從吸聲材料和吸聲結構淺談吸聲技術

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從吸聲材料和吸聲結構淺談吸聲技術

文章出處：技術資訊網責任編輯劉倩閱讀量：發表時間：2020-06-24 14:28

降噪措施總體說來無非是吸聲、減振、隔聲、消聲，今天我們來談一談吸聲技術。吸聲在降噪工程中被廣泛應用，采用吸聲手段改善噪聲環境時，通常有兩種處理方法：

一是采用吸聲材料，二是采用吸聲結構
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吸聲評價方法1
吸聲材料或吸聲結構的聲學性能與頻率有關，通常采用吸聲系數、吸聲量、流阻等三個與頻率有關的物理量來評價。

(1) 吸聲系數

式中，El為入射到材料或結構表面的總能量；Eα表示被材料或結構吸收的聲能。

式中，Er表示被材料或結構反射的聲能。

一般材料的吸聲系數均在0~1之間，α值越大，吸聲效果越顯著。

(2) 吸聲量

工程上評價一種吸聲材料的實際吸聲效果時，通常采用吸聲量進行評價。吸聲量的定義為吸聲系數與所使用吸聲材料的面積之乘積，用A來表示：

(3) 吸聲預估與應用

吸聲降噪原理：
在房間中，由于聲波傳播中受到壁面的多次反射而形成混響聲，混響聲的強弱與房間壁面對聲音的反射性能密切有關。

為了降低混響聲，通常用吸聲材料裝飾在房間壁面上，或在房間中掛一些空間吸聲體。當從噪聲源發出的噪聲碰到這些材料時，被吸收掉一部分，從而使總噪聲級降低。

吸聲處理只能減弱從吸聲面（或吸聲體）上的反射聲，即只能降低車間內的混響聲，對于直達聲卻沒有什么效果。因此，吸聲處理只有當混響聲占主要地位時才有明顯的降噪效果；而當直達聲占主要地位時，吸聲處理就沒有多大作用。

吸聲降噪的預估：
吸聲降噪值與聲源的特性、吸聲面積、吸聲材料的厚度、容重以及吸聲結構都有關系，但吸聲降噪值主要取決于吸聲處理前后的平均吸聲系數、吸聲面積。

A1和A2分別是房間吸聲處理前后的吸聲量，在計算吸聲量時，必須計及吸聲結構的總面積；T1和T2分別為房間吸聲處理前后的混響時間。

吸聲材料2
采用吸聲材料進行聲學處理也是最常用的吸聲降噪措施。工程上具有吸聲作用并有工程應用價值的材料多為多孔性吸聲材料，而穿孔板等具有吸聲作用的材料，通常被歸為吸聲結構。多孔吸聲材料有以下種類。

按成型形狀可分為：制品類和砂漿類；

按照材料可以分為：玻璃棉、巖棉、礦棉等；
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按多孔性形成機理及結構狀況又可分為：纖維狀、顆粒狀和泡沫塑料等。
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(1) 多孔性吸聲材料的吸聲機理

多孔性吸聲材料要具有吸聲性能，就必須具備兩個重要條件：一是具有大量的孔隙，二是孔與孔之間要連通。當聲波入射到多孔性吸聲材料表面后，一部分聲波從多孔材料表面反射，另一部分聲波透射進入多孔材料，進入多孔材料的這部分聲波，引起多孔性吸聲材料內的空氣振動，由于多孔性材料中空氣與孔的摩擦和粘滯阻力等，將一部分聲能轉化為熱能。此外，聲波在多孔性吸聲材料內經過多次反射進一步衰減，當進入多孔性吸聲材料內的聲波再返回時，聲波能量已經衰減很多，只剩下小部分的能量，大部分則被多孔性吸聲材料損耗吸收掉。

(2) 影響多孔性吸聲材料吸聲系數的因素

影響多孔性吸聲材料吸聲性能的主要因素有：材料的厚度、材料的容重或空隙率、材料的流阻、溫度和濕度。

流阻：
流阻Rj 是評價吸聲材料或吸聲結構對空氣粘滯性能影響大小的參量。流阻的定義是：微量空氣流穩定地流過材料時，材料兩邊的靜壓差和流速之比

材料的厚度：
大量的試驗證明：吸聲材料的厚度決定了吸聲系數的大小和頻率范圍。增大厚度可以增大吸聲系數，尤其是增大中低頻吸聲系數。同一種材料，厚度不同，吸聲系數和吸聲頻率特性不同；不同的材料，吸聲系數和吸聲頻率特性差別也很大。

