1、环境噪声控制工程七、吸声和室内声场7.1材料的声学分类和吸声特性7.1.1吸声材料的分类按吸声机理来分：(1)多孔性吸声材料按外观形状分为：颗粒型：如膨胀珍珠岩、蛭石混凝土、多孔陶瓷等纤维型：如毛、木丝、玻璃棉、矿渣棉等泡沫型：如聚氨酯泡沫塑料、微孔橡胶等(2)共振吸声结构由于共振作用，在系统共振频率附近对入射声能具有较大的吸收作用的结构，称为共振吸声结构。常见的有穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、薄板和薄膜吸声结构等。吸声原理示意图E入 E反E反被材料反射的声能7.1.2吸声系数和吸声量1.吸声系数吸声材料的吸声性能常用吸声系数表示。按定义，吸声系数是被材料吸收掉的声能与入射声能之比。式中大
2、两倍以上，吸声降噪才有效。一般将吸声系数0.20的材料才称为吸声材料。E入E入入射到材料上面的声能原则上，吸声处理后的平均吸声系数或吸声量应比处理前表下的吸声系数的算术平均值来表征其吸声性能，用示 。降噪系数（NRC）有时为了简化起见，只用倍频程的四个主要频率下的吸声系数的平均值来表征其吸声性能，即250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz等频率下的吸声系数的算术平均值，即称为降噪系数NRC。平均吸声系数（）材料的吸声系数与频率有关，一般采用倍频程125Hz，250Hz，500Hz，1000Hz，2000Hz，4000Hz等六个中心频率A S11S22 S33 房间总吸声量 吸声量（A
3、 ）材料的吸声系数只表明某种材料在某个频率所具有的吸声能力，至于一个房间内的实际吸声效果，不仅与材料的吸声系数有关，还与吸声材料的表面积大小有关。吸声系数（）和吸声总面积S的乘积称为吸声量（A）。7.1.3吸声系数的测量1.混响室方法用混响室法测定的数据，表示声波无规入射状态的2.驻波管方法使用驻波管测定的数据表示垂直入射在材料上的吸用驻波法测定较为简便，在混响室内测定的数据更接近实际。吸声系数，用S表示声系数，用0表示。图3-1 驻波管结构及测量装置7.2多孔吸声材料过去，多孔吸声材料常使用棉麻毛等天然材料，近年来，主要使用玻璃棉、超细玻璃棉、岩棉矿棉等无机纤维所代替。这些材料可以为松散的，
4、也可以加工成棉絮状或采用适当的粘结剂加工成毡状或板状。表7-1 多孔吸声材料基本类型主要种类有机纤维材料纤维 无机纤维材 材料料纤维材料制品常 用 材 料 举 例动物纤维，毛毡植物纤维：麻绒、海草、椰子丝玻璃纤维：中粗棉、超细棉、玻璃棉毡矿渣棉：散棉、矿棉毡软质木纤维板、矿棉吸声板、岩棉吸声板、玻璃棉吸声板、木丝板、甘蔗板等使 用 情 况价格昂贵，使用较少防火、防潮性能差，原料来源丰富，价格便宜吸声性能好，保温隔热，不自燃，防潮防腐，应用广泛吸声性能好，松散的散棉易因自重下沉，施工扎手装配式施工，多用于室内吸声装饰工程颗粒材料砌块板材矿渣吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖、陶土吸声砖珍珠岩吸声装饰板多用
5、于砌筑截面较大的消声器质轻、不燃、隔热、强度偏低聚氨酯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料吸声性能不稳定，吸声系数在使用前须实测泡 泡沫塑料沫材料其它泡沫玻璃加气混凝土强度高，防水、不燃、耐腐蚀，价格昂贵，使用较少微孔不贯通，使用较少7.2.1多孔吸声材料的吸声原理由于材料内部的细微空隙占有材料的极大部分体积（如容重为20kg/m3的超细玻璃棉层，玻璃纤维本身所占的体积不到1，而99以上都是空隙），这些空隙从材料表面到其内部，构成了许多微小通路。当声波入射到材料表面时，大部分声音通过这些微小通路传至材料内部，声波激发其中的空气分子和材料筋络（即材料纤维或孔壁）振动、摩擦，致使相当一部分声能转化为热能而消耗掉
