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03 第三讲吸声处理噪声治理课程第三讲吸声处理一、吸声1.1 吸声系数与降噪系数吸声是声波撞击到材料外表后能量损失的现象，吸声可以降低室 内声压级。描述吸声的指标是吸声系数，代表被材料吸取的声能与入射声能的比值。理论上，假设某种材料完全反射声音，那么它的=0；假设某种材料将入射声能全部吸取，那么它的 =1。事实上， 全部材料的 介于 0 和 1 之间，也就是不行能全部反射，也不行能全部吸取。不同频率上会有不同的吸声系数。人们使用吸声系数频率特性曲 线描述材料在不同频率上的吸声性能。依据 ISO 标准和国家标准，吸声测试报告中吸声系数的频率范围是 100-5KHz。将 100-5KHz 的吸声系数取平均得到的数值是平均吸声系数，平均吸声系数反映了材料 总体的吸声性能。在工程中常使用降噪系数 NRC 粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能，这一数值是材料在 250、500、1K、2K 四个频率的吸声系数的算术平均值，四舍五入取整到0.05。一般认为 NRC 小于 0.2 的材料是反射材料，NRC 大于等 0.2 的材料才被认为是吸声材料。当需要吸取大量声能降低室内混响及噪声时，常常需要使用高吸 声系数的材料。如离心玻璃棉、岩棉等属于高NRC 吸声材料，5cm 厚的 24kg/m3 的离心玻璃棉的 NRC 可到达 0.95。测量材料吸声系数的方法有两种，一种是混响室法，一种是驻波 管法。混响室法测量声音无规入射时的吸声系数，即声音由四周八方 射入材料时能量损失的比例，而驻波管法测量声音正入射时的吸声系 数，声音入射角度仅为 90 度。两种方法测量的吸声系数是不同的，工程上最常使用的是混响室法测量的吸声系数，由于建筑实际应用中声音入射都是无规的。在某些测量报告中会消灭吸声系数大于 1 的状况， 这是由于测量的试验室条件等造成的，理论上任何材料吸取的声能不可能大于入射声能，吸声系数永久小于1。任何大于 1 的测量吸声系数值在实际声学工程计算中都不能按大于 1 使用，最多按 1 进展计算。在房间中，声音会很快布满各个角落，因此，将吸声材料放置在房间任何外表都有吸声效果。吸声材料吸声系数越大，吸声面积越多， 吸声效果越明显。可以利用吸声天花、吸声墙板、空间吸声体等进展 吸声降噪。1.2 吸声原理纤维多孔吸声材料，如离心玻璃棉、岩棉、矿棉、植物纤维喷涂 等，吸声机理是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。多孔 吸声材料的吸声特性是随着频率的增高吸声系数渐渐增大，这意味着 低频吸取没有高频吸取好。多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量 空隙，空隙之间相互连通，孔隙深入材料内部。错误生疏之一是认为 外表粗糙的材料具有吸声性能，其实不然，例如拉毛水泥、外表凸凹 的石才根本不具有吸声力量。错误生疏之二是认为材料内部具有大量 孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能， 事实上，这些材料由于内部孔洞没有连通性，声波不能深入材料内部 振动摩擦，因此吸声系数很小。与墙面或天花存在空气层的穿孔板，即使材料本身吸声性能很差， 这种构造也具有吸声性能，如穿孔的石膏板、木板、金属板、甚至是 狭缝吸声砖等。这类吸声被称为亥姆霍兹共振吸声，吸声原理类似于 暖水瓶的声共振，材料外部空间与内部腔体通过窄的瓶颈连接，声波 入射时，在共振频率上，颈部的空气和内部空间之间产生猛烈的共振 作用损耗了声能。亥姆霍兹共振吸取的特点是只有在共振频率上具有 较大的吸声系数。薄膜或薄板与墙体或顶棚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，这种构造的吸声机理是薄板共振吸声。在共振频率上，由于薄板猛烈振动而大量吸取声能。薄板共振吸取大多在低频具有较好的吸声性能。二、吸声材料及吸声构造2.1 离心玻璃棉离心玻璃棉内部纤维蓬松穿插，存在大量微小的孔隙，是典型的 多孔性吸声材料，具有良好的吸声特性。