材料的容重或空隙率：
材料的容重是指，吸聲材料加工成型后單位體積的重量。有時，也用空隙率來描述。空隙率是指，多孔性吸聲材料中連通的空氣體積與材料總體積的比值

材料的容重或空隙率不同，對吸聲材料的吸聲系數和頻率特性有明顯影響。一般情況下，密實、容重大的材料，其低頻吸聲性能好，高頻吸聲性能較差；相反，松軟、容重小的材料，其低頻吸聲性能差，而高頻吸聲性能較好。

濕度和溫度：
濕度對多孔性材料的吸聲性能也有十分明顯的影響。隨著孔隙內含水量的增大，孔隙被堵塞，吸聲材料中的空氣不再連通，空隙率下降，吸聲性能下降，吸聲頻率特性也將改變。因此，在一些含水量較大的區域，應合理選用具有防潮作用的超細玻璃棉氈等，以滿足南方潮濕氣候和地下工程等使用的需要。

溫度對多孔性吸聲材料也有一定影響。溫度下降時，低頻吸聲性能增加；溫度上升時，低頻吸聲性能下降，因此在工程中，溫度因素的影響也應該引起注意。

材料后空氣層的影響：
在實際工程結構中，為了改善吸聲材料的低頻吸聲性能，通常在吸聲材料背后預留一定厚度的空氣層。空氣層的存在，相當于在吸聲材料后又使用了一層空氣作為吸聲材料，或者說，相當于使用了吸聲結構。

材料飾面的影響：
在實際工程中，為了保護多孔性吸聲材料不致變形以及污染環境，通常采用金屬網、玻璃絲布、及較大穿孔率的穿孔板等作為包裝護面；此外，有些環境還需要對表面進行噴漆等，這些都將不同程度地影響吸聲材料的吸聲性能。但當護面材料的穿孔率（穿孔面積與護面總面積的比值）超過20%時，這種影響可以忽略不計。

吸聲結構3
吸聲處理中較常采用的另一措施就是采用吸聲結構。吸聲結構的吸聲機理，就是利用赫姆霍茲共振吸聲原理。

(1) 共振吸聲原理

當聲波入射到赫姆霍茲共振吸聲器的入口時，容器內口的空氣受到激勵，將產生振動，容器內的介質將產生壓縮或膨脹變形，根據等效線路圖分析，可以得到單個赫姆霍茲共振吸聲器的等效聲阻抗為

赫姆霍茲共振吸聲器的共振頻率為

赫姆霍茲共振吸聲器達到共振時，其聲抗最小，振動速度達到最大，對聲的吸收也達到最大。

(2) 常用吸聲結構

工程中常用的吸聲結構有空氣層吸聲結構、薄膜共振吸聲結構和板共振吸聲結構、穿孔板吸聲結構、微穿孔板吸聲結構、吸聲尖劈等，其中最簡單的吸聲結構就是吸聲材料后留空氣層的吸聲結構。

空氣層吸聲結構
前面已經提到，在多孔材料背后留有一定厚度的空氣層，使材料離后面的剛性安裝壁保持一定距離，形成空氣層或空腔，則它的吸聲系數有所提高，特別是低頻的吸聲性能可得到大大改善。

通常的空氣層厚度為50~300mm ，空腔厚度太小，則達不到預期的效果，空氣層尺寸太大，施工時存在一定的難度。當然，對于不同的吸聲頻率，空氣層的厚度有一定的最佳值，對于中頻噪聲，一般推薦多孔材料離開剛性壁面 70~100mm ；對于低頻，可以增大到200~300mm。

薄膜、薄板共振吸聲結構
在噪聲控制工程及聲學系統音質設計中，為了改善系統的低頻特性，常采用薄膜或薄板結構，板后預留一定的空間形成共振聲學空腔。有時為了改進系統的吸聲性能，還在空腔中填充纖維狀多孔吸聲材料。

