吸聲材料

對(duì)入射聲能有吸收作用的材料。吸聲材料主要用于控制和調(diào)整室內(nèi)的混響時(shí)間，消除回聲，以改善室內(nèi)的聽(tīng)聞條件；用于降低喧鬧場(chǎng)所的噪聲，以改善生活環(huán)境和勞動(dòng)條件（見(jiàn)吸聲降噪）；還廣泛用于降低通風(fēng)空調(diào)管道的噪聲。吸聲材料按其物理性能和吸聲方式可分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。后者包括單個(gè)共振器、穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)、薄板吸聲結(jié)構(gòu)和柔順材料等。

選用吸聲材料，首先應(yīng)從吸聲特性方面來(lái)確定合乎要求的材料，同時(shí)還要結(jié)合防火、防潮、防蛀、強(qiáng)度、外觀、建筑內(nèi)部裝修等要求，綜合考慮進(jìn)行選擇。

材料的吸聲性能常用吸聲系數(shù) 妶表示。入射到材料表面的聲波,一部分被反射,一部分透入材料內(nèi)部而被吸收。被材料吸收的聲能與入射聲能的比值,稱(chēng)為吸聲系數(shù)。對(duì)于全反射面，妶=0；對(duì)于全吸收面，妶=1；一般材料的吸聲系數(shù)在0～1之間。材料吸聲系數(shù)的大小與聲波的入射角有關(guān)，隨入射聲波的頻率而異。以頻率為橫坐標(biāo)，吸聲系數(shù)為縱坐標(biāo)繪出的曲線，稱(chēng)為材料吸聲頻譜。它反映了材料對(duì)不同頻率聲波的吸收特性。測(cè)定吸聲系數(shù)通常采用混響室法和駐波管法?；祉懯曳y(cè)得的為聲波無(wú)規(guī)則入射時(shí)的吸聲系數(shù)，它的測(cè)量條件比較接近實(shí)際聲場(chǎng)，因此常用此法測(cè)得的數(shù)據(jù)作為實(shí)際設(shè)計(jì)的依據(jù)。駐波管法測(cè)得的是聲波垂直入射時(shí)的吸聲系數(shù)，通常用于產(chǎn)品質(zhì)量控制、檢驗(yàn)和吸聲材料的研制分析?；祉懯曳y(cè)得的吸聲系數(shù)，一般高于駐波管法。

這類(lèi)材料的物理結(jié)構(gòu)特征是材料內(nèi)部有大量的、互相貫通的、向外敞開(kāi)的微孔，即材料具有一定的透氣性。工程上廣泛使用的有纖維材料和灰泥材料兩大類(lèi)。前者包括玻璃棉和礦渣棉或以此類(lèi)材料為主要原料制成的各種吸聲板材或吸聲構(gòu)件等；后者包括微孔磚和顆粒性礦渣吸聲磚等。

吸聲機(jī)理和頻譜特性多孔吸聲材料的吸聲機(jī)理是當(dāng)聲波入射到多孔材料時(shí)，引起孔隙中的空氣振動(dòng)。由于摩擦和空氣的粘滯阻力,使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能;此外，孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導(dǎo)，也會(huì)引起熱損失，使聲能衰減。

多孔材料的吸聲系數(shù)隨聲頻率的增高而增大，吸聲頻譜曲線由低頻向高頻逐步升高，并出現(xiàn)不同程度的起伏，隨著頻率的升高，起伏幅度逐步縮小，趨向一個(gè)緩慢變化的數(shù)值。