6、。由此可见，只有材料的孔隙对表面开口，孔孔相连，且孔隙深入材料内部，才能有效地吸收声能。有些材料内部虽然也有许多微小气孔，但气孔密闭，彼此不相通，当声波入射到材料表面时，很难进入到材料内部，只是使材料作整体振动，其吸声机理和吸声特性与多孔材料不同。7.2.2影响多孔吸声材料吸声特性的因素多孔材料一般对中高频声波具有良好的吸声效果。影响多孔材料的吸声特性的主要因素是材料的孔隙率、空气流阻和结构因子。其中以空气流阻最为重要。流阻的定义是：当声波引起空气振动时，有微量空气在多孔材料的空隙中通过，这时材料两面的静压差P与气流线速度V之比称为流阻。（1）密度/容重（2）厚度（3）背后空气层（4）护面板的
7、影响（5）气流影响（6）温、湿度的影响多孔吸声制品有护面的多孔材料吸声结构1木龙骨；2轻织物3多孔材料；4穿孔板外环线声屏障的结构示意图三聚氢胺吸声泡沫塑料BASF公司开发生产的巴数特（plastics）TM是一种由三聚氰胺树脂制备的开孔泡沫，为热固型塑料。其特征是在于由纤维而易成型的丝线构成的精细三维网状结构。具有阻燃性、柔韧性、耐磨蚀性、良好的绝热性、重量轻、高吸声性能。在噪声控制和厅堂音质控制中具有广阔的应用前景。三聚氰胺泡沫塑料吸声性能优良，其开孔率达95%，容重极轻（412Kg/m3），是目前最轻的泡沫塑料。当密度为5Kg/m3，厚度为50mm，贴实，在500Hz8000Hz，吸声系
8、数均在0.85以上，中高频吸声性能特别优良。可按用户要求切割成不同形状的吸声体，可吊挂于体育场馆、影剧院、演播厅等处，也可制成吸声尖劈安装于消声室内，还广泛应用于汽车、火车、飞机等领域作为吸声材料和填充材料。泡沫陶瓷吸声板吸声泡沫陶瓷是将无机原料、有机高分子原料和纳米硅酸盐原料通过化学键合技术复合而成，具有三维连通网状结构，开孔率高，吸收声波能力强，耐气候变化，能承受野外长年风吹、日晒、雨淋、耐酸雨冲刷、耐寒抗冻，有抑制灰尘粘附，消除光线反射和自动排泄积水等作用，受潮不霉变，受振动不散落飘尘。泡沫陶瓷吸声板开口孔隙率为7883%，密度为400500Kg/m3，材料厚度为30mm，后留100mm
9、空腔，2504000Hz吸声系数平均值为0.8。吸声无纺布德国桑迪斯（Soundtex）吸声无纺布厚度约为0.2mm，可直接贴于穿孔板后面，穿孔孔径为3mm，穿孔率20，后部空腔400mm，其降噪系数NRC达0.75。将吸声无纺布贴于铝合金穿孔板后面，穿孔板孔径为2.8mm，穿孔率18，空腔为400mm，降噪系数NRC为0.75。一层0.2mm厚的吸声无纺布可以替代40mm厚纤维性吸声材料，而且不污染环境。在许多大型厂房的满铺吸声吊顶上采用铝合金穿孔板后面只贴一层吸声无纺布，替代常规的穿孔板后面贴玻璃丝布，再放50mm厚吸声玻璃棉的做法，取得了满意的降噪效果。a）板状 b）折板状 c）球状 d
10、）筒状 e）锥状 f）多边形 g）尖劈状h）帷幕状 i）薄膜状 j）薄盒状 k）屏风状a 尖劈的底部长度b 尖劈的底部宽度L 尖劈的长度7.2.4 吸声尖劈吸声原理利用特性阻抗逐渐变化，由尖劈端面特性阻抗接近于空气的特性阻抗，逐渐过渡到吸声材料的特性阻抗，这样吸声系数最高。吸声尖劈是一种楔子形的空间吸声体，它的吸声性能十分优良，用于要求吸声层的吸声系数尽可能接近1的声学实验室消声室里。当L大于所需吸声频率波长的1/4时，其吸声系数可达0.99。例如尖劈的长度取80100cm时，最低截止频率可达70100Hz。吸声尖劈消声室全消声室1全消声室27.3共振吸声结构结构或物体有各自的固有频率，当声波
