工程噪声吸声降噪原理与设计

本讲内容本章主要学习和讨论吸声降噪的原理、吸声材料的种类特性、吸声结构的设计计算等内容。利用吸声处理来吸收声能降低噪声的方法是噪声控制的主要措施之一。实践证明，经吸声处理后，室内混响声一般可降低5~10dB。吸声：声波通过媒质或入射到媒质分解面上时声能的减少过程，称为吸声或声吸收。一般采用吸声材料来降低室内的混响声，吸声按其机理可分为多孔性吸声材料、共振吸声结构及阻抗复合式吸声结构三大类。吸声处理一般用于降低室内噪声中的反射声，而对直达噪声则不起作用。本讲内容补充一些基本概念6.1多孔吸声材料6.2穿孔共振吸声结构6.3阻抗复合吸声结构6.4吸声系数的测量6.5吸声降噪设计6第六章吸声降噪原理与设计本讲内容补充一些基本概念1.直达声场2.混响声场3.扩散声场4.混响时间5.吸声性能评价本讲内容一些基本概念（1）1.直达声场室内噪声的来源，有通过空气传到受声点的声音，即直达声。从声源直接到达受声点的直达声形成的声场叫直达声场。2.混响声场室内噪声的来源，还有通过室内各墙壁面反射到受声点的声音，即混响声。经过房间壁面一次或多次反射后到达受声点的反射形成的声场叫混响声场。在室内声场中，声波每相邻两次反射所经过的路程称为自由程。本讲内容由于壁面的声学性质不均匀，房间形状不规则，室内人和物的反射现象十分复杂，经多次反射声场中声音的传播规律依赖于房间的大小和房内各个表面的反射性质。3.扩散声场扩散声场是指有声源的房间内，声能量密度处处相等，并且在任何一点上，从各个方向传来的声波几率都相等的声场。在这种理想化的声场中，声波的相位是无规则的。一般情况下，对于所有内壁面均光滑、坚硬，并且天花板、四壁为一定不规则形状的大房间，声源在室内产生的声场非常接近扩散声场。扩散声场包含直达声场和混响声场，是由两声场叠加形成。一些基本概念（2）本讲内容4.混响时间当室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声能密度衰减到原来的百万之一，即声压级衰减60dB所需要的时间，称为混响时间，记作T，单位为秒。计算公式为：式中V---房间容积，m3；A---室内总吸声量，m2，适用条件：室内声音频率低于2000Hz，。5.吸声性能评价吸声材料或吸声结构的声学性能与频率有关，通常采用吸声系数、吸声量、流阻等三个与频率有关的物理量来评价。SV161.0AV161.0T60SA2.0一些基本概念（3）本讲内容一些基本概念—图例本讲内容一些基本概念—图例本讲内容一些基本概念—图例本讲内容一些基本概念—图例本讲内容一些基本概念一些基本概念—图例本讲内容6.1多孔吸声材料6.1.1多孔吸声材料的构造特征和吸声机理6.1.2多孔吸声材料吸声性能的影响因素6.1.3吸声材料的种类与特点6.1.4吸声材料的吸声理论（自学）本讲内容6.1.1多孔吸声材料的构造特征和吸声机理1.多孔材料的构造特征2.吸声机理3.吸声系数4.吸声特性本讲内容1.多孔材料的构造特征构造特征：材料的孔隙率要高，一般在70%以上，多数达到90%左右；孔隙应该尽可能细小，且均匀分布；微孔应该是相互贯通，而不是封闭的；微孔要向外敞开，使声波易于进入微孔内部。两个重要条件：一是具有大量的、均匀的孔隙；二是孔之间要连通，表面向外敞开。本讲内容2.吸声机理多孔吸声材料衰减声能有两个原因：一是粘滞阻力耗能当声波经过材料表面引起空隙内部空气振动时，空气与固体经络间产生相对运动。由于空气的粘滞性产生相应的粘滞阻力，使振动空气动能不断转化成为热能，从而使声波能量衰减；二是热交换耗能声波通过时发生空气绝热压缩升温，与多孔材料的热交换和热传导也衰减声能。本讲内容吸声材料吸收的声能与入射的声能比值称为吸声系数。表示无吸声作用；表示完全吸收；一般0﹤α﹤1，α越大，吸声性能越好。通常当吸声系数α≥0.2时，材料才能被称为吸声材料。α≥0.5的材料就是理想的吸声材料。rEEEEEirii1013.