吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)

吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)主要作用是控制室內(nèi)（如廳堂、體育館、播音室）混響時(shí)間和消除回聲，降低室內(nèi)（如吵鬧的辦公室、高噪聲的車間）的噪聲。吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)也用作消聲器中的襯墊以降低管道噪聲。

吸聲材料或結(jié)構(gòu)的吸聲性能用吸聲系數(shù)表示，吸聲系數(shù)高表示吸聲性能好。吸聲系數(shù)是聲波入射到材料或結(jié)構(gòu)表面被吸收的聲能和總的入射聲能的比值，即=/,它的大小和聲波的入射角有關(guān)。如果聲波的入射是無(wú)規(guī)的,常用混響室法測(cè)量材料的吸聲系數(shù);如果聲波是垂直入射的，則用駐波管法測(cè)量。對(duì)同一種吸聲材料或結(jié)構(gòu)，用這兩種方法所測(cè)得的吸聲系數(shù)不同。通常混響室法所測(cè)得的吸聲系數(shù)比駐波管法高。此外，吸聲系數(shù)的大小還受聲波頻率的影響。以頻率為橫坐標(biāo)、吸聲系數(shù)為縱坐標(biāo)繪出的曲線稱為材料或結(jié)構(gòu)的吸聲頻率特性曲線，又稱吸聲頻譜。通常采用頻率為125、250、500、1000、2000和4000赫的吸聲系數(shù)來(lái)表示材料或結(jié)構(gòu)的吸聲性能。在噪聲降低量的計(jì)算中，常用250、500、1000和2000赫四個(gè)頻率混響室吸聲系數(shù)的平均值，這個(gè)量稱為降噪系數(shù)（常用NRC表示，算到0.05）。

吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)的種類，主要有多孔材料、亥姆霍茲共振器、穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)（包括微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)）、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)、柔順材料等（見(jiàn)表）。

這種材料有許多微小間隙和連續(xù)氣孔，而且具有適當(dāng)?shù)耐庑阅?。?dāng)聲波入射到多孔材料時(shí)，首先引起小孔或間隙的空氣運(yùn)動(dòng)，而緊靠孔壁或纖維表面的空氣因受孔壁的影響便不易運(yùn)動(dòng)。空氣的這種粘滯性會(huì)使一部分聲能變成熱能。小孔中的空氣和孔壁同纖維之間的熱傳導(dǎo)，也會(huì)引起熱損失。這兩個(gè)原因使聲能衰減。影響多孔材料吸聲性能的主要有如下三個(gè)參數(shù)：①流阻，它是在穩(wěn)定的氣流狀態(tài)下，材料兩面的壓力差與氣流通過(guò)該材料的線速度的比值；②孔隙率，它由穿透材料內(nèi)部自由空間孔隙的體積與材料總體積的比值來(lái)確定，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)因素，它是在理論上處理材料間隙的雜亂排列而對(duì)毛細(xì)管沿厚度方向排列的模型所作的一項(xiàng)修正，一般在2～10之間,也有高達(dá)20～25的。材料結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致這些參數(shù)的變化，從而改變材料的吸聲特性。

多孔材料過(guò)去以棉、麻等有機(jī)纖維材料為主，大多采用玻璃棉、礦渣棉等無(wú)機(jī)松散材料。這些松散材料正逐步成為定型的吸聲制品，如礦棉吸聲板、玻璃棉板、玻璃棉氈等。如在這些材料表面上加一層塑料薄膜，則應(yīng)不影響透聲性。由無(wú)機(jī)顆粒材料制成的多孔砌塊，如礦渣吸聲磚、陶土吸聲磚、珍珠巖制品等，也可用于吸收管道噪聲。此外，有通氣性能的聚氨酯泡沫塑料、海綿、木絲板和木纖維板等，也屬于多孔材料。

多孔材料的吸聲頻譜，在材料比較?。ㄒ话愫穸葹?～3厘米）的情況下，低頻吸收較差。隨著頻率的增高，吸聲系數(shù)增大，中、高頻吸收比較好。材料加厚可增加吸聲系數(shù)，低頻吸聲系數(shù)增加更多。吸聲系數(shù)的增加量與材料的流阻大小有關(guān)。多孔材料背后設(shè)置空氣層，效果與材料加厚相似。