11、频率与它们的固有频率相同时，就会产生共振。这时，结构或物体的振动最强烈，振幅和振动速度都达到最大值，从而引起的能量损耗也最多，因此，吸声系数在共振频率处为最大。利用这一特点，可以设计出各种共振吸声结构，以更多地吸收噪声能量，降低噪声。7.3.1薄膜与薄板共振吸声结构皮革、人造革、塑料薄膜等材料具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特性。这些薄膜材料可与其背后封闭的空气形成共振系统。共振频率由单位面积膜的质量、膜后空气层厚度及膜的张力大小决定。不受张拉或张力很小的膜，其共振频率可按下式计算：600M0L0c2M0L12f0 式中 M0 膜的单位面积质量 kg/m2L 膜与刚性壁之间空气层的厚度，cm
12、薄膜吸声结构的共振频率通常在2001000Hz范围，薄板吸声结构的共振频率一般在80300Hz之间，属低频吸声。当声波入射到板面时，在声波的交变压力作用下，迫使板产生振动，板要发生弯曲变形，出现了板的内部摩擦损耗，将机械能转变为热能。如果在薄板结构的边缘与龙骨架交接处放置一些柔软材料（如橡胶条、海绵条、毛毡等），以及在空气中沿龙骨框四周衬贴一些多孔材料（如玻璃棉），则吸声效果将明显提高。7.3.2穿孔板共振吸声结构穿孔板共振吸声结构是噪声控制中使用非常广泛的一种共振吸声结构。为了阐述穿孔板共振吸声结构的原理，可先了解单腔共振吸声结构（又称为“亥姆霍兹共振器”）（见下图）。声速，一般取340m/
13、s孔径开口面积，m2空腔容积，m3孔颈深度，m开口末端修正量，m单腔共振器的共振频率f0 可用下式计算：f0 c S2 Vt 式中：cSVt亥姆霍兹共振器的特点是吸收低频噪声并且频率选择性强。因此多用在有明显音调的低频噪声场合。在板材上，以一定的孔径和穿孔率打上孔，背后留有一定厚度的空气层，就成为穿孔板共振吸声结构（见图5）。这种吸声结构实际上可以看作是由单腔共振吸声结构的并联而成。穿孔板吸声结构的共振频率是板后空气层厚度，m板厚，m孔口末端修正量，m穿孔率，即穿孔面积与总面积之c2f0 PLt 式中：c 声速，m/sLtP比。穿孔率p计算：(a)圆孔正方形排列(b)圆孔三角形排列 d 2()
14、2 3 Bp 2 d()4 Bp 穿孔率为p，孔径d和孔心距B的单位均为mm。为增大吸声系数与提高吸声带宽，可采取以下办法：（1）穿孔板孔径取偏小值，以提高孔内阻尼；（2）在穿孔板后蒙一薄层玻璃丝布等透声纺织品，以增加孔颈摩擦；（3）在穿孔板后面的空腔中填放一层多孔吸声材料，材料距板的距离视空腔而定；（4）组合几种不同尺寸的共振吸声结构，分别吸收一小段频带，使总的吸声频带变宽；（5）采用不同穿孔率，不同腔深的多孔穿孔板结构。木质吸声板近年来广洲吉泰，广洲五羊艺冠、北京盛通、上海皓晟等多家建筑材料有限公司生产的木质吸声板，虽然名称不同，但结构形式，用料等基本相同。均是利用刻姆霍兹共振吸声原理，将
15、木条，木板穿孔板，吸声无纺布，吸声棉等复合成木质装饰吸声板，广泛用于建筑声学和噪声控制领域。当只用18mm厚木板材，穿孔率为12%，穿孔板后面粘贴一层吸声无纺布，空腔为20mm，其降噪系数NRC为0.63。吸声频带较宽，从160HZ4000HZ，吸声系数均大于0.60。当用18mm厚木板材，穿孔率为7%，穿孔板后面贴一层吸声无纺布，空腔为200mm，空腔内填装50mm厚玻璃棉吸声材料，其降噪系数NRC高达0.91。部分吸声材料和结构的典型吸声频率特性曲线7.3.3微穿孔板吸声结构微穿孔板吸声结构的理论是我国著名声学专家、中科院院士马大猷教授提出的。在板厚度小于1.0mm薄板上穿以小于1.0mm
