空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲原理

共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理是：當(dāng)聲波的頻率與共振吸聲結(jié)構(gòu)的自振頻率一致時(shí)，發(fā)生共振，聲波激發(fā)共振吸聲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，并使振幅達(dá)到最大，從而消耗聲能，達(dá)到吸聲的目的。

最簡(jiǎn)單的空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)是亥姆霍茲共振器，它是一個(gè)封閉空腔通過(guò)一個(gè)開(kāi)口與外部空間相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)。各種穿孔板、狹縫板背后設(shè)置空氣層形成吸聲結(jié)構(gòu)，根據(jù)它們的吸聲機(jī)理，均屬空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)取材方便，如可用穿孔的石棉水泥板、石膏板、硬質(zhì)纖維板、膠合板以及金屬板等做成。使用這些板材組成一定的結(jié)構(gòu)，可以很容易地根據(jù)要求來(lái)設(shè)計(jì)所需要的吸聲特性，并在施工中達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因材料本身具有足夠的強(qiáng)度，故這種材料在建筑中使用較廣泛。

空腔共振器可作為單個(gè)吸聲體、穿孔板共振器或狹縫共振器使用。單個(gè)空腔共振器是規(guī)格不一的空的陶土容器。它們的有效吸聲范圍為100—400Hz，屬于中低頻吸聲結(jié)構(gòu)。用按級(jí)配攪拌的混凝土制造的帶狹縫空腔的標(biāo)準(zhǔn)砌塊，稱(chēng)為吸聲砌塊。是一種新型的空腔共振器。其吸聲量在低頻時(shí)最大，高頻時(shí)減少。在體育館、游泳池，工業(yè)廠房、機(jī)械設(shè)備房間等場(chǎng)所采用它作吸聲材料是合適的。

穿孔板共振器是在剛性板上穿孔或穿縫，并與墻壁隔開(kāi)一定距離安裝，它實(shí)際上是利用了空腔共振器的吸聲原理，以形成許多個(gè)空腔共振器。影響穿孔板吸聲性能的因素是多方面的。在噪聲控制工程中，通常把穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的穿孔率控制在1%—10%的范圍內(nèi)，最高不能超過(guò)20%，否則就起不到共振吸聲的作用，而僅起到護(hù)面板的作用了。為增大吸聲系數(shù)與提高吸聲帶寬，可采取以下辦法：（1）穿孔板孔徑取偏小值，以提高孔內(nèi)阻尼；（2）在穿孔板后緊密實(shí)貼薄膜或薄布材料，以增加孔頸摩擦；（3）在穿孔板后面的空腔中填放一層多孔吸聲材料，增加孔頸附近的空氣阻力，多子L材料應(yīng)盡量靠近穿孔板；（4）組合幾種不同尺寸的共振吸聲結(jié)構(gòu)，分別吸收一小段頻帶，使總的頻帶變寬。通過(guò)采取以上措施，可使吸聲系數(shù)達(dá)到0.9以上，吸聲帶寬可達(dá)2—3個(gè)倍頻程。

自中國(guó)著名的聲學(xué)家馬大猷在20世紀(jì)70年代提出穿孔板、微穿孔板理論并構(gòu)建了其吸聲機(jī)制模型及其精確解以來(lái)，微穿孔板得到了廣泛的應(yīng)用。后續(xù)研究工作者從優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的角度出發(fā)，發(fā)展了穿孔板及其微穿孔理論，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了理論方面的深入研究，獲得了豐碩的研究成果。

穿孔板與微穿孔板是充分利用其與后部空腔內(nèi)的空氣層形成共振作用而有效吸聲，一般只在特定頻段具有良好的吸聲性能。這一特定頻段與空腔深度密切相關(guān)，為使結(jié)構(gòu)在低頻段具有良好的吸聲性能，空腔深度必須很深; 由于這種結(jié)構(gòu)的吸聲性能只發(fā)生在較窄的頻段，為了拓寬吸聲頻段，提出了雙層微穿孔板理論，但實(shí)際運(yùn)用中存在安裝問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在穿孔板的空腔中加入多孔材料，以改變微穿孔板末端的輻射阻抗以及孔腔的聲阻抗，從而在較寬的頻段內(nèi)獲得較好的吸聲性能，有利于實(shí)際應(yīng)用。綜合性能優(yōu)異的高分子吸聲材料獲得了廣泛應(yīng)用。高分子聚合物由于具有優(yōu)良的黏彈性和內(nèi)阻尼特性，有利于將阻尼與其他吸聲機(jī)制融于一體，從而改善材料的吸聲性能。

復(fù)合材料后的穿孔板充當(dāng)了空氣層的作用; 隨穿孔板的孔隙率增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)的共振頻率沒(méi)有發(fā)生變化，只是在共振作用區(qū)域的吸聲系數(shù)有了增大，說(shuō)明共振頻率與膜后的孔腔深度有關(guān)，而與孔腔內(nèi)空氣量無(wú)關(guān); 在這種結(jié)構(gòu)中，穿孔板的孔隙率越大，則復(fù)合材料后空氣與孔壁作用的表面積越大，這樣在共振作用頻率附近的空氣黏滯作用越大，從而在共振作用頻域的吸聲系數(shù)越大。

