力。(8)式的一個(gè)重要特點(diǎn)，即材料單位面積質(zhì)量增加一倍，則傳遞損失增加6db。這一隔聲的基本規(guī)律稱“質(zhì)量定律”，也就是說隔聲靠重量。所以像磚墻、水泥墻或厚鋼板、鉛板等單位面積質(zhì)量大的材料，隔聲效果都比較好。 (8)式也表明，單層隔聲的高頻隔聲好，低頻差。頻率每提高一倍，傳遞損失就增加6db。 需要

18、說明的是：傳遞損失tl是隔層面積為無限大時(shí)的理論“隔聲量”，作為一垛墻或樓板，它都有邊緣與其它建筑構(gòu)件連接，這時(shí)的“隔聲量”與(7)式所表示的傳遞損失有差別。既有因邊緣接近于固定而增大隔聲能力，也有作為邊緣固定的板振動(dòng)有一定的共振頻率，使某些共振頻率點(diǎn)上隔聲效果降低的現(xiàn)象。而當(dāng)作為兩相鄰房間之間的隔墻或樓板，因?yàn)閮墒抑g有多條傳聲(或振動(dòng))通道，這兩個(gè)房間之間的隔聲量(只能稱聲級(jí)差)更不能以該隔層的傳遞損失來代表。 隔層材料在物理上有一定彈性，當(dāng)聲波入射時(shí)便激發(fā)振動(dòng)在隔層內(nèi)傳播。當(dāng)聲波不是垂直入射，而是與隔層呈一角度入射時(shí)，聲波波前依次到達(dá)隔層表面，而先到隔層的聲波激發(fā)隔層內(nèi)彎曲振動(dòng)波沿隔層橫

19、向傳播，若彎曲波傳播速度與空氣中聲波漸次到達(dá)隔層表面的行進(jìn)速度一致時(shí)，聲波便加強(qiáng)彎曲波的振動(dòng)，這一現(xiàn)象稱吻合效應(yīng)。這時(shí)彎曲波振動(dòng)的輻度特別大，并向另一面空氣中輻射聲波的能量也特別大，從而降低隔聲效果。產(chǎn)生吻合效應(yīng)的頻率fc為： fc=co2/2sin212(1-2)/eh21/2(9) 式中、e分別為隔層材料的密度、泊松比和楊氏模量，h是隔層厚度。任意吻合頻率fc與聲波入射角有關(guān)。在大多數(shù)房間中的聲場都接近于混響聲場，到達(dá)隔層的入射角從0到90都有可能，因此吻合頻率出現(xiàn)在從掠入射(=90)的fc0開始的一個(gè)頻率范圍，也就是說吻合效應(yīng)使某一頻率范圍的隔聲效果變差。一般這一頻率范圍發(fā)生在中高頻。從

20、質(zhì)量定律知道，中高頻隔聲量較大，除了內(nèi)阻尼很小的金屬板外，因吻合效應(yīng)使中高頻隔聲量降低的現(xiàn)象，不會(huì)引起很大的麻煩。 5.雙層隔聲結(jié)構(gòu) 根據(jù)質(zhì)量定律，頻率降低一半，傳遞損失要降6db；而要提高隔聲效果時(shí)，質(zhì)量增加一倍，傳遞損失增加6db。在這一定律支配下，若要顯著地提高隔聲能力，單靠增加隔層的質(zhì)量，例如增加墻的厚度，顯然不能行之有效，有時(shí)甚至是不可能的，如航空器上的隔聲結(jié)構(gòu)。這時(shí)解決的途徑主要是采用雙層以至多層隔聲結(jié)構(gòu)。 雙層隔聲結(jié)構(gòu)模型見圖8，單位面積質(zhì)量分別為m1、m2，中間空氣層厚度為l。雙層結(jié)構(gòu)的傳遞損失可以進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果比較復(fù)雜，在不同頻率范圍可以得到不同的簡化表示，這里只作定性介紹。 兩個(gè)隔層與中間空氣層組成一個(gè)共振系統(tǒng)，共振頻率為fr(m的單位為kgm2，l的單位為m)： fr=60/m1m