影響多孔材料吸聲性能的參數(shù)主要有：①流阻，它是在穩(wěn)定的氣流狀態(tài)下，吸聲材料中的壓力梯度與氣流線速度之比。當(dāng)厚度不大時(shí)，低流阻材料的低頻吸聲系數(shù)很小,在中、高頻段,吸聲頻譜曲線以比較大的斜率上升，高頻的吸聲性能比較好。增大材料的流阻，中、低頻吸聲系數(shù)有所提高；繼續(xù)加大材料的流阻，材料從高頻段到中頻段的吸聲系數(shù)將明顯下降，此時(shí)，吸聲性能變劣。所以，對(duì)一定厚度的多孔材料，有一個(gè)相應(yīng)適宜的流阻值，過(guò)高和過(guò)低的流阻值，都無(wú)法使材料具有良好的吸聲性能。②孔隙率，指材料中連通的孔隙體積與材料總體積之比，多孔吸聲材料的孔隙率一般在70％以上，多數(shù)達(dá)90％。③結(jié)構(gòu)因數(shù)，材料中間隙的排列是雜亂無(wú)章的，但在理論上往往采用毛細(xì)管沿厚度方向縱向排列的模型，所以，對(duì)具體的多孔材料必須引進(jìn)結(jié)構(gòu)因數(shù)加以修正。多孔材料結(jié)構(gòu)因數(shù),一般在2～10之間，也有高達(dá)20～25的。在低頻范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)因數(shù)基本不起作用，這是因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)，空氣慣性的影響很小，而彈性起主要作用。當(dāng)材料流阻比較小時(shí)，若增大結(jié)構(gòu)因數(shù)，在高、中頻范圍內(nèi)，可以看到吸聲系數(shù)的周期性變化。

在吸聲理論中，用流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因數(shù)來(lái)確定材料的吸聲特性，而在實(shí)際應(yīng)用上，通常是以材料厚度、容重（重量／體積）來(lái)反映其結(jié)構(gòu)狀態(tài)和確定其吸聲特性。增加材料的厚度，可提高低、中頻吸聲系數(shù)，但對(duì)高頻吸收的影響很小。如果在吸聲材料和剛性墻面之間留出空間，可以增加材料的有效厚度，提高對(duì)低頻的吸聲能力。由于材料流阻和容重往往存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在工程應(yīng)用上往往通過(guò)調(diào)整材料的容重以控制材料的流阻。容重對(duì)材料吸聲性能的影響是復(fù)雜的，但是厚度的變化比起容重的變化對(duì)材料吸聲性能的影響要大，也就是厚度的影響是第一位的，而容重的影響則是第二位的。

此外，材料的表面處理、安裝和布置方式以及溫度、濕度等對(duì)材料吸聲性能也有影響。

由于多孔性材料的低頻吸聲性能差，為解決中、低頻吸聲問(wèn)題，往往采用共振吸聲結(jié)構(gòu)，其吸聲頻譜以共振頻率為中心出現(xiàn)吸收峰，當(dāng)遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，吸聲系數(shù)就很低。在實(shí)際應(yīng)用上，共振吸聲結(jié)構(gòu)有以下幾種基本類(lèi)型：

單個(gè)共振器是一個(gè)有頸口的密閉容器，相當(dāng)于一個(gè)彈簧振子系統(tǒng)，容器內(nèi)空氣相當(dāng)于彈簧，而進(jìn)口空氣相當(dāng)于和彈簧連結(jié)的物體。當(dāng)入射聲波的頻率和這個(gè)系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，共振器孔頸處的空氣柱就激烈振動(dòng)，孔頸部分的空氣與頸壁摩擦阻尼，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽墓舱耦l率f0（赫）可由下式求得：

式中V為共振器空腔體積(米);L為頸的實(shí)際長(zhǎng)度（米）；r為頸口半徑（米）；c為聲速（米／秒）。

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在打孔的薄板后面設(shè)置一定深度的密閉空腔，組成穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，這是經(jīng)常使用的一種吸聲結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于單個(gè)共振器的并聯(lián)組合。當(dāng)入射聲波頻率和這一系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，穿孔部分的空氣就激烈振動(dòng)，加強(qiáng)了吸收效應(yīng)，出現(xiàn)吸收峰，使聲能衰減。穿孔板的共振頻率f0（赫）為：

式中c為聲速（米／秒）；L為穿孔板的厚度（米）;r為孔半徑（米）；h為板后空氣層厚度（米）；P為穿孔率（孔面積與總面積之比）。通常穿孔率超過(guò)20％，穿孔板將不起共振吸聲作用。