离心玻璃棉可以制成墙板、 天花板、空间吸声体等，可以大量吸取房间内的声能，降低混响时间， 削减室内噪声。离心玻璃棉的吸声特性不但与厚度和容重有关，也与罩面材料、 构造构造等因素有关。在建筑应用中还需同时兼顾造价、美观、防火、防潮、粉尘、耐老化等多方面问题。离心玻璃棉属于多孔吸声材料，具有良好的吸声性能。离心玻璃棉能够吸声的缘由不是由于外表粗糙，而是由于具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。当声波入射到离心玻璃棉上时，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力和空气分子与孔隙壁的摩擦，声能转化为热能而损耗。离心玻璃棉对声音中高频有较好的吸声性能。影响离心玻璃棉吸 声性能的主要因素是厚度、密度和空气流阻等。密度是每立方米材料 的重量。空气流阻是单位厚度时材料两侧空气气压和空气流速之比。 空气流阻是影响离心玻璃棉吸声性能最重要的因素。流阻太小，说明 材料稀疏，空气振动简洁穿过，吸声性能下降；流阻太大，说明材料 密实，空气振动难于传入，吸声性能亦下降。对于离心玻璃棉来讲， 吸声性能存在最正确流阻。在实际工程中，测定空气流阻比较困难，但 可以通过厚度和容重粗略估量和掌握。1、随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大高频吸取总是较大的。2、厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到肯定程度 时，材料变得密实，流阻大于最正确流阻，吸声系数反而下降。对于厚 度超过5cm 的容重为16Kg/m3 的离心玻璃棉，低频125Hz 约为0.2， 中高频>500Hz的吸声系数已经接近于 1 了。当厚度由 5cm 连续增大时，低频的吸声系数渐渐提高，当厚度大于1m 以上时，低频125Hz 的吸声系数也将接近于 1。当厚度不变，容重增大时，离心玻璃棉的低频吸声系数也将不断提高，当容重接近 110kg/m3 时吸声性能到达最大值， 50mm 厚、频率 125Hz 处接近 0.6-0.7。容重超过120kg/m3 时，吸声性能反而下降，是由于材料变得致密，中高频吸声性能受到很大影响，当容重超过 300kg/m3 时，吸声性能减小很多。建筑声学中常用的吸声玻璃棉的厚度有 2.5cm、5cm、10cm，容重有16、24、32、48、80、96、112kg/m3。通常使用5cm 厚， 12-48kg/m3 的离心玻璃棉。离心玻璃棉的吸声性能还与安装条件有着亲热的关系。当玻璃棉 板背后有空气层时，与一样厚度无空气层的玻璃棉板吸声效果类似。 尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高，吸声系 数将随空气层的厚度增加而增加，但增加到肯定值后效果就不明显了。使用不同容重的玻璃棉叠和在一起，形成容重渐渐增大的形式， 可以获得更大的吸声效果。例如将一层 2.5cm 厚 24kg/m3 的棉板与一层 2.5cm 厚 32kg/m3 的棉板叠和在一起的吸声效果要好于一层5cm 厚 32kg/m3 的棉板。将 24kg/m3 的玻璃棉板制成 1m 长的断面为三角型的尖劈，材料面密度渐渐增大，平均吸声系数可接近于1。离心玻璃棉在建筑使用中，外表往往要附加有肯定透声作用的饰面，如小于 0.5mm 的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等， 根本可以保持原来的吸声特性。离心玻璃棉具有防火、保温、易于切割等优良特性，是建筑吸声最常用的材料之一。但是由于离心玻璃棉 外表无装饰性，而且会有纤维洒落，因此必需制成各种吸声构件隐蔽 使用。最常使用也是造价最低廉的构造是穿孔纸面石膏板的吊顶或做 成内填离心玻璃棉的穿孔板墙面，穿孔率大于 20%时，根本能够完全发挥出离心玻璃棉的吸声性能。为了防止玻璃棉纤维洒出，需要在穿 孔板背后附一层无纺布、桑皮纸等透声织物，或使用玻璃布、塑料薄 膜等包裹玻璃棉。与穿孔纸面石膏板类似的面板还有穿孔金属板如 铝板、穿孔木板、穿孔纤维水泥板、穿孔矿棉板等。