3.吸聲技術(shù)解析

第三章噪聲控制技術(shù)－吸聲Chapter3.Technologyofnoisereduction——noiseabsorption王志權(quán)ByWangZhiquan第一節(jié)概述

第二節(jié)吸聲材料

第三節(jié)吸聲結(jié)構(gòu)體

第四節(jié)吸聲設(shè)計(jì)

第三章噪聲控制技術(shù)－吸聲第一節(jié)概述1.聲音傳播途徑聲源傳播途徑接受點(diǎn)在聲源處抑制噪聲在聲傳播途徑中控制：吸聲、消聲、隔聲、阻尼減振等接受點(diǎn)的保護(hù)2.主要考量因素：噪聲源特性以及降噪量大小降噪遵循預(yù)防為主、全過(guò)程防治的基本操作原則——技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素——降噪方法：通常是采取綜合防治措施，即吸聲、消聲、隔聲、隔振和阻尼裝置等措施同時(shí)使用。吸聲是噪聲污染控制的一種重要手段，是一種在噪聲傳播途徑上控制噪聲污染的方法，常用于室內(nèi)減噪。3.室內(nèi)噪聲的來(lái)源：直達(dá)聲：聲音直接通過(guò)空氣傳播混響聲：室內(nèi)各墻壁面反射回來(lái)混響聲易造成聲污染，使室內(nèi)噪聲級(jí)增加；如：一列火車進(jìn)入隧道以后的噪聲級(jí)比行駛在空曠的野外可高出5-10dB；也會(huì)對(duì)聽覺造成干擾。混響聲的聲音強(qiáng)弱，取決于室內(nèi)各種物體表面的吸聲能力。有的能增強(qiáng)，有的通過(guò)聲能量的吸收而降低噪聲水平。1.吸聲概念當(dāng)聲波入射到物體表面時(shí)，部分入射聲能被物體表面吸收轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，這種現(xiàn)象叫“吸聲”。在噪聲污染控制工程設(shè)計(jì)中，常利用吸聲材料吸收聲能量來(lái)降低室內(nèi)噪聲。合理布置吸聲材料，可降低混響聲5-10dB。第二節(jié)吸聲材料2.吸聲機(jī)理吸聲材料是一種松軟多孔的物質(zhì)，聲波以聲能的形式投射到多孔材料表面時(shí)，一部分聲波從多孔材料表面反射，另一部分聲波進(jìn)入材料的孔隙，引起孔隙內(nèi)的空氣和材料本身振動(dòng)，由于多孔材料表面與空氣的內(nèi)摩擦（摩擦力來(lái)自空氣的壓縮、膨脹）作用，將一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能，此外，聲音在多孔材料內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射也進(jìn)一步衰減。所以，當(dāng)進(jìn)入多孔吸聲材料內(nèi)的聲波再返回時(shí)，聲波能量已衰減很多，大部分被多孔吸聲材料消耗掉了，從而使聲音的能量減小，達(dá)到降噪的目的。吸聲機(jī)理：壓縮、膨脹、摩擦、產(chǎn)熱降低聲音能量。材料特征：內(nèi)部有許多小孔，并與材料表面相通，具有通氣性。良好的吸聲材料需具備三點(diǎn)要求：

多孔

孔間貫通

與外界聯(lián)通3.影響多孔吸聲材料吸聲性能的主要因素：材料孔隙率（q）

孔隙率：多孔材料中通氣的孔隙體積與材料總體積之比。一般多孔材料的孔隙率在70％以上，有的高達(dá)90％。同時(shí)要求這些孔隙盡可能細(xì)小且分布均勻，這樣，材料內(nèi)孔隙的總表面積較大，利于聲能的吸收。吸聲材料的結(jié)構(gòu)特性（此處指材料的厚度和密度）材料密度：隨著材料密度的增大，最大吸聲系數(shù)αmax向低頻方向移動(dòng)。材料厚度：多孔材料對(duì)高頻率聲音吸聲效果明顯，即在高頻區(qū)吸聲系數(shù)較大；多孔材料對(duì)低頻率聲音吸聲效果差，即在低頻區(qū)吸聲系數(shù)較?。浑S著材料厚度的增加，吸聲最佳頻率向低頻方向移動(dòng)，即低頻范圍的吸聲性能隨材料厚度的增加而提高，但厚度增加對(duì)高頻聲的吸收影響不明顯，因高頻聲在吸聲材料表面即被吸收。厚度每增加1倍，最大吸收頻率（或頻譜曲線）向低頻方向移動(dòng)一個(gè)倍頻程；實(shí)際應(yīng)用中，多孔吸聲材料的厚度一般取30-50mm就可以，如果需要提高低頻吸聲效果，厚度可取50-100mm，必要時(shí)也可大于100mm，再大就不經(jīng)濟(jì)了，特別是當(dāng)材料厚度相當(dāng)大時(shí)，此時(shí)由于厚度引起的吸聲變化就不明顯了。