穿孔板共振吸聲頻帶比較窄，在穿孔板后面加上一層多孔材料或紡織品，可以加寬吸收峰的寬度；同時(shí)使用幾種共振峰互相銜接的穿孔板，也可以得到較寬的吸聲頻帶。如果將孔徑縮小到1毫米以下，板厚在1毫米以下，穿孔率1～3％，則穿孔板與板后空腔可組成微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。由于它比穿孔板聲阻大，質(zhì)量小，因而在吸聲系數(shù)和吸聲帶寬方面都高于穿孔板。

薄板吸聲結(jié)構(gòu)在薄板后設(shè)置空氣層，就成為薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波入射時(shí)，激發(fā)系統(tǒng)的振動(dòng)，由于板的內(nèi)部摩擦，使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)入射聲波頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，即產(chǎn)生共振，在共振頻率處出現(xiàn)吸收峰。其共振頻率f0（赫）為：

式中m為板單位面密度（千克／米）;h為板后空氣層厚度（米）；ρ為空氣密度(千克／米);c為聲速(米／秒)。從式內(nèi)可以看出,增加板的單位面密度或空腔深度時(shí),吸聲峰就移向低頻。在空腔內(nèi)沿龍骨處設(shè)置多孔吸聲材料，在薄板邊緣與龍骨連接處放置毛氈或海綿條，以增加結(jié)構(gòu)的阻尼特性，可以提高吸聲系數(shù)和加寬吸聲頻帶。

柔順材料是內(nèi)部有許多微小的、互不貫通的獨(dú)立氣泡，沒(méi)有通氣性能，在一定程度上具有彈性的吸聲材料。當(dāng)聲波入射到材料上時(shí)，激發(fā)材料作整體振動(dòng)，為克服材料內(nèi)部的摩擦而消耗了聲能。它的吸聲頻率特性是高頻聲吸收系數(shù)很低，中、低頻的吸聲系數(shù)類(lèi)似共振吸收，但無(wú)顯著的共振吸收峰而呈復(fù)雜的起伏狀態(tài)。

選用吸聲材料，首先應(yīng)從吸聲特性方面來(lái)確定合乎要求的材料，同時(shí)還要結(jié)合防火、防潮、防蛀、強(qiáng)度、外觀、建筑內(nèi)部裝修等要求，綜合考慮進(jìn)行選擇。

聲音源于物體的振動(dòng)，它引起鄰近空氣的振動(dòng)而形成聲波，并在空氣介質(zhì)中向四周傳播。

當(dāng)聲音傳入構(gòu)件材料表面時(shí)，聲能一部分被反射，一部分穿透材料，還有一部由于構(gòu)件材料的振動(dòng)或聲音在其中傳播時(shí)與周?chē)橘|(zhì)摩擦，由聲能轉(zhuǎn)化成熱能，聲能被損耗，即通常所說(shuō)聲音被材料吸收。

材料的吸聲性能常用吸聲系數(shù)妶表示。入射到材料表面的聲波,一部分被反射,一部分透入材料內(nèi)部而被吸收。被材料吸收的聲能與入射聲能的比值,稱(chēng)為吸聲系數(shù)。對(duì)于全反射面，妶=0；對(duì)于全吸收面，妶=1；一般材料的吸聲系數(shù)在0～1之間。材料吸聲系數(shù)的大小與聲波的入射角有關(guān)，隨入射聲波的頻率而異。以頻率為橫坐標(biāo)，吸聲系數(shù)為縱坐標(biāo)繪出的曲線，稱(chēng)為材料吸聲頻譜。它反映了材料對(duì)不同頻率聲波的吸收特性。測(cè)定吸聲系數(shù)通常采用混響室法和駐波管法。混響室法測(cè)得的為聲波無(wú)規(guī)則入射時(shí)的吸聲系數(shù)，它的測(cè)量條件比較接近實(shí)際聲場(chǎng)，因此常用此法測(cè)得的數(shù)據(jù)作為實(shí)際設(shè)計(jì)的依據(jù)。駐波管法測(cè)得的是聲波垂直入射時(shí)的吸聲系數(shù)，通常用于產(chǎn)品質(zhì)量控制、檢驗(yàn)和吸聲材料的研制分析。混響室法測(cè)得的吸聲系數(shù)，一般高于駐波管法。