16、的微孔，穿孔率在1%-5%之间，后部留有一定厚度（如520mm）的空气层。7.3.3微穿孔板吸声结构微穿孔板吸声结构由板厚和孔径均在1mm 以下、穿孔率为1%5%金属微穿孔板和空腔组成的复合结构。特点由于微穿孔板的孔细而密，与普通穿孔板相比具有声质量小、声阻大的特点，因而吸声系数和吸声频带宽度都比穿孔板吸声结构好得多，板后腔深可以控制吸声峰的位置，深度越大，共振频率越低。微穿孔板吸声结构的吸声系数曲线单层微穿孔板结构参数：孔径0.8mm，板厚0.8mm穿孔率2%，腔深100mm双层微穿孔板结构参数：孔径均为0.8mm，板厚均为0.8mm前板穿孔率2%，前腔深80mm后板穿孔率1%，后腔深120
17、mm7.4室内声场和吸声降噪为了便于分析研究，常把复杂的室内声场分为两部分：一部分由声源直接到达听者的直达声所形成的声场，称为直达声场；另一部分经过壁面一次或多次反射后的反射声到达听者所形成的声场，称为混响声场。QW4r2Id 7.4.1扩散声场中的声能密度和声压级1.直达声场设室内点声源声功率是 W ，在距其r 处的直达声的声强 Id 应为式中 Q 为指向性因数。2.混响声场对于混响声场，由于一般房间的壁面不很规则，从声源发出的声波以各种不同的角度射向壁面，经过多次反射后相互交织迭加，沿各方向传播的机率几乎是相同的，因此，在室内各处（紧靠壁面和声源处除外）的声场也几乎是相同的。这种传播方向各
18、向同性，而且各处均匀的声场称为完全扩散的声场。Dr S达到稳态时，室内的混响声能密度为：4W(1)cSR 1房间常量，则：设式中：R4WcRDr 4.混响半径当时，直达声与混响声的声能相等，这时候的距离称为临界半径，记Q/4r2 4/Rrc 0.14 QR时的临界半径又称为混响半径。作 r c ：当 Q 17.4.2室内声衰减和混响时间1.室内声能的增长和衰减过程当声源开始向室内辐射声能时，声波在室内空间传播，当遇到壁面时，部分声能被吸收，部分被反射；在声波的继续传播中多次被吸收和发射，在空间形成了一定的声能密度分布。混响时间测听：2sec3sec1sec6sec混响时间（）有效容积（m）吸声
19、降噪适用场合 最佳混响时间（T）下图由项端祈教授总结归纳音乐歌剧地方戏剧会议、礼堂、话剧、餐厅图内曲线有0.1s变动幅度(可根据具体情况取值)普通银幕电影宽银幕立体声电影(包括70mm影片)37.4.3吸声降噪量如果把合适的吸声材料饰于室内的表面，则房间的噪1Lp 10lg 2声降低量Lp可按下式计算：式中，1，2 房间内进行吸声处理前后的平均吸声量实际工程中，混响时间较易测量，所以还可以利用吸声处理前、后的混响时间T1、T2来计算吸声降噪，即吸声降噪作用 提高语言清晰度 消除声缺陷 大型厂房降低混响声 提高隔声构件的隔声量 提高阻性消声器消声量最佳降噪效果选择 工业厂房、站房吸声材料最佳安装
20、位置 吸声体最佳最省吊挂面积若采用空间吸声体降噪，吸声体面积宜取房间顶棚面积的40%左右，或室内总表面面积的15%左右。空间吸声体的悬挂高度宜低些，离声源宜近些。频谱特性最好相对应吸声材料和吸声结构吸声系数的最高点应与噪声源的峰值频率相对应。若能将噪声源峰值频率处的声级降下来，尤其是中高频峰值处的声级降低的越多，其降噪效果就越显著。吸声降 噪措施应用范围（1）在混响严重的小房间中宜采用吸声处理降噪，要注意其吸声面积的大小。实践经验证明，当房间容积小于3000m3 时，采用吸声饰面降低噪声的效果较好。（2）当原房间内壁面平均吸声系数较小时，比如，壁面由坚硬而光滑的混凝土抹面（吸声系数较低），采用