125250500100020004000（Hz）1.00.80.60.40.2（α）10cm5cm2.5cm密度為15kg/m3超細(xì)玻璃棉的吸聲特性（吸聲系數(shù)隨材料厚度增加的變化規(guī)律）4.材料吸聲特性的物理量吸聲系數(shù)（α）：材料吸收的聲能與入射到材料上的總聲能之比，常用來(lái)描述吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲能力。吸聲系數(shù)越大，吸聲性能越好。當(dāng)α＝0時(shí)，無(wú)吸聲當(dāng)α＝1時(shí)，完全吸收，無(wú)聲能反射E0EE1E2（1）影響因素材料的物理性質(zhì)：不同材料具有不同的吸聲能力，一般0.2～1。聲波頻率：α是f的函數(shù)，同一種材料對(duì)聲音的不同頻率有相對(duì)應(yīng)的α值，所以表征材料的α?xí)r，必須指明哪個(gè)頻帶。如150mm厚，密度為20kg/m3的玻璃棉，入射聲波為500Hz，α＝0.85；入射聲波為125Hz，α＝0.50。聲波的入射角（方向）通過(guò)調(diào)控吸聲材料和結(jié)構(gòu)體的安裝條件來(lái)改變?nèi)肷浣堑拇笮?。由于聲波的入射角不同，所測(cè)量的吸聲系數(shù)有三種不同的相應(yīng)表達(dá)方法（稍后介紹）。（2）不同吸聲材料的吸聲系數(shù)：密度小，孔隙多的材料（如玻璃棉，泡沫的塑料）等吸聲性能好，吸聲系數(shù)大。堅(jiān)硬光滑，結(jié)構(gòu)密實(shí)的材料（如混凝土水泥粉刷墻，水磨石墻體等），吸聲系數(shù)小。鑒于聲波頻率對(duì)吸聲系數(shù)的影響，工程中，通常用125Hz，500Hz，1KHz，2KHz，4KHz六個(gè)倍頻程的中心頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值來(lái)表示材料的吸聲頻率特性。這個(gè)表示量，也稱“平均吸聲系數(shù)”一般的，α大于0.2才是吸聲材料，α大于0.5就是理想的吸聲材料。（駐波管法）（3）三種不同的吸聲系數(shù)表達(dá)方法（依據(jù)測(cè)量時(shí)入射角度不同劃分）由于入射角度對(duì)吸聲系數(shù)影響較大，測(cè)量時(shí)入射角不同，有不同的測(cè)試結(jié)果，表示方法也不同，因此規(guī)定了三種不同的α。垂直入射吸聲系數(shù)（α0）駐波管法吸聲系數(shù)，多用于材料性質(zhì)的鑒定與研究。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便易測(cè)缺點(diǎn)：所得數(shù)據(jù)與實(shí)際常有一定誤差。斜入射吸聲系數(shù)實(shí)際中一般情況下應(yīng)用不多，特定的場(chǎng)合有時(shí)推薦使用這種方法。無(wú)規(guī)則入射吸聲系數(shù)（αT）又稱，“混響室法吸聲系數(shù)”，實(shí)際應(yīng)用多，具普遍意義，包括了各種入射角，測(cè)定的是聲波從各個(gè)角度以相等的幾率入射到材料表面所得到的吸聲系數(shù)。是在專門的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室混響室中測(cè)定的，花費(fèi)較大。常作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)。