這類(lèi)材料的物理結(jié)構(gòu)特征是材料內(nèi)部有大量的、互相貫通的、向外敞開(kāi)的微孔，即材料具有一定的透氣性。工程上廣泛使用的有纖維材料和灰泥材料兩大類(lèi)。前者包括玻璃棉和礦渣棉或以此類(lèi)材料為主要原料制成的各種吸聲板材或吸聲構(gòu)件等；后者包括微孔磚和顆粒性礦渣吸聲磚等。

吸聲機(jī)理和頻譜特性多孔吸聲材料的吸聲機(jī)理是當(dāng)聲波入射到多孔材料時(shí)，引起孔隙中的空氣振動(dòng)。由于摩擦和空氣的粘滯阻力,使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能;此外，孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導(dǎo)，也會(huì)引起熱損失，使聲能衰減。

多孔材料的吸聲系數(shù)隨聲頻率的增高而增大，吸聲頻譜曲線由低頻向高頻逐步升高，并出現(xiàn)不同程度的起伏，隨著頻率的升高，起伏幅度逐步縮小，趨向一個(gè)緩慢變化的數(shù)值。

影響多孔材料吸聲性能的因素影響多孔材料吸聲性能的參數(shù)主要有：①流阻，它是在穩(wěn)定的氣流狀態(tài)下，吸聲材料中的壓力梯度與氣流線速度之比。當(dāng)厚度不大時(shí)，低流阻材料的低頻吸聲系數(shù)很小,在中、高頻段,吸聲頻譜曲線以比較大的斜率上升，高頻的吸聲性能比較好。增大材料的流阻，中、低頻吸聲系數(shù)有所提高；繼續(xù)加大材料的流阻，材料從高頻段到中頻段的吸聲系數(shù)將明顯下降，此時(shí)，吸聲性能變劣。所以，對(duì)一定厚度的多孔材料，有一個(gè)相應(yīng)適宜的流阻值，過(guò)高和過(guò)低的流阻值，都無(wú)法使材料具有良好的吸聲性能。②孔隙率，指材料中連通的孔隙體積與材料總體積之比，多孔吸聲材料的孔隙率一般在70％以上，多數(shù)達(dá)90％。③結(jié)構(gòu)因數(shù)，材料中間隙的排列是雜亂無(wú)章的，但在理論上往往采用毛細(xì)管沿厚度方向縱向排列的模型，所以，對(duì)具體的多孔材料必須引進(jìn)結(jié)構(gòu)因數(shù)加以修正。多孔材料結(jié)構(gòu)因數(shù),一般在2～10之間，也有高達(dá)20～25的。在低頻范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)因數(shù)基本不起作用，這是因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)，空氣慣性的影響很小，而彈性起主要作用。當(dāng)材料流阻比較小時(shí)，若增大結(jié)構(gòu)因數(shù)，在高、中頻范圍內(nèi)，可以看到吸聲系數(shù)的周期性變化。

在吸聲理論中，用流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因數(shù)來(lái)確定材料的吸聲特性，而在實(shí)際應(yīng)用上，通常是以材料厚度、容重（重量／體積）來(lái)反映其結(jié)構(gòu)狀態(tài)和確定其吸聲特性。增加材料的厚度，可提高低、中頻吸聲系數(shù)，但對(duì)高頻吸收的影響很小。如果在吸聲材料和剛性墻面之間留出空間，可以增加材料的有效厚度，提高對(duì)低頻的吸聲能力。由于材料流阻和容重往往存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在工程應(yīng)用上往往通過(guò)調(diào)整材料的容重以控制材料的流阻。容重對(duì)材料吸聲性能的影響是復(fù)雜的，但是厚度的變化比起容重的變化對(duì)材料吸聲性能的影響要大，也就是厚度的影響是第一位的，而容重的影響則是第二位的。