玻璃棉板经过处理后可以制成吸声吊顶板或吸声墙板。一般常见 将80-120kg/m3 的玻璃棉板周边经胶水固化处理后外包防火透声织物形成既美观又便利安装的吸声墙板， 常见尺寸为 1.2m×1.2m 、1.2m×0.6m、0.6m×0.6m，厚度 2.5cm 或 5cm。也有在 110Kg/m3 的玻璃棉的外表上直接喷刷透声装饰材料形成的吸声吊顶板。无论是 玻璃棉吸声墙板还是吸声吊顶板，都需要使用高容重的玻璃棉，并经过肯定的强化处理，以防止板材变形或过于松软。这一类的建筑材料既有良好的装饰性又保存了离心玻璃棉良好的吸声特性，降噪系数NRC 一般可以到达 0.85 以上。在体育馆、车间等大空间内，为了吸声降噪，常常使用以离心玻璃棉为主要吸声材料的吸声体。吸声体可以依据要求制成板状、柱状、锥体或其他异型体。吸声体内部填充离心玻璃棉，外表使用透声面层包裹。由于吸声体有多个外表吸声，吸声效率很高。在道路隔声屏障中，为了防止噪声反射，需要在面对车辆一侧采 取吸声措施，往往也使用离心玻璃棉作为填充材料、面层为穿孔金属 板的屏障板。为了防止玻璃棉在室外吸水受潮，有时会使用 PVC 或塑料薄膜包裹。2.2 纸面穿孔石膏板纸面穿孔石膏板常用于建筑装饰吸声。纸面石膏板本身并不具有 良好的吸声性能，但穿孔后并安装成带有肯定后空腔的吊顶或贴面墙 则可形成“亥姆霍兹共振”吸声构造，因而获得较大的吸声力量。这 种纸面穿孔吸声构造广泛地应用于厅堂音质及吸声降噪等声学工程中。石膏板穿孔后，石膏板上的小孔与石膏板自身及原建筑构造的面层形成了共振腔体，声音与穿孔石膏板发生作用后，圆孔处的空气柱产生猛烈的共振，空气分子与石膏板孔壁猛烈摩擦，从而大量地消耗声音能量，进展吸声。这是穿孔纸面石膏板“亥姆霍兹共振”吸声的根本原理。穿孔纸面石膏板吸声对声音频率具有肯定选择性，吸声频率特性曲线呈山峰形，当声音频率与共振频率接近时，吸声系数大； 当声音频率远离共振频率时，吸声系数小。假设在纸面穿孔石膏板背覆一层桑皮纸或薄吸声毡时，空气分子在共振时的摩擦阻力增大，各个频率的吸声性能都将有明显提高，这就是人们常常在穿孔纸面石膏板后覆一层桑皮纸或薄吸声毡增加吸声的缘由。影响纸面穿孔石膏板吸声性能的主要因素是穿孔率和后空腔大小， 穿孔孔径、石膏板的厚度等对吸声性能影响较小。穿孔率从 2%到 15% 之间渐渐增大时，孔占的外表积增大，空气分子进入共振腔体参与共振的几率增加，吸声力量增大，假设后空腔内放入吸声材料，吸声更猛烈。穿孔率会影响共振频率，穿孔率增大，共振频率将向高频偏移， 偏移量与穿孔率的开根号成正比。穿孔率增大，吸声频率特性曲线的“山峰”将向右侧高频移动，且“山峰”形态整体趋于抬高，平均吸声系数增加。增大穿孔率可以提高吸声性能，但因石膏板强度的限制，一般穿孔率在 2%-15%的范围。当后空腔增大时，共振腔内的空气分子数量增多，共振时参与消 耗声能的空气分子数增多，吸声性能增加。转变后空腔大小是常用的 调整穿孔石膏板吸声系数的方法。后空腔大小会影响共振频率，空腔 增大，共振频率将向低频偏移，偏移量与空腔深度的开根号成反比， 吸声频率特性曲线的“山峰”将向左低频移动，“山峰”形态整 体趋于抬高，平均吸声系数变大。但当空腔深度过大时，空腔内“空 气弹簧”效果减弱，吸声性能下降，一般状况空腔深度在 5-50cm 以内为宜。在通常范围内，穿孔孔径大小一般是 3-10mm，石膏板厚度一般是9.5mm、12mm 或15mm，这些因素较多地影响共振频率的凹凸， 对穿孔纸面石膏板平均吸声性能的影响很小。孔径增大或厚度增加， 共振频率将向低频偏移，偏移量与孔径或厚度的开根号成反比，吸声 频率特性曲线的“山峰”将向左低频移动，“山峰”形态根本保 持不变，因此平均吸声系数根本不变。依据试验，孔径大小或石膏板 厚度的转变，平均吸声系数根本无大的变化，一般在 10%以内，共振频率的转变也只在一到两个 1/3 倍频程的范围内。在降噪实际工程中孔径和板厚的选取主要依据应用场合所需的强度确定，孔径选3-10mm，板厚选 9-15mm 均可，不同的板厚或孔径根本可以无视对吸声性能的影响。2.3 其他常用吸声材料与离心玻璃棉类似的多孔纤维吸声材料还有岩棉、矿棉板、开孔 聚阻燃氨脂、纤维素喷涂、吸声帘幕等。