在工程中可以用α0來(lái)得到αT。吸聲量：工程上評(píng)價(jià)一種吸聲材料的實(shí)際吸聲效果時(shí)，通常用該量進(jìn)行評(píng)價(jià)，用A表示，單位m2。定義：吸聲系數(shù)與所使用的吸聲材料的面積之乘積。A＝αS，注：面積必須為向著自由空間完全敞開的面積。當(dāng)評(píng)價(jià)某空間的吸聲量時(shí)，需要對(duì)空間內(nèi)各吸聲面積與吸聲系數(shù)的乘積進(jìn)行求和，得到該空間的總吸聲量。5.多孔性吸聲材料分類一般分為三大類：纖維類、泡沫類、顆粒類其中，纖維類：無(wú)機(jī)纖維類、有機(jī)纖維類無(wú)機(jī)纖維（如玻璃棉、巖棉及其制品）超細(xì)玻璃棉：最常用的吸聲材料。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕，柔軟，耐高溫，耐腐蝕，防蛀，抗凍。缺點(diǎn)：吸水率高，彈性差，填充不均勻。礦渣棉：優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕、防火、耐高溫，耐腐蝕，防蛀。缺點(diǎn)：雜質(zhì)多，易脆，在風(fēng)速大，要求潔凈的場(chǎng)合不宜使用。巖棉：新型吸聲材料。優(yōu)點(diǎn)：隔熱，耐高溫。有機(jī)纖維類吸聲材料主要是由各種植物纖維如棉麻、甘蔗、稻草、棕絲等加工壓制成的各種軟質(zhì)纖維板。優(yōu)點(diǎn)：原材料屬于可再生生物質(zhì)資源，吸聲性能好且價(jià)格低。缺點(diǎn)：易潮，易變質(zhì)腐爛，從而降低吸聲性能。泡沫塑料材料聚氨酯，聚醚乙烯，聚氯乙烯等優(yōu)點(diǎn)：具良好的彈性，容易填充均勻，密度小。缺點(diǎn)：不防火，易燃，易老化。目前運(yùn)用最多的是聚氨酯泡沫塑料。顆粒類吸聲材料（建筑吸聲材料）如：微孔吸聲磚，加氣混凝土，礦渣水泥，多孔陶土磚等。保溫，防潮，耐熱，耐蝕，抗凍等。第三節(jié)吸聲結(jié)構(gòu)體工程中常采用空間結(jié)構(gòu)體吸聲降噪。實(shí)為將吸聲材料加外包裝（護(hù)面結(jié)構(gòu)）和框架制成的?？梢宰龀筛鞣N幾何體形狀，吸聲材料的各個(gè)表面都能同聲波接觸，起到空間吸聲的作用?？臻g吸聲體吸聲性能好，便于安裝。工程上，一般要求用便于安裝，質(zhì)量輕等，因此空間吸聲體常采用超細(xì)玻璃棉作為填充材抖．采用木架或金屬框等作為為支撐結(jié)構(gòu)，采用玻璃絲布作為外包裝材料，有時(shí)也采用穿孔率大于20％的穿孔板作為外包裝，但采用此包裝時(shí)相對(duì)重量和價(jià)格比采用玻璃絲布要高。空間吸聲體示意圖多孔吸聲材料對(duì)高頻聲有較好的吸聲能力，但對(duì)低頻聲的吸聲能力較差，若（過(guò)度）加厚吸聲材料來(lái)提高低頻噪聲的吸收，又很不經(jīng)濟(jì)。為解決這一矛盾，人們利用共振吸聲的原理設(shè)計(jì)了各種共振吸聲結(jié)構(gòu)，取得了較好的效果。在實(shí)踐中，一般利用共振吸聲原理把各種薄的板材（或在其上打上孔眼），并在其后設(shè)置一定深度的密封空腔，組成共振吸聲結(jié)構(gòu)。常用的共振吸聲結(jié)構(gòu)有共振吸聲器，穿孔板，微穿孔板，膜狀和板狀等共振吸聲結(jié)構(gòu)及空間吸聲體。第四節(jié)吸聲設(shè)計(jì)一、共振吸聲結(jié)構(gòu)（針對(duì)低頻噪聲控制）

