工程噪声隔声降噪理论与技术

本讲内容本章首先介绍单层墙和双层墙的隔声理论与特性，然后介绍隔声屏、隔声罩等的设计原则和方法。如果没有另外说明，假定声场为完全扩散，构件面积足够大，可以忽略其边界条件产生的效应。影响隔声结构性能的因素主要包括三个方面。其一是隔声材料的品种、密度、弹性和阻尼等因素；一般来讲，材料的面密度越大，隔声量就越大，另外增加材料的阻尼可以有效地抑制结构共振和吻合效应引起的隔声量的降低。其二是构件的几何尺寸以及安装条件(包括密封状况)。其三是噪声源的频率特性、声场的分布及声波的入射角度。对于给定隔声构件来讲，隔声量与声波频率密切相关，一般来讲，低频时隔声性能较差，高频时隔声性能较好。隔声降噪的目的就是要根据噪声源的频谱特性设计适合于降低该噪声源的隔声结构。用构件将噪声源和接收者分开，使声能在传播途径中受到阻挡，从而降低或消除噪声传递的措施，称为隔声。这些措施包括设置隔声墙、隔声罩、隔声幕和隔声屏障等。如果措施得当，就能够降低噪声级20～50分贝。本讲内容本讲内容7.1单层均质的隔声7.1.2声波无规入射时的隔声量7.1.3单层介质的隔声频率特性7.1.1声波垂直入射时的隔声量本讲内容声透射系数τ：材料透射的声能与入射到材料上的总声能的比值。隔声量R(或TL)：入射声功率级与透射声功率级之差，也称透射损失或传声损失，单位dB。同一隔声结构，不同的频率具有不同的隔声量。平均隔声量：在工程应用中，通常把中心频率为125至4000Hz的6个倍频程或100至3150Hz的16个1/3倍频程的隔声量作算术平均。插入损失(IL)：吸声、隔声结构设置前后的声功率级的差。itWW22ititppII1lg10lg20lg100titiPPIIR21WWLLIL7.1单层均质的隔声本讲内容7.1.1声波垂直入射时的隔声量（1）单层介质:厚度D，特性阻抗为;空气的特性阻抗为;声压为质点速度为统一表示如下其中，n=1,2,3；并且,,。令：，。pippppr2i2rtDⅠⅠⅡaobcc00c)cos(),(1)(1xktpeptxpAxktjA)cos(),(100)(00)(11xktcpecpevtxvAxktjAxktjA)cos(/)(//xktpeppnArinxktjArinrinn)cos(/)(/)(//1xktcpecpevvnnnArinxktjnnArinxktjArinrinn1133cc13kk03rp001113ccRRccR222本讲内容7.1.1声波垂直入射时的隔声量（2）由声压和质点振速连续的边界条件可得，x=0处：x=D处：或者：pippppr2i2rtDⅠⅠⅡaobcrAiArAiArAiArAiAppRRpppppp2221112211)/(iADjkrADjkiAiADjkrADjkiApRRepeppepep31222322)/(2222iArAiAiArAiApRRDktpDktppDktpDktp312222232222)/()cos()cos()cos()cos(本讲内容7.1.1声波垂直入射时的隔声量（3）由上述方程组，可求得透射声压与入射声压之比tp式中，R12=R2/R1；R21=R1/R2。由此得声透射系数τ为：相应的隔声量为：透声系数说明介质层的隔声特性，透声系数越低隔声性能越好。介质层的隔声量的大小与R1/R2、介质层的厚度D及声波的波长有关。2122221122213sincos42DkRRDkpptiAiApDkRRDkRpRpiAiA222211222121123sincos44]sin411lg[101lg1022221120DkRRR本讲内容7.1.1声波垂直入射时的隔声量（4）由于R2R1，∴R21=0；而Dλi，∴sink2D≈k2D和cosk2D≈1，所以有：式中，m=ρD为板的面密度，其单位为kg·m-2。固体媒质的隔声量公式又称为质量公式，公式表明隔声量与墙体质量和声音频率有关。对实际的隔板，均满足则有：120021cm200021lg10cmR1200cm5.42lg20lg202lg20000fmcmR本讲内容7.1.2声波无规入射时的隔声量（1）以θ角入射，利用边界条件可得，斜入射透声系数为透声系数为各向平均，有即无规入射隔声量考虑，引入R0，得12002132cos1cmppiAiA202020sincos2sincossincosddd20020021ln2cmmc2000021lnlg102lg20cmcmRr1200cm)23.0lg(1000RRRr本讲内容7.1.2声波无规入射时的隔声量（2）从上式可知无规入射隔声量Rr与频率f的关系为每倍频程约增加5dB，而垂直入射则为每倍频程增加6dB，表明无规入射时的隔声量随频率增加的速率比正入射时的情况要慢些。经验公式单层隔声结构平均隔声量公式为单层结构的隔声量与隔声材料的面密度密切相关，面密度越大，隔声量越大。而面密度又等于材料密度乘以隔声结构的厚度。44)lg(18mfRr22/10013lg5.13/1008lg18mkgmmRmkgmmR当当材料名称密度/kgm-2材料名称密度/kgm-2钢7700木材580~1100铝2700砖1800铅11000密实混凝土2300玻璃2500煤渣混凝土1500有机玻璃1150石膏板650胶合板580本讲内容7.1.3单层介质的隔声频率特性（1）单层均质板隔声特性曲线按频率可分为三个区域，即劲度和阻尼控制区(Ⅰ)、质量控制(Ⅱ)、吻合效应和质量控制延续区(Ⅲ)。