吸聲結(jié)構(gòu)可以分為三類(lèi)。多孔吸聲結(jié)構(gòu)、共振吸聲結(jié)構(gòu)和特殊吸聲結(jié)構(gòu)。其中多孔吸聲結(jié)構(gòu)包括纖維，顆粒，泡沫吸聲結(jié)構(gòu)；共振吸聲結(jié)構(gòu)包括單個(gè)共振器吸聲結(jié)構(gòu)，穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)；特殊吸聲結(jié)構(gòu)包括空間吸聲器，吸聲劈尖，吸聲屏。

吸聲空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)

最簡(jiǎn)單的空腔共振吸聲結(jié)構(gòu)是亥姆霍茲共振器，它是一個(gè)封閉空腔通過(guò)一個(gè)開(kāi)口與外部空間相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，如右圖1（a）所示，這種結(jié)構(gòu)，取材方便（穿孔石棉板、膠合板、鋁板等均可用），制作容易（用上述板材制作很容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求），且材料本身亦具有足夠強(qiáng)度，因此，在建筑上使用很廣泛。

亥姆霍茲共振器的吸聲原理可用右圖來(lái)說(shuō)明，當(dāng)孔深t和孔徑d遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)時(shí)，孔頸中空氣柱的彈性變形很小，可簡(jiǎn)化成一質(zhì)量塊來(lái)處理，其作用類(lèi)似于一個(gè)活塞，空腔V中的空氣起著空氣彈簧的作用，它們的組合類(lèi)似于一垂直懸掛的彈簧振子，如右圖（b）所示，當(dāng)外界入射波的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率f₀時(shí)，孔頸中的空氣柱就由于共振而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，克服摩擦阻力而消耗（吸收）聲能。

吸聲多孔吸聲材料的吸聲原理

多孔材料一直是主要的吸聲材料。有玻璃棉、礦渣棉、無(wú)機(jī)纖維、合成高分子材料等。在這些材料中，氣泡的狀態(tài)有兩種：一種是大部分氣泡成為單個(gè)閉合的孤立氣泡，沒(méi)有通氣性能;另一種氣泡相互連接成為連續(xù)氣泡。噪聲控制中所用的吸聲材料，是指有連續(xù)氣泡的材料。

多孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)特征是在材料中具有許許多多貫通的微小間隙，因而具有一定的通氣性。吸聲材料的固體部分，在空間組成骨架 (筋絡(luò))，保持材料的形狀。在筋絡(luò)間有大量的空隙，筋絡(luò)的作用就是把較大的空隙分隔成許多微小的通路。當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí)，可以進(jìn)入細(xì)孔中去，引起孔隙內(nèi)的空氣和材料本身振動(dòng)，空氣的摩擦和黏滯作用使振動(dòng)能 (聲能)不斷轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲能衰減，消耗一部分聲能，即使有一部分聲能透過(guò)材料到達(dá)壁面，也會(huì)在反射時(shí)再次經(jīng)過(guò)吸聲材料，聲能又一次被吸收。

材料的吸聲性能不僅與材料本身的種類(lèi)有關(guān)，而且與入射聲波的頻率、環(huán)境的溫度、濕度和氣流等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，吸聲材料 (主要指多孔材料)對(duì)中、高頻聲吸收較好，而對(duì)低頻聲吸收性能較差，若采用共振吸聲結(jié)構(gòu)則可以改善低頻吸聲性能。

吸聲穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)

薄的板材如鋼板、鋁板、膠合板、塑料板、草紙棉線、石膏板等按一定的孔徑和穿孔率穿上孔，在背后留下一定厚度的空氣層，就構(gòu)成穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。如右圖2所示

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由許多單個(gè)共振器并聯(lián)而成的共振吸聲結(jié)構(gòu)，封閉空腔壁上開(kāi)一個(gè)小孔與外部空氣相通；由于孔徑和孔長(zhǎng)度小于聲波波長(zhǎng)，孔中的空氣柱彈性形變很小，可以看成無(wú)形變的質(zhì)量塊；腔體中空氣隨聲波做彈性振動(dòng)，相當(dāng)于彈簧。入射聲波激發(fā)孔頸中空氣柱（類(lèi)似彈簧）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與頸壁摩擦，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損，達(dá)到吸聲目的。當(dāng)入射聲波的頻率與共振器的固有頻率相同時(shí)，發(fā)生共振，空氣柱運(yùn)動(dòng)加劇，振幅和振速達(dá)最大，阻尼也最大，消耗聲能最多，吸聲性能最好。

不同頻率的聲波入射時(shí)，這種共振系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。當(dāng)入射聲波的頻率接近系統(tǒng)固有的共振頻率時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)空氣的振動(dòng)很強(qiáng)烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當(dāng)入射聲波的頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有的共振頻率時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)空氣的振動(dòng)很弱，因此吸聲的作用很小。這種共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)隨頻率而變化，最高吸聲系數(shù)出現(xiàn)在系統(tǒng)的共振頻率處。目前廣泛使用的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理也屬于這種類(lèi)型。

吸聲薄板吸聲結(jié)構(gòu)

將薄的塑料板、金屬或膠合板等材料的周邊固定在框架 (龍骨)上，并將框架與剛性板壁相結(jié)合，這種由薄板與板后的空氣層構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)，如右圖3所示。

當(dāng)聲波入射到薄板上時(shí)，將激起板面振動(dòng)，使板發(fā)生彎曲變形，由于板和固定支點(diǎn)之間的摩擦，以及板本身的內(nèi)阻尼，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能損耗，聲波得到衰減。當(dāng)入射聲波頻率f與薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振，消耗聲能最大。