惠更斯原理:声源的振动引起波动,波动的传播是由于介质中质点间的相互作用。在连续介质中,任何一点的振动,都将直接引起邻近质点的振动。声波在空气中的传播满足其原理。 多孔吸声材料具有许多微小的间隙和连续的气泡,因而具有一定的通气性。当声波入射到多孔材料表面时,主要是两种机理引起声波的衰减:首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减,反射声减弱达到吸声的目的;其次,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减。另外,高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快,空气与孔壁的热交换也加快。这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。
共振吸声结构的吸声机理
1．薄板共振吸声结构的吸声机理
薄板与墙体或顶棚之间存在空腔时也能吸声,如木板、金属板做成的天花板或墙板等,这种结
构的吸声机理是薄板振动吸声。薄板在声波作用下发生振动,并发生弯曲变形,薄板振动时,由于板内部和木龙骨间出现摩擦损耗,使声能转化为板振动的机械能,最后转变为热能而起吸声作用。由于低频声波比高频声波容易激起薄板的振动,所以,这种结构具有低频的吸声特性。当入射声波的频率与薄板振动结构的固有频率一致时,将发生共振。建筑中常用的薄板吸声结构的共振频率约为80一300Hz。
薄板振动吸声结构的共振频率fr可用式(3.1)估算:
消音材料式中:M为薄板面密度(kg/m2);d为板后空气层厚度(cm)。
由式(3.1)可知,增加薄板的面密度M或空气层厚度d,皆可使共振频率下移。板共振机制大多在低频具有较好的吸声性能。边缘固定的矩形薄板及其背后空气层形成的系统,其共振频率养可按式(3.2)计算:
K为薄板的劲度[kg/m2s2],需由实验决定,一般取K=1×106—3×106。
2. 亥姆霍兹型吸声机理
当墙面或天花配置带空气的穿孔板时,即使材料本身吸声性能很差,这种结构也具有吸声性能,如穿孔的石膏板、木板、金属板、甚至是狭缝吸声砖等,这类吸声机构被称为亥姆霍兹共振器,如图3.2所示。在亥姆霍兹共振器中,吸声结构可以看作许多单孔共振腔并联而成,单孔由大的腔体和窄的颈口组成,材料外部空间与内部腔体通过窄的瓶颈连接。在声波的作用下,孔颈中的空气柱就像活塞一样做往复运动,开口处振动的空气由于摩擦而受到阻滞,使部分声能转化为热能。当入射声波的频率与共振器的固有频率一致时,即会产生共振现象,此时孔颈中的阻尼作用最大,声能得到最大吸收。
亥姆霍兹共振吸收的特点是对频率的选择性很强,只有在共振频率上具有较大的吸声系数,偏 离共振频率时则吸声效果较差。它吸收声音的频带比较窄,一般只有几十赫兹到200Hz的范围。为了使其吸收声音的频带加宽,可在穿孔板后蒙上一层织物或填放多孔吸声材料。
亥姆霍兹吸声机构共振频率fr的计算公式如式(3.3)所示:
亥姆霍兹共振器在共振频率附近吸声系数较大,而共振频率以外的频段,吸声系数下降很快。吸收频带窄和共振频率较低,是这种吸声结构的特点,因此实际工程中较少单独使用130],如果要选择的吸声材料对某一低频噪声吸收较差,或者工程要求吸声材料对某一低频的吸收较强时,可以采用亥姆霍兹共振器组成吸声结构,使其共振频率与噪声峰值频率相同,在此频率提高材料的吸收能力。利用亥姆霍兹共振器最常用的实例是微穿孔板吸声结构。
3.强吸声结构吸声机理
吸声尖劈是最常用的强吸声结构,它能在相当低的频率以上都产生极高的吸声系数,可高达0.99以上,尖劈的一般结构如图3.3所示。图中(b)为节省空间的平头尖劈,相对尖头尖劈低频吸声影响不大,对高频稍有影响。
吸声尖劈的中高频吸声系数可达到0.99以上。工程上把吸声系数达到0.99
的最低频率称为尖劈的截止频率,用fC表示。并以此表示尖劈的吸声性能。吸声尖劈的截止频率与多孔材料的品种、尖劈形状尺寸和尖劈后有无空腔及空腔尺寸有关。一般几可用0.2xc/L1来估算,其中c为声速,LI为尖劈的尖部长度。
尖劈吸声系数高的原因主要有两方面:一是由于接触声波的面积增大,二是声波入射到波浪外形的尖劈斜壁上,一部分进入吸声材料被吸收,另外一部分被反射的声波又入射到尖劈斜壁对面的吸声材料表面,进入部分大多数被吸收……循环往复。
吸声材料种类及简介：
现在市场上比较常用的非木质吸声板主要是聚酯纤维吸声板，聚酯纤维吸声板是由聚酯纤维热压而成，而聚酯纤维是本身是用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的，是当前非常普遍的一种合成纤维。聚酯纤维吸声板是一种多孔材料，材料内部有大量微小的连通的孔隙，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能。属多孔吸声材料，该种类型的吸声板吸声系数较好，吸声系数 NRC 能到达 0.9 以上，但是价格相对较贵。
2.木质穿孔吸声板
木质穿孔吸声板是根据声学原理加工而成，由饰面、芯材和吸声薄毡组成。木质穿孔吸声
板按照表面分孔木吸声板和槽木吸声板。孔木吸声板表面的孔形有圆孔、狭条孔和微孔。孔木吸声板是一种在人造板的正面、背面都开圆孔的结构吸声材料；槽木吸声板是一种在人造板的正面开槽、背面穿孔的狭缝共振吸声材料，微孔吸声板孔径则小于 0.8mm，现代工艺水平打出来的孔径甚至能达到 0.02mm，通过调节打孔的疏密程度，可以大大提高木质穿孔吸声板的穿孔率，从而提高吸声性能。常见的木质穿孔吸声板基材可分为中密度纤维板、胶合板、定向刨花板（欧松板）、普通刨花板以及集成指接板等。其中尤以中密度纤维板为基材的木质穿孔应用最为广泛，累计市场使用量超过了 800 万 m2。