在共振吸聲結構中，薄膜的彈性和薄膜后空氣層彈性共同構成了的共振結構的彈性，而質量由薄膜結構的質量確定。在低頻時，可理解為單自由度的振動系統，當膜受到聲波激勵且激勵頻率與薄膜結構的共振頻率一致時，系統發生共振，薄膜產生較大變形。薄膜的變形將消耗能量，起到吸收聲波能量的作用。由于薄膜的剛度較小，因而由此構成的共振吸聲結構的主要作用在于低頻吸聲性能。工程上常用預測系統的共振吸聲頻率：

式中，m為薄膜的面密度， D為空氣層的厚度。

在板后填充多孔性吸聲材料后，系統的吸聲系數和吸聲頻帶都會提高。

穿孔板吸聲結構
由穿孔板構成的共振吸聲結構被稱做穿孔板共振吸聲結構，它也是工程中常用的共振吸聲結構。

對于多孔共振吸聲結構，實際上可以看成單孔共振吸聲結構的并聯結構，因此，多孔共振吸聲結構的吸聲性能要比單孔共振吸聲結構的吸聲效果好，通過孔參數的優化設計，可以有效改善其吸聲頻帶等性能。

對于多孔共振吸聲結構，通常設計板上的孔均勻分布且具有相同的大小，因此，其共振頻率同樣可以使用下式進行計算。當孔的尺寸不相同時，可以采用下式分別計算各自的共振頻率，需要注意的是，式中的體積應該用每個孔單元實際分得的體積，如果用穿孔板的穿孔率表示，則可以改寫成

q=S/S0為穿孔板的穿孔率；h為空腔的厚度。

多穿孔板的共振頻率與穿孔板的穿孔率、空腔深度都有關系，與穿孔板孔的直徑和孔厚度也有關系。穿孔板的穿孔面積越大，吸聲頻率就越高；空腔或板的厚度越大，吸聲頻率就越低。為了改變穿孔板的吸聲特性，可以通過改變上述參數以滿足聲學設計上的需要。

穿孔板主要用于吸收中、低頻率的噪聲，穿孔板的吸聲系數在0.6左右。多穿孔板的吸聲帶寬定義為，吸聲系數下降到共振時吸聲系數的一半的頻帶寬度為吸聲帶寬，穿孔板的吸聲帶寬較窄，只有幾十赫茲到幾百赫茲。

為了提高多孔穿孔板的吸聲性能與吸聲帶寬，可以采用如下方法：

空腔內填充纖維狀吸聲材料；

降低穿孔板孔徑，提高孔口的振動速度和摩擦阻尼；
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在孔口覆蓋透聲薄膜，增加孔口的阻尼；

組合不同孔徑和穿孔率、不同板厚度、不同腔體深度的穿孔板結構。工程中，采用板厚度為2~5mm，孔徑2~10mm ，穿孔率在1%~10% ，空腔厚度 100~250mm 的穿孔板結構。
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微穿孔板吸聲結構
微穿孔板吸聲結構是一種板厚度和孔徑都小的穿孔板結構，其穿孔率通常只有1%~3% ，其孔徑一般小于3mm 。微穿孔板吸聲結構同樣屬于共振吸聲結構，其吸聲機理與穿孔板結構也基本相同。與普通穿孔板吸聲結構相比，其特點是吸聲頻帶寬、吸聲系數高，缺點是加工困難、成本高。微穿孔板吸聲結構也可以組合成雙層或多層結構使用，以進一步提高其吸聲性能。

微穿孔板結構示意圖

吸聲體和吸聲尖劈
工程中，也經常采用空間吸聲體或吸聲尖劈作為吸聲結構。空間吸聲體是一種高效的、自成體系的吸聲結構，它主要由多孔性吸聲材料加外包裝構成，不需要壁板等結構一起形成共振空腔。其特點是吸聲性能好、便于安裝，要求是質量輕、便于施工等。因此，空間吸聲體常采用超細玻璃棉作為填充材料，采用木架或金屬框等為支撐結構，采用玻璃絲布作為外包裝材料，有時也采用穿孔率大于20% 的穿孔板作為外包裝，但采用此包裝時，相對重量和價格比采用玻璃絲布要高。