吸声系数本讲内容吸声系数α的值与入射声波的频率有关•同一材料对不同频率的声波，其吸声系数有不同的值。•在工程中，常采用125、250、500、1000、2000、4000Hz六个倍频程中心频率吸声系数的算术平均值，来表示某一材料(或结构)的平均吸声系数。吸声系数α的值与声波的入射角有关•由于入射角度对吸声系数有较大的影响，不同的入射角其吸声系数不同。•通常规定了三种不同的吸声系数。即：垂直入射吸声系数(驻波管法吸声系数)，用α0表示。它多用于材料性质的鉴定与研究；斜入射吸声系数(应用不多)；无规入射吸声系数αT(混响法吸声系数)。4.吸声特性本讲内容4.吸声特性本讲内容6.1.2多孔吸声材料吸声性能的影响因素1.材料厚度的影响2.材料容重的影响3.吸声材料背后空腔的影响4.流阻的影响5.护面层的影响本讲内容1.材料厚度的影响•材料厚度增加，低频吸声系数增加。•一定的材料,厚度增加一倍,频率特性曲线峰值向低频方向近似移动一个倍频程.fr··d=const.(500Hz),d=(1/4)λ最佳.•在实际中,中高频噪声一般采用20～50mm的厚度吸声板;对低频吸声要求较高时,则采用50～100mm厚.本讲内容2.材料容重的影响在厚度一定的情况下，增大容重可以提高中低频吸声系数，容重过大反而会降低吸声效果，对于某一种多孔吸声材料容重都有一最佳值。增加容重比增加厚度引起的变化小，容重的选择是第二位的。(材料的容重即单位体积的重量)本讲内容若在材料层与刚性壁之间留一定距离的空腔，可改善对低频的吸声性能，相当于增加了多孔材料的厚度，更经济。空腔增厚，对吸收低频声有利。当腔深近似于入射声波的1/4波长时，吸声系数最大，为1/2波长或其整数倍时，吸声系数最小。实际使用常取腔深50~100mm。3.吸声材料背后空腔的影响本讲内容流阻是空气质点通过材料空隙时的阻力。材料的透气性可以用流阻这一物理参量来定义。在稳态气流下，吸声材料的压力梯度与气流在材料中的流速之比，定义为材料的流阻，单位为Pa·s/m。单位厚度的流阻称为材料的流阻率，单位为Pa·s/m2。材料流阻低，低频吸声系数很低但中高频吸声系数高；高流阻材料与低流阻相比，高频吸声系数降低，低中频系数提高。4.流阻的影响本讲内容多孔材料在使用时加护面层，以固定多孔材料，防止散落。护面层可采用穿孔护面板、金属丝网、塑料网纱、玻璃布、麻布、纱布等。护面网罩:有塑料纱网、金属丝网、钢板网等。穿孔率高，声质量和声阻忽略不计，有高温、耐腐蚀、高强度要求时用金属网，一般用塑料纱网。纤维布:有纱布、尼龙布、金属纤维布等。相对声阻率0.1左右，相对声抗率可忽略。主要用于包扎易碎落吸声材料。塑料薄膜：可起到放水、防潮、防止掉渣的作用。具有声质量，对低频吸声性能的影响可忽略，对高频不利。适用于中低频吸声。穿孔板：具有优良的机械性能，用于保持形状、承受应力、耐侵蚀的场合。穿孔率一般大于20%。5.护面层的影响本讲内容6.1.3吸声材料的种类与特点1.无机纤维材料类主要有：玻璃丝、玻璃棉、岩棉、矿渣棉及其制品。其特点：容重小、导热系数小、防火、防水、防潮。2.泡沫塑料类主要有：米波罗、氨基甲酸脂泡沫等。其特点：容重小、导热系数小、质软，但易老化、耐火性差。3.有机纤维材料类主要有：棉、麻等植物纤维。其特点：成本低，但防火、防蛀、防潮差。4.吸声建筑材料类主要有：含有微孔的泡沫砖、泡沫混凝土等。其特点：保温、防潮、耐蚀、耐冻、耐高温。本讲内容常用吸声材料的使用情况主要种类常用材料实例使用情况纤维材料有机纤维材料动物纤维：毛毡价格昂贵，使用较少。植物纤维：麻绒、海草、椰子丝防火、防潮性能差，原料来源广，便宜。无机纤维材料玻璃纤维：中粗棉、超细棉、玻璃棉毡吸声性能好，保温隔热，耐潮，但松散纤维易污染环境或难以加工成制品。矿渣棉：散棉、矿棉毡吸声性能好，不燃、耐腐蚀，易断成碎末，污染环境施工扎手。纤维材料制品软质木纤维板、矿棉吸声砖、岩棉吸声板、玻璃吸声板、木丝板、甘蔗板等装配式加工，多用于室内吸声。