木质穿孔装饰吸声板一方面表面美观富有装饰效果；另一方面又具有良好的吸声特性。通过穿孔率、空腔以及填充吸声材料的变化，获得声学设计所需的吸声频率特性，而且价格也比较经济。目前该板已成为室内装饰中广泛使用的装饰材料。木质穿孔装饰吸声板特别适用于音乐厅、影剧院、电影院、多功能厅、广播录音室、专业吸音室、歌舞厅、法院、审判庭厅以及体育馆等有声学设计要求的工程装修。
3.水泥木丝板
水泥木丝板属于环保型绿建材，由水泥作为交联剂，木丝作为纤维增强材料，加入部分
添加剂所压制而成的板材。水泥木丝板在 40 年代开始在欧洲广泛应用，目前已成为国际上应用范围很广的建筑材料。它实用性广、性能优异，不但具有一定的吸声效果，而且有耐腐、耐热、耐蚁蚀、易加工、与水泥、石灰、石膏配合性好、绿环保等多种优点。现在，荷兰、芬兰、德国、奥地利、俄罗斯等国家已经形成了不少此类板材的专项制造公司以及专业设备制造厂家：而国内上海、南京、北京等地区近几年才开始使用。目前，木丝板的用途如下：公共场所的吸声与装饰，如影剧院、体育馆、会议室、候车室等；用于消音降噪：高速公路的噪声屏障，工业降噪机房。水泥木丝吸声板的吸声系数 NRC 一般在0.6 左右。
4.泡沫金属吸声材料
泡沫金属是一种新型多孔材料,经过发泡处理在其内部形成大量的气泡,这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构,使泡沫金属把连续相金属的特性如强度大、导热性好、耐高温等与分散相气孔的特性如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等有机结合在一起;同时,泡沫金属还具有良好的电磁屏蔽性和抗腐蚀性能[20,21]。泡沫金属的研究最早始于上个世纪40年代末期,起初由于制作工艺的限制,制约了它的发展。我国对泡沫金属的研制始于80年代。
目前泡沫金属研究得到很大发展,已经涉及到的金属包括Al、Ni、Cu、Mg等,其中研究最多的是泡沫铝及其合金。
5.聚氨酯泡沫塑料
聚氨酯泡沫塑料(PUF)是一种新型系列化吸声材料,按照气孔形式不同,也分为闭孔型和
开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于隔热保温,开孔的则用于吸声。PUF无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀,对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。
特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性。目前我国已开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖,防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶,安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体,具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点,适用于机电产品的隔声罩,吸声屏障,空调消声器,工厂吸声降噪,以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。
6.泡沫玻璃吸声材料
泡沫玻璃是以玻璃粉为原料,加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料,其孔隙率可达85%以上。按照材料内部气孔的形态可分为开孔和闭孔两种,闭孔泡沫玻璃作为隔热保温材料,开孔的作为吸声材料。泡沫玻璃板厚度的增加对吸声系数影响不明显,因此一般选用20～30mm厚的板材,可以获得比较高的性价比。开孔型泡沫玻璃耐水性能好,所吸的水能自动流出,烘干后吸声性能变化不大。
泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点,非常适合于要求洁净环境的通风和空调系统的消声。由于泡沫玻璃板强度较低,背后不宜留空腔,否则容易损坏,所以靠增加空腔来提高材料低频吸声性能的方法,其效果不佳。
材料吸声性能的评价与测试方法
材料吸声性能主要由吸声系数的高低来表示。吸声系数是指声波入射在物体表面发生反射时，其能量被吸收的百分率，用 a 来表示，a 值越大，材料吸声性能越好。通常采用125、250、500、1000、2000 和 4000HZ 六个倍频程中心频率处吸声系数的算术平均值(平均吸声数)来表示材料的吸声能力。日常生活中的许多材料都对声能具有一定的耗散作用，但只
有当材料的平均吸声数大于 0.2 才可称为吸声材料。常用的吸声系数有法向入射吸声系数和无规则入射吸声系数两种。法向入射吸声系数一般由驻波管法和传递函数法测定，表示声波法向入射到材料表面的特殊情况，多在研究材料吸声性能时采用。无规则入射吸声系数由混响室法测得，反映声波从各个方向以相同的几率入射到材料表面时的吸声系数，比较接近实际情况。材料在不同频率下会有不同的吸声系数。可采用吸声系数频率特性曲线来描述材料在不同频率的吸声性能。
1.驻波管法
测试管一端的扬声器发出一个单频声波，向管内辐射声波，声波沿管道传，在试件端产生反射波，反射波的强度和相位与试件的声学特性有关。反射波与入射波相加，在管内形成驻波声场，沿管轴方向出现声压极大与极小的交替分布。利用可移动的探管传声器接收声压信号，根据声压极大值与极小值的比值(即驻波比)确定材料的垂直入射吸声系数。国标 GBJ88-1985“驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范”，对驻波管法测量吸声系数的测试条件进行了相应的规定。
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