材料特征：薄膜或薄板表面穿孔吸聲機(jī)理：應(yīng)用共振原理

1.聲音與薄板（薄膜）固有頻率產(chǎn)生共振

2.聲音與板后空腔氣室空氣產(chǎn)生共振共振吸聲結(jié)構(gòu)分類薄板或薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)單空腔共振吸聲體穿孔薄板共振吸聲體（1）單腔共振吸聲體又稱“亥姆霍茲共振器”，是一具有開口的體積為V的空腔。吸聲原理：空腔中空氣相當(dāng)于一個(gè)彈簧，當(dāng)聲波入射到頸中空氣時(shí)，頸中的空氣就像活塞一樣往返振動(dòng)，它與頸壁的摩擦作用，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。當(dāng)外來(lái)聲波頻率與其固有頻率相同時(shí)，發(fā)生共振，振動(dòng)速度達(dá)到最大值時(shí)，消耗的聲能也最大，此時(shí)的吸聲效果最好。亥姆霍茲共振器共振吸聲頻率計(jì)算：其中：

S：孔面積，m2V：共振腔體積，m3t：孔深度，mδ：孔口修正量，m

t+δ：為有效頸長(zhǎng)，對(duì)于直徑為d的圓孔，δ＝πd/4≈0.8d特點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)共振器頻率選擇性很強(qiáng)，吸聲頻帶很窄，f0一般在幾十~幾百Hz，往往用于低頻吸聲。實(shí)際工作中，分別設(shè)計(jì)幾種規(guī)格的共振器，以便在較寬的低頻范圍獲得較好的吸聲效果。改進(jìn)連接管的尺寸和空腔體的體積，可獲得不同共振頻率。在管內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料，可增加共振器的阻尼作用，能夠使共振器的吸聲頻帶的寬度加大。改進(jìn)：（2）穿孔板共振吸聲體（多腔共振吸聲體）定義：將鋼板、鋁板、膠合板、塑料板和草紙板等板材，以一定的孔徑和穿孔率打上孔，并在板后設(shè)置空氣層（空腔）而構(gòu)成。相當(dāng)于并聯(lián)的“亥姆霍茲”共振器。穿孔板共振結(jié)構(gòu)的排列方式：常見的三角形、正方形。缺點(diǎn)：頻率的選擇性很強(qiáng)，吸聲頻帶較窄，在共振頻率f0附近具有很大的吸聲性能，偏離共振頻率效果就差。

S：每個(gè)孔面積,m2A：共振單元薄板面積,m2D：穿孔板后空氣層厚度，m

Lk：頸的有效長(zhǎng)度，m（與薄板上孔徑的直徑大小和板厚有關(guān)。）

P：穿孔率＝S/A，每個(gè)共振腔體積V＝AD工程上常用設(shè)計(jì)參數(shù)——板厚1-10mm；孔徑：2-15mm穿孔率：0.5-15％空氣層厚：50-250mm。在板后空腔內(nèi)按一定要求填充適量多孔材料，以增加空氣的摩擦；可以考慮：穿孔板采用不同穿孔率的多層（常取兩層）穿孔板結(jié)構(gòu)，能使吸聲頻帶增寬，提高2－3個(gè)倍頻程；孔徑取偏小值，以提高孔內(nèi)阻尼。改善穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)的措施：（3）微穿孔板結(jié)構(gòu)是穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)措施。板薄：厚度小于1mm的薄板孔徑小，聲阻大：小于1mm穿孔率：1~5％該結(jié)構(gòu)由微穿孔板和板后的空腔組成。

該結(jié)構(gòu)是我國(guó)著名聲學(xué)專家馬大猷教授于1964年首先提出來(lái)的，1975年給出計(jì)算理論。特點(diǎn)：這種結(jié)構(gòu)的吸聲性能明顯優(yōu)越于前面三類共振結(jié)構(gòu)。它的吸聲頻帶較寬，吸聲系數(shù)較高，特別是它可用在其他材料或結(jié)構(gòu)不適合的場(chǎng)所（因?yàn)樗耆恍枋褂梦暡牧希?，如高溫、潮濕、在腐蝕性氣體或高速氣流等環(huán)境；同時(shí)它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)理論成熟，其吸聲特性的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值很接近，而一般吸聲材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)則要靠試驗(yàn)測(cè)量，理論只起指導(dǎo)作用，因此微孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)近年來(lái)已在噪聲控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，效果較好。但它的缺點(diǎn)是微孔加工較困難，且易被灰塵堵塞。不同與穿孔板共振吸聲器的主要特點(diǎn)是：減少穿孔直徑至1mm以下。（4）薄板（膜）共振吸聲結(jié)構(gòu)原理：不穿孔的薄板，如金屬板，膠合板，石膏板，塑料板等，使它周邊固定，在背后留一定厚度的空氣層，就構(gòu)成了薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。它對(duì)低頻聲有很好的吸聲性能。