岩棉是玄武岩熔化后甩拉而 成，纤维直径一般在 10 左右，离心玻璃棉是玻璃熔化后甩拉形成， 纤维直径更细，一般在 6 以下，因此岩棉容重往往比离心玻璃棉大。岩棉的吸声性能和离心玻璃棉接近，5cm 厚的容重 80kg/m3 的岩棉与 24kg/m3 的离心玻璃棉吸声性能相当，NRC 大约 0.95 左右。矿棉板是高炉矿渣经熔化喷吹形成纤维，再烘干成型成为板材，厚度一般 在 12-18mm，NRC 在 0.3-0.4，常作为吊顶天花使用。阻燃聚氨脂是一种软性泡沫材料，分为开孔和闭孔两种，开孔型泡孔之间相互连通， 弹性好，吸声性能好，常用于剧场吸声座椅内胆或隔声罩内衬，50cm 厚容重 40kg/m3 时 NRC 约 0.5-0.6；闭孔型泡孔封闭，不吸声，常用于保温或防水密封材料。纤维素喷涂材料是将纤维吸声材料与水、胶 混合后在天花或墙壁上喷涂而成，施工简便，常适用于改造或面层复 杂工程的施工，代表性材料有 K13，在硬壁上喷涂 2.5cm 厚的 K13，NRC 可到达 0.75。厚重多皱的经防火处理的帘幕也常用于建筑吸声，因帘幕便于拉开和闭合，常用于可变吸声。将岩棉或玻璃棉做成1m 长左右的尖劈状可以形成强吸声构造，各频率的吸声系数可达0.99，是吸声性能最强的构造，常用于消声试验室或车间强吸声降噪。与穿孔纸面石膏板类似的穿孔共振吸声构造还有水泥穿孔板、木穿孔板、金属穿孔板等。水泥和木穿孔板的吸声性能接近于穿孔纸面石膏板，水泥穿孔板造价低，但装饰性差，常用于机房、地下室等吸声；木穿孔板美观，装饰性好，但防火、防水性能差，价格高，常用于厅堂吸声装修。金属穿孔板常用做吸声吊顶，或吸声墙面，穿孔率可高达35%，后空20cm 以上，内填玻璃棉、岩棉，NRC 可到达0.99。在穿孔板后贴一层吸声纸或吸声毡能提高孔的共振摩擦效率，大大提高吸声性能。在板厚小于 1mm 的薄金属板上穿直径小于 1.0mm 的微孔，形成微穿孔吸声板。微穿孔板比一般穿孔板吸声系数高，吸声频 带宽，一般穿孔率在 1%-2%，后部无须衬多孔吸声材料。三、吸声降噪效果的计算3.1 吸声降噪的计算吸声降噪降低反射声的声能，假设无视直达声的影响，吸声量增加1 倍，噪声降低 3dB 。计算公式为： VA T T T A A L 161.021lg 1021lg 1012lg 10?=? ，其中 L 为降噪量，A1、T1 和 A2、T2 分别为参加吸声材料前后的房间吸声量、混响时间,V 为房间体积。假设房间未做吸声处理，反射较严峻，吸声量少，混响时间长， 那么吸声降噪的效果比较好。假设原房间已经有大量的吸声，混响时间短，那么吸声效果比较差。例：一房间体积 V=400m 3,混响时间为 6s ，参加 100m 2 的吸声系数 0.9 吸声吊顶，请问降噪量为多少？依据降噪公式，L=10lg6×90÷(0.161×400)=9.2dB 。3.2 室内声源状况对吸声降噪效果的影响假设室内分布多个声源，室内各处的直达声都很强，吸声效果就 比较差，往往只能降低 3-4dB 。尽管降低量有限，但削减了混响声， 室内工作人员的主观上消退了噪声来自四周八方的混乱感，反映较好。吸声处理对于声源距离近的位置效果差，对于声源距离远的位置效果 好，对传到室外的噪声降低效果也很明显。3.3 吸声降噪效果与房间外形、尺寸、吸声位置有关假设房间容积很大，人们的活动区域靠近声源，直达声占主导地位，此时吸声效果差。容积较小的房间，声音在天花和墙壁上反射屡次后与直达声混合，反射声多， 此时吸声处理效果就明显。阅历说明，3000m3 以下的房间吸声降噪效果好，更大的房间，吸声效果不抱负。不过，假设房间体型瘦长，顶棚低，房间长度大于高宽的 5 倍以上，由于声音的反射类似与在管道中爬行，吸声处理的降噪效果也较好。3.4 吸声材料的频谱特性应与噪声源的频谱特性相适应应针对声源的频谱特性选择吸声材料，吸声材料的频谱应与噪声源的频谱特性匹配。高频噪声大用高频吸声多的材料，低频噪声大用低频吸声多的材料。如使用穿孔共振吸声材料，最好使吸声频率峰值与噪声频率最大值相对应，假设噪声在中高频存在峰值，这样处理的降噪效果就格外显著。3.5 建筑应用的考虑在建筑中应用时，吸声材料与吸声构造的吸声性能应稳定，防火， 耐久，无毒，价格要适中，施工应便利，无二次污染，美观有用。