浅谈吸声技术：吸声材料和吸声结构

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　　在降噪措施中，吸声是一种最有效的方法，因而在工程中被广泛应用。采用吸声手段改善噪声环境时，通常有两种处理方法：

　　  · 是采用吸声材料

　　  · 是采用吸声结构

　　1、吸声评价方法

　　吸声材料或吸声结构的声学性能与频率有关，通常采用吸声系数、吸声量、流阻等三个与频率有关的物理量来评价。

　　(1) 吸声系数

　　式中，El为入射到材料或结构表面的总能量;Eα表示被材料或结构吸收的声能。

　　式中，Er表示被材料或结构反射的声能。

　　一般材料的吸声系数均在0~1之间，α值越大，吸声效果越显著。

　　(2) 吸声量

　　工程上评价一种吸声材料的实际吸声效果时，通常采用吸声量进行评价。吸声量的定义为吸声系数与所使用吸声材料的面积之乘积，用A来表示：

　　(3) 吸声预估与应用

　　吸声降噪原理：
　　在房间中，由于声波传播中受到壁面的多次反射而形成混响声，混响声的强弱与房间壁面对声音的反射性能密切有关。

　　为了降低混响声，通常用吸声材料装饰在房间壁面上，或在房间中挂一些空间吸声体。当从噪声源发出的噪声碰到这些材料时，被吸收掉一部分，从而使总噪声级降低。

　　吸声处理只能减弱从吸声面(或吸声体)上的反射声，即只能降低车间内的混响声，对于直达声却没有什么效果。因此，吸声处理只有当混响声占主要地位时才有明显的降噪效果;而当直达声占主要地位时，吸声处理就没有多大作用。

　　吸声降噪的预估：
　　吸声降噪值与声源的特性、吸声面积、吸声材料的厚度、容重以及吸声结构都有关系，但吸声降噪值主要取决于吸声处理前后的平均吸声系数、吸声面积。

　　A1和A2分别是房间吸声处理前后的吸声量，在计算吸声量时，必须计及吸声结构的总面积;T1和T2分别为房间吸声处理前后的混响时间。

　　2、吸声材料

　　采用吸声材料进行声学处理也是最常用的吸声降噪措施。工程上具有吸声作用并有工程应用价值的材料多为多孔性吸声材料，而穿孔板等具有吸声作用的材料，通常被归为吸声结构。多孔吸声材料有以下种类。

　　  · 按成型形状可分为：制品类和砂浆类;

　　  · 按照材料可以分为：玻璃棉、岩棉、矿棉等;


　　  · 按多孔性形成机理及结构状况又可分为：纤维状、颗粒状和泡沫塑料等。

　　(1) 多孔性吸声材料的吸声机理

　　多孔性吸声材料要具有吸声性能，就必须具备两个重要条件：一是具有大量的孔隙，二是孔与孔之间要连通。当声波入射到多孔性吸声材料表面后，一部分声波从多孔材料表面反射，另一部分声波透射进入多孔材料，进入多孔材料的这部分声波，引起多孔性吸声材料内的空气振动，由于多孔性材料中空气与孔的摩擦和粘滞阻力等，将一部分声能转化为热能。此外，声波在多孔性吸声材料内经过多次反射进一步衰减，当进入多孔性吸声材料内的声波再返回时，声波能量已经衰减很多，只剩下小部分的能量，大部分则被多孔性吸声材料损耗吸收掉。

　　(2) 影响多孔性吸声材料吸声系数的因素

　　影响多孔性吸声材料吸声性能的主要因素有：材料的厚度、材料的容重或空隙率、材料的流阻、温度和湿度。

　　流阻：
　　流阻Rj是评价吸声材料或吸声结构对空气粘滞性能影响大小的参量。流阻的定义是：微量空气流稳定地流过材料时，材料两边的静压差和流速之比

　　材料的厚度：
　　大量的试验证明：吸声材料的厚度决定了吸声系数的大小和频率范围。增大厚度可以增大吸声系数，尤其是增大中低频吸声系数。同一种材料，厚度不同，吸声系数和吸声频率特性不同;不同的材料，吸声系数和吸声频率特性差别也很大。