本讲内容常用吸声材料的使用情况主要种类常用材料实例使用情况颗粒材料砌块矿渣吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖、陶土吸声砖多用于砌筑界面较大的消声装置。板材珍珠岩吸声装饰板质轻、不燃、保温、隔热。泡沫材料泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料、尿醛泡沫塑料吸声性能不稳定，吸声系数使用前需实测其他吸声型泡沫玻璃强度高、防水、不燃、耐腐蚀加气混凝土微孔不贯通，使用少本讲内容6.2穿孔共振吸声结构6.2.1穿孔共振吸声结构的共振频率6.2.2穿孔共振吸声结构的吸声系数和频带宽度6.2.3微穿孔板吸声结构本讲内容6.2.1穿孔共振吸声结构的共振频率吸声机理：利用空气柱在小孔中的来回磨擦消耗声能，用孔后的腔深来控制吸声峰值的共振频率。1.单个共振器2.穿孔板组合共振器3.板后加吸声材料的组合结构本讲内容1.单个共振器（1）单孔共振吸声结构也称亥姆霍兹共振器，如图。这种结构的腔体中空气具有弹性，相当于弹簧；孔颈中空气柱具有一定质量，相当于质量块，因此可以将它看做一个质量一弹簧共振系统。本讲内容单个共振腔的合成声阻抗：单个共振腔的共振频率为：式中S为孔颈开口面积，m2；c为声速，一般取340m/s；V为空腔容积，m3；Lk为小孔有效颈长，m。若小孔为圆形：，其中t为颈的实际长度（即板厚度），m；d为孔颈口的直径，m。1.单个共振器（2）krVLScf2)1(aaaaCMjRZdtdtLk8.04本讲内容1.单个共振器（3）从共振频率计算式可知：•共振频率fr与孔颈d大小和空腔体体积V有关，与小孔及腔的形状无关；•共振结构的吸声频率选择性很强，只对共振频率附近声波有较好的吸收，吸声频带很窄(即频率选择强)，适用于有明显音调的低频噪声场合。•若在颈口下放置一些诸如玻璃棉之类的多孔材料，或加贴一薄层尼龙布等透声织物，可以增加颈口部分的磨擦阻力，增宽吸声频带。本讲内容穿孔板共振吸声结构是在板材上，以一定的孔径和穿孔率打上孔，背后留有一定厚度的空气层。这种吸声结构实际上可以看作是由单腔共振吸声结构的并联而成。穿孔板共振吸声结构的共振频率是：式中c0声速，m／s；D空腔厚度，m；Lk孔颈有效长度，m。pm为穿孔率。工程上常用板厚1~10mm，孔径2~15mm,穿孔率0.5~15％，空气层厚50~250mm。DLpcfkmr200/Snspm2.穿孔板组合共振器本讲内容穿孔率的计算圆孔，正方形排列圆孔，三角形排列狭缝，平行排列穿孔率（pm），即穿孔总面积与板的总面积的比值。2.穿孔板组合共振器24Bdpm232BdpmBdpmdBdBdB本讲内容3.板后加吸声材料的组合结构当穿孔板结构的空腔内填入吸声材料后，由于空腔的声阻抗以及穿孔的末端修正值的变化，吸声结构的共振频率将起明显变化。此时共振频率为：其中：；；；通常情况下，共振腔内加吸声材料后，吸声频率向低频移动。''02DLpcfkmrDnpdntLmk)3/(]2/)1[(0'rDD'0/n本讲内容3.板后加吸声材料的组合结构本讲内容6.2.2穿孔共振吸声结构的吸声系数和频带宽度1.共振时的吸声系数共振吸声结构的吸声系数α为：其中rp为反射系数，r为声阻，x为声抗。共振时声抗x=0，吸声系数为极大值αr：αr~r曲线如图。0222)1(41xrrrp2)1(4rrr本讲内容6.2.2穿孔共振吸声结构的吸声系数和频带宽度2.共振吸声频带宽度共振吸声频带带宽Δf为：吸声系数高于0.5的频带宽度Δf可由下式计算：式中λ是与共振频率fr相对应的波长；D为空腔深（板后的空气层厚度）。由上式可知，穿孔板共振吸声结构的Δf与腔深D有很大的关系，而腔深又影响共振频率的大小，故需合理选择腔深。rfQfff)/1(12)]1(2/[rDrQrfDf)/(4本讲内容6.2.3微穿孔板共振吸声结构将厚度1mm孔径小于1mm的金属薄板，固定在刚性壁面上，板后留适当深度空腔，组成微穿孔板