f0：薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率，Hz；

M：薄板的面密度，Kg/m2；

D：空氣層（空腔）厚度，cm。當(dāng)入射聲波頻率f與結(jié)構(gòu)的固有頻率f0一致時(shí)，即產(chǎn)生共振，消耗聲能。薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍：薄膜吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率通常在200~1000Hz范圍，最大吸聲系數(shù)約為0.2~0.5。改進(jìn)措施：在薄板結(jié)構(gòu)的邊緣與龍骨架交接處放置一些柔軟材料（橡皮條，海綿條，毛氈等），以及在空氣層中沿龍骨框四周襯貼一些多孔材料（如玻璃棉），可大大提高吸聲效果；采用組合不同單元大小或不同腔深的薄板結(jié)構(gòu)，可以提高吸聲頻帶。圖示：在板后填充多孔性材料后，系統(tǒng)的吸系數(shù)和吸聲頻帶都會(huì)提高。填充纖維吸聲材料的薄板吸聲結(jié)構(gòu)及其吸聲特性1、應(yīng)盡量先對(duì)聲源進(jìn)行隔聲、消聲等處理，當(dāng)噪聲源不宜采用隔聲措施，或采用隔聲措施后仍不能達(dá)到噪聲標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可用吸聲處理作為輔助手段。只有當(dāng)房間內(nèi)平均吸聲系數(shù)很小時(shí)，吸聲處理才能取得良好的效果。單獨(dú)的風(fēng)機(jī)房、泵房、控制室等房間面積較小，所需降噪量較高，宜對(duì)天花板、墻面同時(shí)做吸聲處理；車間面積較大時(shí)，宜采用空間吸聲體，平頂吸聲處理；聲源集中在局部區(qū)域時(shí)，宜采用局部吸聲處理，并同時(shí)設(shè)置隔聲屏障；噪聲源比較多而且較分散的生產(chǎn)車間宜作吸聲處理。二、吸聲結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)的原則圖a：開闊的空間，是個(gè)自由聲場(chǎng)，聲波被空氣全部吸收，吸聲系數(shù)為1。圖b：堅(jiān)硬、光滑的剛性表面，聲波吸收很少；圖c：多孔吸聲材料，主要吸收中、高頻噪聲，吸收頻帶集中在中、高頻區(qū)；圖d：多孔材料背襯空腔，最大吸聲頻率向低頻移動(dòng)，吸收頻帶提高較大；圖e：穿孔板背襯多孔吸聲材料，不僅能較好吸收低頻噪聲，且吸聲頻帶增寬；圖f：板狀吸聲結(jié)構(gòu)（1線），若在板后充填多孔吸聲材料，可使吸聲系數(shù)提高，最大吸聲頻率向低頻移動(dòng)（2線）；圖g：穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，吸聲頻帶很窄；圖h：穿孔板背襯纖維布，吸聲頻帶有一定提高；圖i：多層穿孔板，吸聲效果較好，頻帶較寬。2、對(duì)于中、高頻噪聲，可采用20~50mm厚的常規(guī)吸聲板，當(dāng)吸聲要求較高時(shí)可采用50~80mm厚的超細(xì)玻璃棉等多孔性材料，并加適當(dāng)?shù)淖o(hù)面層；對(duì)于寬頻帶噪聲，可在多孔材料后留50~100mm的空氣層；對(duì)于低頻帶噪聲，可用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，其板厚通?？扇?~5mm，孔徑可取3~6mm，穿孔率小于5％。3、對(duì)于濕度較高的環(huán)境，或有清潔要求的板厚及孔徑均不大于1mm，穿孔率可取0.5~3％，空腔深度可取50~200mm。4、進(jìn)行吸聲處理時(shí)，應(yīng)滿足防火、防潮、防腐、防塵等工藝與安全衛(wèi)生要求，還應(yīng)兼顧通風(fēng)、采光、照明及裝修要求等。1、確定吸聲處理前室內(nèi)的噪聲級(jí)和各倍頻帶聲壓級(jí)，并了解噪聲源的特性，選定相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)；2、確定降噪地點(diǎn)的允許噪聲級(jí)和各倍頻帶的允許聲壓級(jí)，計(jì)算所需降噪量△LP；3、根據(jù)△LP

，計(jì)算吸聲處理后應(yīng)有的室內(nèi)平均吸聲系數(shù)；三、吸聲設(shè)計(jì)程序4、由室內(nèi)平均吸聲系數(shù)和房間可供設(shè)置的吸聲材料的面積，確定吸聲面的吸聲系數(shù)；5、由確定吸聲面的吸聲系數(shù)，選擇合適的吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)、類型、材料厚度、安裝方式等。1、房間平均吸聲系數(shù)和計(jì)算如果一個(gè)房間的墻面上布置有幾種不同的材料時(shí)，它們對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)和面積分別為:α1,α2,α3……和S1,S2,S3…….,則房間內(nèi)平均吸聲系數(shù)為：四、吸聲計(jì)算：

2、吸聲量的計(jì)算吸聲量又稱等效吸聲面積，為吸聲面積與吸聲系數(shù)的乘積。式中：A：吸聲量，m2；

α：吸聲系數(shù)；

S：使用材料的面積，m2。如果一個(gè)房間的墻面上布置有幾種不同的材料時(shí)，則房間的吸聲量為：3、室內(nèi)聲壓級(jí)的計(jì)算房間內(nèi)噪聲的大小和分布取決于房間形狀、墻壁、天花板、地面等室內(nèi)器具的吸聲特性，以及噪聲源的位置和性質(zhì)。室內(nèi)聲壓級(jí)的通常用下式計(jì)算