由一個(gè)剛性容器和一個(gè)連通的頸所組成的結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波進(jìn)入孔頸時(shí)，由于孔頸的摩擦阻尼，聲能變?yōu)闊崮埽孤暡ㄋp。當(dāng)聲波頻率接近共振器的固有頻率時(shí)，共振器孔頸處的空氣柱振動(dòng)特別強(qiáng)烈，聲能吸收較大；遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，則較小。亥姆霍茲共振器的吸聲頻帶比較窄，在共振頻率時(shí)吸收最大。它的共振頻率可由下式求得：

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

在穿孔薄板的背后，設(shè)置空氣層或多孔材料，并固定在剛性壁上的一種吸聲結(jié)構(gòu)，可看成是由質(zhì)量和彈簧組成的一個(gè)共振系統(tǒng)。當(dāng)入射聲波的頻率和系統(tǒng)的共振頻率一致時(shí)，穿孔板中的空氣就激烈振動(dòng)、摩擦，加強(qiáng)了吸收效應(yīng)，形成了吸收峰，使聲能顯著衰減。遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，則吸收作用較小。如果在穿孔板后放置多孔材料增加聲阻，會(huì)使結(jié)構(gòu)的吸收頻帶加寬。

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是噪聲控制和室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)經(jīng)常采用的一種吸聲結(jié)構(gòu)。它的吸聲特性取決于穿孔板的厚度、穿孔孔徑和孔距、穿孔板后空腔的深度以及底層材料等。其共振頻率由下式求得：

式中為穿孔率,即板孔面積總和與板的總面積之比;為穿孔板后空腔的深度（米）;為穿孔板實(shí)際厚度（米）；為板孔半徑（米）；為聲速（米/秒）。穿孔率越大，共振頻率越高。如果穿孔板的穿孔率超過(guò)20～30%，穿孔板就失去共振吸聲的作用?？紤]了吸聲效果和實(shí)用情況，一般采?。捍┛茁?.5～5%，板厚1.5～10毫米,孔徑4～30毫米，板后空腔深度100～250毫米。

穿孔板的聲阻太小，吸收頻帶比較窄。為了改進(jìn)吸收特性，常填加多孔材料。穿孔板主要用作飾面板，穿孔率常在25%左右。

中國(guó)在1964年首次提出“微穿孔板”的吸聲結(jié)構(gòu)。因?yàn)榘汛┛椎目讖娇s小到毫米以下，可以增加孔本身的聲阻，而不必外加多孔材料就能得到滿意的吸聲系數(shù)。為了展寬頻率范圍和提高吸聲效果，還可以采用不同穿孔率和孔徑的多層結(jié)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研究了微穿孔板的吸聲系數(shù)等，證明這種結(jié)構(gòu)的效果很好。圖表示出這種結(jié)構(gòu)的吸聲特性在混響室中測(cè)量的結(jié)果。

它是在不透氣的薄板背后設(shè)置空氣層并固定在剛性壁上的一種吸聲結(jié)構(gòu)。當(dāng)入射聲波的頻率和該系統(tǒng)的共振頻率一致時(shí),就發(fā)生共振,由此引起的內(nèi)部摩擦將聲波吸收。它的吸聲頻率范圍很窄，只能作為吸收共振頻率鄰近的頻帶為主的吸聲構(gòu)造。共振頻率取決于薄板的尺寸、重量、彈性系數(shù)和板后空氣層的厚度，并且和框架構(gòu)造及薄板安裝方法有關(guān)。其共振頻率由下式求得：

式中為薄板的面密度（千克/米）;為聲速(米/秒)；為空氣層的厚度（米）；為空氣密度（千克/米）。常用的薄板材料有膠合板、纖維板、石膏板和水泥板等。在一些建筑（如劇場(chǎng)、混響實(shí)驗(yàn)室）中，則須避免薄板共振對(duì)某一頻段吸聲過(guò)多。

內(nèi)部也有許多微小的氣孔，但氣孔密閉，彼此不相通。當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，很難透入到材料的內(nèi)部，而只是使材料作整體的振動(dòng)。因此它的吸聲頻譜特性與多孔性材料有所不同,高頻吸聲系數(shù)很低;中、低頻的吸聲系數(shù)類似共振吸收，卻無(wú)顯著的共振吸收峰，而呈現(xiàn)復(fù)雜的起伏狀態(tài)。