21、吸声降噪措施能收到良好效果。（3）在噪声源多且分散的室内，当对每一噪声源都采取噪声控制措施（如隔声罩等）有困难时，可以将吸声措施和隔声屏配合使用，会收到良好的降噪效果。7.4.4室内简正方式1.经典的概念：声线和声粒子的概念，直达声和反射声，几何声学和统计声学平均自由路程：l4V/S平均吸声系数：（面积加权平均）声音的衰减过程：混响与混响公式:Sabine公式,Eyring公式经典理论的两个假设：碰撞独立性假设各态历经性假设T=0.161V/S,T=0.161V/-S ln(1-),稳态声压级公式：Lp(r)=Lw+10lg(Q/4r2+4/R),R=S/(1-)2.波动理论（形式解）波动方程
22、在封闭空间中满足边界条件下的求解问题没有声源激发下的简正振动：声压p(x,y,z,t)在空间域上满足波动方程：c2p2 pt 2简谐解时：在封闭空间边界面上满足边界条件：声压 p与法向质点速度vn的比值满足界面的声阻抗Z：要想同时满足上述两个方程，k的值就不能任意选取，只有取某些数值（称为特征值kn）时，才有非零解。特征值kn对应的fn=n/2=ckn/2称为特征频率，又称简正频率，对应的方程的解pn pn(x,y,z）ei nt称为简正振动方式。pn(x,y,z）确定了一个声压幅值的空间分布。3.刚性界面矩形房间的简正振动波动方程可以把解写成：分解成3个方程，其一是代入边界条件：刚性边界得到
23、方程的通解特征值 k简正频率因为kxLx必须是的整数倍特征函数以上是矩形房间，可以求解析解，不规则形状房间无法求得解析解。给定一个频率f，低于 f的简正频率数目Nf：房间一：3.14.1 4.7m房间二：所以，在厅堂中，企图“准确”计算（哪怕用大型计算机，用各种数值方法计算）简正模式，求解波动方程，既是浩大的计算量，也是没有什么价值的。依然还是回到统计的方法。V是房间的体积LxLyLz计算机模拟（声线法和虚声源法）4.室内声场计算机模拟的局限1）建立在几何声学基础上的声线法和虚声源法，其前提就和室内声场本质是一个波动声学问题有悖，因而决定了大前提的误差，因此孜孜以求具体方法上的“改进”和计算精
24、度的“提高”是无济于事的。2）有限差分法、有限元法、边界元法因为计算机的应用可以在一定精度范围内求得波动方程离散的数值解，这对小尺度的声学器件和小房间是有用的，但对于厅堂这样的大房间，简正频率密度达到每赫兹有几个甚至几十个简正频率，把它们一一计算出来有什么意义呢？面对如此多的数据，还是要回到统计处理上去，并不比经典统计声学有多大提高。何况，用以计算的初始数据（形状、尺寸、界面声学特性等）和实际情况的误差，就足以改变具体的计算结果的数值。（当然其统计特性并没有太大的不同）6.91/T（T：混响时间）“没有比混响时间有更多的信息”5.厅堂频率响应函数的试验和理论分析（50年代柏林技术大学一个教授和三个学生的故事）跳水、游泳馆室内声学初步设计为确保跳水游泳馆的正常使用，建声设计除了控制混响时间满足扩声系统使用时有一定的语言清晰渡；还必须控制长延时的声反射，避免回声的产生。馆体积为148000m3，总表面面积为22000m2 ，按3000座观众计，每座观众平均所占体积为49.3m3吸声减噪计算实例车间尺寸：16m8m3m，面积S400m2噪声源：两台车床，其噪声波及整个车间控制要求：离机器8m以外处噪声降至NR55以下