(Ⅰ)区：有则,劲度控制区;以(6dB/倍频程)下降；有,阻尼控制区,R板与几何尺寸,面密度,弯曲劲度,外界条件有关,一般建筑构件在几赫兹至几十赫兹的范围内。fKv/板KR板rffminRR板nffnrfff(Ⅱ)区：,质量控制区以(6dB/倍频程)上升，隔声作用。(Ⅲ)区：吻合效应。质量效应与板的弯曲劲度效应相抵消，隔声量下降。mR板cff本讲内容质量控制区是隔声研究的重要区域。在这一区域，构件面密度越大，其惯性阻力也越大，也就不易振动，所以隔声量也越大。通常把隔声量随质量增大而递增的规律，称为隔声的“质量定律”。本讲内容本讲内容7.1.3单层介质的隔声频率特性（2）1.共振频率共振频率与板材的物理性质和几何尺寸有关，周围固定矩形板材的共振频率为式中，K为板材劲度；m为半的密度；a、b分别为矩形板两边的长度；q1、q2分别为任意正整数。2.吻合效应与吻合频率若以某一角度入射，在板上的投影刚好等于板的固有弯曲波波长，即空气中的声波在板上的投影与板的弯曲波吻合，亦即，这时声波激发板材固有振动，由于弯曲劲度效应，使板材的隔声量大大下降，这种现象叫吻合效应。发生吻合效应时，声能将大量透过构件，使隔声出现低谷，隔声不能再遵循质量定律。能产生吻合效应的最低入射频率称为“临界吻合频率”，简称临界频率，常用符号fc表示。2222212bqaqmKfrsin/B本讲内容7.1.3单层介质的隔声频率特性（3）临界频率fc：式中，D为隔声墙板的厚度，m；ρ为隔声墙板的密度，kgm-3；E为杨氏模量，Nm-2；为泊松比，约为0.3；c0为空气中的声速，344ms-1。厚实构件，临界频率在低频段；薄柔构件，临界频率则出现在高频段。EDcfc)1(122220本讲内容sinb如果一声波以一定角度θ投射到构件上时，若发生吻合效应，则有：1）当入射波频率高于λb对应的频率时(λλb时)，均有其相应的吻合角度产生吻合效应；2）当入射波频率低于λb对应的频率时(λλb时)，即相应的波长λ大于自由弯曲波长λb时，由于sinθ值不可能大于1，便不会产生吻合效应。本讲内容7.2双层均匀介质的隔声7.2.1双层均匀介质的隔声理论由质量定律得知，若提高单层介质的隔声量，唯一办法就是增加介质的质量，即增加密度或厚度。这种方法对隔声量需要较大时，就需用大量材料，很不经济。实践中发现双层介质材料中间夹有一定厚度的空气层，其隔声量会提高许多，这是由于声波经过多次反射而使声强逐级衰减的缘故。本讲内容7.2.1双层均匀介质的隔声理论按单层介质的原则，分析四个分界面，建立八个方程，进行求解。通常为化简求解过程，也可假设介质层厚度足够地薄，所有质点速度均相同，认为墙像活塞一样做整体振动。其隔声量如下：221212121121sin212)(1cos2)(1lg10kDRmmRmmjjkDRmmjR低频时,有coskD≈1，sinkD≈0,有空气层不起作用。21212)(1lg10RmmR中频时，coskD≈1，sinkD≈kD,有下式共振时，隔声量最小，第二项为零。其共振频率为：高频时，，有计算结果比实际隔声量偏高，相当于2倍双层介质合的隔声量。2212121212121212)(2)(1lg10RmmkDRmmRkDmmR2/12121000)]/()([Dmmmmc1211,RmRm)2/lg(20)2/lg(20)2/lg(2011211RkDRmRmR本讲内容7.2.2双层介质隔声量近似计算近似计算公式如下：其中，ΔR为空气层引起的附加隔声量，见图。RcmmR]2/)(lg[200021)/lg(40rffR本讲内容7.2.2双层介质隔声量近似计算本讲内容7.2.2双层介质隔声量近似计算双层介质隔声设计的注意：由于空气层厚度不能太厚，附加隔声量一般在15分贝以下；同样受共振和吻合效应的影响，亦可采用阻尼控制来减小影响。建材共振频率一般不超过15Hz，薄板类在100~300Hz；双层同材质、等厚度的墙易使隔声效果下降，两层墙的临界频率应错开，即等厚度但材料不同，或同材料厚度不同；双层墙填充吸声材料可提高隔声量，改善结构的共振频率和临界频率；避免声桥设计。双层结构之间应避免刚性连接，即以免由于振动的传递而使夹层的空气或吸声材料失去作用。本讲内容7.3隔声结构设计一、门窗和孔隙对墙体隔声的影响二、隔声间的降噪量三、隔声罩的降噪量五、其他隔声结构四、隔声罩的降噪量本讲内容一、门窗和孔隙对墙体隔声的影响隔声量由声能透射系数决定，组合件的隔声量由组合件的平均声能透射系数决定。组合件的平均透射系数为：nnnSSSSSS212211例如：在一垛总面积为22米2的砖墙上有一扇2米2的普通木门，对中心频率为1000Hz的倍频带声能，其透射系数分别为10-5和10-2，即隔声量分别为50dB和20dB。此时组合墙的平均透射系数为：425101.92210210222因此，组合墙的总平均隔声量为：)(4.301lg10dBR有孔，则τ孔=1，设τ墙=0，τ平均=S孔/S总，导致R下降。孔洞、缝隙对墙板隔声有不利影响。孔洞或缝隙面积越大，影响越大。若其面积占整个墙板面积1%，则该墙板隔声量不可能大于20dB；若占10%，则隔声量不可能超过10dB。本讲内容二、隔声间的降噪量隔声间结构，如图。隔声间降噪量：(含吸声材料)其中，A为隔声间内表面的总吸声量，S为