吸聲結(jié)構(gòu)可以分為三類。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。

吸聲結(jié)構(gòu)材料分類和特征

（1）多孔吸聲材料的類型包括：有機(jī)纖維材料、麻棉毛氈、無(wú)機(jī)纖維材料、玻璃棉、巖棉、礦棉，脲醛泡沫塑料，氨基甲酸脂泡沫塑料等。聚氯乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料不屬于多孔材料，用于防震，隔熱材料較適宜。

（2）構(gòu)造特征：材料內(nèi)部應(yīng)有大量的微孔和間隙，而且這些微孔應(yīng)盡可能細(xì)小并在材料內(nèi)部是均勻分布的。材料內(nèi)部的微孔應(yīng)該是互相貫通的，而不是密閉的，單獨(dú)的氣泡和 密閉間隙不起吸聲作用。微孔向外敞開(kāi)，使聲波易于進(jìn)入微孔內(nèi)。

（3）吸聲特性主要是高頻，影響吸聲性能的因素主要是材料的流阻，孔隙 ，結(jié)構(gòu)因素、厚度、容重、背后條件的影響。

吸聲結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)

1、穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)

采用穿孔的石棉水泥、石膏板、硬質(zhì)纖維板、膠合板以及鋼板、鋁板，都可作為穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)共振頻率附近，有較大的吸收，適于中頻。

2、薄膜吸聲結(jié)構(gòu)

包括皮革、人造革、塑料薄膜等材料，具有不透氣、柔軟、受張拉時(shí)有彈性等特性，吸收共振頻率附近的入射聲能，共振頻率通常在200～1000HZ范圍，最大吸聲系數(shù)約為0.3～0.4，一般把它作為中頻范圍的吸聲材料。如果在薄膜的背后空腔內(nèi)填放多孔材料,這時(shí)的吸聲特性取決于膜和多孔材料的種類以及薄膜的裝置方法。

3、薄板吸聲結(jié)構(gòu)

把膠合板、硬質(zhì)纖維板、石膏板、石棉水泥板等板材周邊固定在框架上，連同板后的封閉空氣層，構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)，其共振頻率多在80～300HZ，其吸聲系數(shù)約為0.2～0.5，可以作為低頻吸聲結(jié)構(gòu)。決定薄板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能的主要因素有:

（1）薄板質(zhì)量的影響

增加板的單位面積重量，一般可以使其共振頻率向低頻移動(dòng)。而選用質(zhì)量小的，不透氣的材料如皮革，有利于共振頻率向高頻方向移動(dòng)。

（2）背后空氣層厚度的影響

改變空氣層的厚度和改變板的質(zhì)量一樣，共振頻率也會(huì)發(fā)生變化。在空氣層中填充多孔材料，可使共振頻率附近的吸聲系數(shù)有所提高。

（3）板后龍骨構(gòu)造及板的安裝方式的影響

由于薄板吸聲結(jié)構(gòu)有一定的低頻吸聲能力,而對(duì)中高頻吸聲差，因此在中高頻時(shí)就具有較強(qiáng)的反射能力。能增加室內(nèi)聲能的擴(kuò)散。通過(guò)改變龍骨構(gòu)造何不同的安裝方法，設(shè)計(jì)出各種形式的反射面，擴(kuò)散面和吸聲---擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。

5、特殊吸聲結(jié)構(gòu)

（1）簾幕

簾幕是具有通氣性能的紡織品，具有多孔材料的吸聲特性，由于較薄本身作為吸聲材料使用是得不到大的吸聲效果的。如果將它作為簾幕，離開(kāi)墻面或窗洞一定距離安裝，恰如多孔材料的背后設(shè)置了空氣層，因而在中高頻就能夠具有一定的吸聲效果。當(dāng)它離墻面1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍距離懸掛時(shí)就可獲得相應(yīng)頻率的高吸聲量。

（2）空間吸聲體

將吸聲材料作成空間的立方體如：平板形，球形，圓錐形棱錐形或柱形，使其多面吸收聲波，在投影面積相同的情況下，相當(dāng)于增加了有效的吸聲面積和邊緣效應(yīng)，再加上聲波的衍射作用，大大提高了實(shí)際的吸聲效果，其高頻吸聲系數(shù)可達(dá)1.40.在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)不同的使用地點(diǎn)和要求，可設(shè)計(jì)各種形式的從頂棚吊掛下來(lái)的吸聲體。