此外，材料的表面處理、安裝和布置方式以及溫度、濕度等對(duì)材料吸聲性能也有影響。

由于多孔性材料的低頻吸聲性能差，為解決中、低頻吸聲問(wèn)題，往往采用共振吸聲結(jié)構(gòu)，其吸聲頻譜以共振頻率為中心出現(xiàn)吸收峰，當(dāng)遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，吸聲系數(shù)就很低。在實(shí)際應(yīng)用上，共振吸聲結(jié)構(gòu)有以下幾種基本類(lèi)型：

是一個(gè)有頸口的密閉容器，相當(dāng)于一個(gè)彈簧振子系統(tǒng)，容器內(nèi)空氣相當(dāng)于彈簧，而進(jìn)口空氣相當(dāng)于和彈簧連結(jié)的物體。當(dāng)入射聲波的頻率和這個(gè)系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，共振器孔頸處的空氣柱就激烈振動(dòng)，孔頸部分的空氣與頸壁摩擦阻尼，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，它的共振頻率f0（赫）可由下式求得：

式中V為共振器空腔體積(米);L為頸的實(shí)際長(zhǎng)度（米）；r為頸口半徑（米）；c為聲速（米／秒）。

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)在打孔的薄板后面設(shè)置一定深度的密閉空腔，組成穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，這是經(jīng)常使用的一種吸聲結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于單個(gè)共振器的并聯(lián)組合。當(dāng)入射聲波頻率和這一系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，穿孔部分的空氣就激烈振動(dòng)，加強(qiáng)了吸收效應(yīng)，出現(xiàn)吸收峰，使聲能衰減。穿孔板的共振頻率f0（赫）為：

式中c為聲速（米／秒）；L為穿孔板的厚度（米）;r為孔半徑（米）；h為板后空氣層厚度（米）；P為穿孔率（孔面積與總面積之比）。通常穿孔率超過(guò)20％，穿孔板將不起共振吸聲作用。

穿孔板共振吸聲頻帶比較窄，在穿孔板后面加上一層多孔材料或紡織品，可以加寬吸收峰的寬度；同時(shí)使用幾種共振峰互相銜接的穿孔板，也可以得到較寬的吸聲頻帶。如果將孔徑縮小到1毫米以下，板厚在1毫米以下，穿孔率1～3％，則穿孔板與板后空腔可組成微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。由于它比穿孔板聲阻大，質(zhì)量小，因而在吸聲系數(shù)和吸聲帶寬方面都高于穿孔板。

薄板吸聲結(jié)構(gòu)在薄板后設(shè)置空氣層，就成為薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波入射時(shí)，激發(fā)系統(tǒng)的振動(dòng)，由于板的內(nèi)部摩擦，使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)入射聲波頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí)，即產(chǎn)生共振，在共振頻率處出現(xiàn)吸收峰。其共振頻率f0（赫）為：

式中m為板單位面密度（千克／米）;h為板后空氣層厚度（米）；ρ為空氣密度(千克／米);c為聲速(米／秒)。從式內(nèi)可以看出,增加板的單位面密度或空腔深度時(shí),吸聲峰就移向低頻。在空腔內(nèi)沿龍骨處設(shè)置多孔吸聲材料，在薄板邊緣與龍骨連接處放置毛氈或海綿條，以增加結(jié)構(gòu)的阻尼特性，可以提高吸聲系數(shù)和加寬吸聲頻帶。

是內(nèi)部有許多微小的、互不貫通的獨(dú)立氣泡，沒(méi)有通氣性能，在一定程度上具有彈性的吸聲材料。當(dāng)聲波入射到材料上時(shí)，激發(fā)材料作整體振動(dòng)，為克服材料內(nèi)部的摩擦而消耗了聲能。它的吸聲頻率特性是高頻聲吸收系數(shù)很低，中、低頻的吸聲系數(shù)類(lèi)似共振吸收，但無(wú)顯著的共振吸收峰而呈復(fù)雜的起伏狀態(tài)。