　　材料的容重或空隙率：
　　材料的容重是指，吸声材料加工成型后单位体积的重量。有时，也用空隙率来描述。空隙率是指，多孔性吸声材料中连通的空气体积与材料总体积的比值

　　材料的容重或空隙率不同，对吸声材料的吸声系数和频率特性有明显影响。一般情况下，密实、容重大的材料，其低频吸声性能好，高频吸声性能较差;相反，松软、容重小的材料，其低频吸声性能差，而高频吸声性能较好。

　　湿度和温度：
　　湿度对多孔性材料的吸声性能也有十分明显的影响。随着孔隙内含水量的增大，孔隙被堵塞，吸声材料中的空气不再连通，空隙率下降，吸声性能下降，吸声频率特性也将改变。因此，在一些含水量较大的区域，应合理选用具有防潮作用的超细玻璃棉毡等，以满足南方潮湿气候和地下工程等使用的需要。

　　温度对多孔性吸声材料也有一定影响。温度下降时，低频吸声性能增加;温度上升时，低频吸声性能下降，因此在工程中，温度因素的影响也应该引起注意。

　　材料后空气层的影响：
　　在实际工程结构中，为了改善吸声材料的低频吸声性能，通常在吸声材料背后预留一定厚度的空气层。空气层的存在，相当于在吸声材料后又使用了一层空气作为吸声材料，或者说，相当于使用了吸声结构。

　　材料饰面的影响：
　　在实际工程中，为了保护多孔性吸声材料不致变形以及污染环境，通常采用金属网、玻璃丝布、及较大穿孔率的穿孔板等作为包装护面;此外，有些环境还需要对表面进行喷漆等，这些都将不同程度地影响吸声材料的吸声性能。但当护面材料的穿孔率(穿孔面积与护面总面积的比值)超过20%时，这种影响可以忽略不计。

　　3、吸声结构

　　吸声处理中较常采用的另一措施就是采用吸声结构。吸声结构的吸声机理，就是利用赫姆霍兹共振吸声原理。

　　(1) 共振吸声原理

　　当声波入射到赫姆霍兹共振吸声器的入口时，容器内口的空气受到激励，将产生振动，容器内的介质将产生压缩或膨胀变形，根据等效线路图分析，可以得到单个赫姆霍兹共振吸声器的等效声阻抗为

　　赫姆霍兹共振吸声器的共振频率为

　　赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，其声抗最小，振动速度达到最大，对声的吸收也达到最大。

　　(2) 常用吸声结构

　　工程中常用的吸声结构有空气层吸声结构、薄膜共振吸声结构和板共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、吸声尖劈等，其中最简单的吸声结构就是吸声材料后留空气层的吸声结构。

　　空气层吸声结构
　　前面已经提到，在多孔材料背后留有一定厚度的空气层，使材料离后面的刚性安装壁保持一定距离，形成空气层或空腔，则它的吸声系数有所提高，特别是低频的吸声性能可得到大大改善。

　　通常的空气层厚度为50~300mm ，空腔厚度太小，则达不到预期的效果，空气层尺寸太大，施工时存在一定的难度。当然，对于不同的吸声频率，空气层的厚度有一定的最佳值，对于中频噪声，一般推荐多孔材料离开刚性壁面 70~100mm ;对于低频，可以增大到200~300mm。

　　薄膜、 薄板共振吸声结构
　　在噪声控制工程及声学系统音质设计中，为了改善系统的低频特性，常采用薄膜或薄板结构，板后预留一定的空间形成共振声学空腔。有时为了改进系统的吸声性能，还在空腔中填充纤维状多孔吸声材料。

　　在共振吸声结构中，薄膜的弹性和薄膜后空气层弹性共同构成了的共振结构的弹性，而质量由薄膜结构的质量确定。在低频时，可理解为单自由度的振动系统，当膜受到声波激励且激励频率与薄膜结构的共振频率一致时，系统发生共振，薄膜产生较大变形。薄膜的变形将消耗能量，起到吸收声波能量的作用。由于薄膜的刚度较小，因而由此构成的共振吸声结构的主要作用在于低频吸声性能。工程上常用预测系统的共振吸声频率：

　　式中，m为薄膜的面密度， D为空气层的厚度。

　　在板后填充多孔性吸声材料后，系统的吸声系数和吸声频带都会提高。

　　穿孔板吸声结构
　　由穿孔板构成的共振吸声结构被称做穿孔板共振吸声结构，它也是工程中常用的共振吸声结构。

　　对于多孔共振吸声结构，实际上可以看成单孔共振吸声结构的并联结构，因此，多孔共振吸声结构的吸声性能要比单孔共振吸声结构的吸声效果好，通过孔参数的优化设计，可以有效改善其吸声频带等性能。

　　对于多孔共振吸声结构，通常设计板上的孔均匀分布且具有相同的大小，因此，其共振频率同样可以使用下式进行计算。当孔的尺寸不相同时，可以采用下式分别计算各自的共振频率，需要注意的是，式中的体积应该用每个孔单元实际分得的体积，如果用穿孔板的穿孔率表示，则可以改写成

　　q=S/S0为穿孔板的穿孔率;h为空腔的厚度。

　　多穿孔板的共振频率与穿孔板的穿孔率、空腔深度都有关系，与穿孔板孔的直径和孔厚度也有关系。穿孔板的穿孔面积越大，吸声频率就越高;空腔或板的厚度越大，吸声频率就越低。为了改变穿孔板的吸声特性，可以通过改变上述参数以满足声学设计上的需要。

　　穿孔板主要用于吸收中、低频率的噪声，穿孔板的吸声系数在0.6左右。多穿孔板的吸声带宽定义为，吸声系数下降到共振时吸声系数的一半的频带宽度为吸声带宽，穿孔板的吸声带宽较窄，只有几十赫兹到几百赫兹。

　　为了提高多孔穿孔板的吸声性能与吸声带宽，可以采用如下方法：

　　  · 空腔内填充纤维状吸声材料;

　　  · 降低穿孔板孔径，提高孔口的振动速度和摩擦阻尼;


　　  · 在孔口覆盖透声薄膜，增加孔口的阻尼;


　　  · 组合不同孔径和穿孔率、不同板厚度、不同腔体深度的穿孔板结构。工程中，采用板厚度为2~5mm，孔径2~10mm ，穿孔率在1%~10% ，空腔厚度 100~250mm 的穿孔板结构。

　　微穿孔板吸声结构
　　微穿孔板吸声结构是一种板厚度和孔径都小的穿孔板结构，其穿孔率通常只有1%~3% ，其孔径一般小于3mm 。微穿孔板吸声结构同样属于共振吸声结构，其吸声机理与穿孔板结构也基本相同。与普通穿孔板吸声结构相比，其特点是吸声频带宽、吸声系数高，缺点是加工困难、成本高。微穿孔板吸声结构也可以组合成双层或多层结构使用，以进一步提高其吸声性能。

　　微穿孔板结构示意图

　　吸声体和吸声尖劈
　　工程中，也经常采用空间吸声体或吸声尖劈作为吸声结构。空间吸声体是一种高效的、自成体系的吸声结构，它主要由多孔性吸声材料加外包装构成，不需要壁板等结构一起形成共振空腔。其特点是吸声性能好、便于安装，要求是质量轻、便于施工等。因此，空间吸声体常采用超细玻璃棉作为填充材料，采用木架或金属框等为支撑结构，采用玻璃丝布作为外包装材料，有时也采用穿孔率大于20% 的穿孔板作为外包装，但采用此包装时，相对重量和价格比采用玻璃丝布要高。

　　吸声尖劈的吸声性能与吸声尖劈的总长度L=L1+L2和L1/L2以及空腔的深度H 、填充的吸声材料的吸声特性等都有关系，L越长，其低频吸声性能越好。

　　上述参数之间有一个最佳协调关系，需要在使用时根据吸声的要求进行优化，必要时还需要通过实验加以修正。

　　来源：整理自百度文库天坠者79分享的《振动与噪声控制技术》PPT讲义。