第三讲吸声材料和吸声结构.

第三讲吸声材料和吸声结构第一节吸声材料和吸声结构概述一.定义：吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。对建筑师来说，把材料和结构的声学特性和其他建筑特性如力学性能、耐火性、吸湿性、外观等结合起来综合考虑，是非常重要的。通常把材料和结构分成吸声的、或隔声的、或反射的，一方面是按材料分别具有较大的吸声、或较小的透射、或较大的反射，另一方面是按照使用时主要考虑的功能是吸声、或隔声、或反射。但三种材料和结构没有严格的界限和定义。吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理，制成某种结构而产生吸声。如穿孔FC板、穿孔铝板吊顶等。在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。二.作用吸声材料最早应用于对听闻音乐和语言有较高要求的建筑物中，如音乐厅，剧院，播音室等，随着人们对居住建筑和工作的声环境质量的要求的提高，吸声材料在一般建筑中也得到了广泛的应用。三.分类：吸声材料和吸声结构的的种类很多，根据材料的不同，可以分为以下几类吸声材料（结构）多孔吸声材料共振吸声结构特殊吸声结构纤维状吸声材料颗粒状吸声材料泡沫状吸声材料薄板共振结构亥姆霍兹共振吸声器穿孔吸声结构薄膜共振结构吸声尖劈空间吸声体第二节多孔吸声材料一.吸声原理多孔吸声材料中有许多连通的间隙或气泡，声波入射时，声波产生的振动引起小孔或间隙的空气运动，由于与孔壁或纤维表面摩擦和空气的粘滞阻力，一部分声能转变为热能，使声波衰减；其次，小孔中空气与孔壁之间还不断发生热交换，也使声能衰减。二.吸声特性主要吸收中、高频声三.多孔性吸声材料必须具备以下几个条件：（1）材料内部应有大量的微孔或间隙，而且孔隙应尽量细小且分布均匀；（2）材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说必须通过材料的表面，使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部；（3）材料内部的微孔一般是相互连通的，而不是封闭的。四.基本类型（一）玻璃棉玻璃棉具有质量轻，中高频吸声系数大，阻燃，化学性能稳定，安装加工方便等优点。一般小于等于24㎏/m3的玻璃棉称为吸声玻璃棉毡，等于大于32㎏/m3的叫玻璃棉板。通常在外面包一层透声的织物。（二）木丝吸声板用松木等天然材料，经过特殊处理制成纤维状的木丝，再用天然矿粉等作为粘结剂，压制成板材。具有吸声，隔热，防潮，防菌等特点，防火性能达到难燃B1级，同时强度和刚度较高。有一定耐撞击能力。（三）纤维喷涂吸声材料纤维喷涂技术是将经过预先特殊工艺处理的无机超细纤维，纤维素，抗火化合物以及粘结剂等原料，通过专用配套的喷涂设备混合，在施工现场喷涂于混凝土，钢板，石膏板等各种基体表面上，形成具有一定厚度的喷涂层。五.影响多孔材料吸声性能的因素（一）材料中空气的流阻空气流阻，指空气流稳定的流过材料时，材料两面的静压差和流速之比，空气粘性越大，材料越厚，越密实，流阻就越大，材料透气性越低。如果流阻过大，则克服摩擦力，粘滞阻力从而使声能转化为热能的效率就很低。多孔材料存在最佳的空气流阻。（二）孔隙率指材料中的空气体积和材料总体积之比。一般多孔材料孔隙率在70%以上，多数达到90%左右。（三）材料厚度同一种材料，随着厚度的增加，中，低频范围的吸声系数会有所增加，并且吸声材料的有效频率范围也会扩大。1）当材料较薄时，增加厚度，材料的低频吸声性能将有较大的提高，但对高频声的吸声性能则影响较小；2）当材料厚度增加到一定程度时，吸声系数的增加将逐步减小。在设计上，通常按照中，低频范围所需要的吸声系数值选择材料的厚度。（四）材料表观密度（容重）对于不同的材料，密度对其吸声性能的影响不尽相同，一般对于同一种材料来说，当厚度不变时，增大密度可提高中低频的吸声性能，但比增加厚度所引起的变化要小。对于每一种不同的多孔性吸声材料，一般都存在一个理想的密度范围，在这个范围内材料的性能较好，密度过低或过高都不利于提高材料的吸声性能。（五）材料背后空气层对于厚度，表观密度一定的多孔材料，当其与坚实壁面之间留有空气层时，吸声特性会有所改变。（六）饰面的影响为了尽可能的保持原来的吸声特性，饰面应具有良好的透气性。例如可以使用金属网，塑料窗纱，透气性好的纺织品等，也可以使用厚度小于0.05mm的塑料薄膜，穿孔率在20%以上的薄穿孔板等。使用穿孔板面层，低频吸声系数将有所提高，使用薄膜面层，中频吸声系数将有所提高。（七）声波的频率和入射条件多孔材料的吸声系数随入射频率的增大而增大。常用的厚度大致为5cm成型多孔材料，对于中高频有较大的吸声系数。（八）材料吸湿，吸水多孔材料吸水后，材料的间隙和小孔中的空气被水分所代替，使得孔隙率降低，因此会大大改变其吸声性能。随含水率的增加，首先降低了对高频声的吸声系数，继而逐步扩大其影响范围。第三节共振吸声结构一.吸声原理当吸声材料和结构的自振频率与声波的频率一致时，发生共振，声波激发吸声材料和结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的，因此共振吸声材料和结构的吸声特征呈现峰值吸声的现象，即吸声系数在某一个频率达到最大，在离开这个频率附近的吸声系数逐渐降低，在远离这个频率的频段则吸声系数很低。二.吸声特性主要对中低频有很好的吸声特性。三.基本类型（一）薄膜吸声结构皮革，人造革，塑料薄膜等具有不透气，柔软，受张拉时有弹性等特征，这些材料与其背后的空气层形成共振系统，吸收共振频率附近的声能。共振频率的公式为：通常薄膜的共振频率在200Hz~1000Hz之间，最大吸声系数为0.3~0.4，一般可视为中、低频吸声材料。（二）薄板吸声结构1.吸声特性胶合板，石膏板，石棉水泥板或金属板也可以作为共振吸声结构。因为低频声比高频声更容易激起薄板振动，所以它具有低频的吸声特性。工程中常用的薄板共振吸声结构的共振频率在80-300Hz之间，其吸声系数为0.2-0.5。共振频率的公式为：2.选用薄膜（薄板）吸声结构应注意如下几个方面：a.薄板的厚度；b.薄板单位面积的重量；c.空气层是否填充多孔吸声材料；d.薄板的饰面处理；e.多孔吸声材料与薄板共振吸声结构的组合。（三）亥姆霍兹共振器最简单的单腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器。它是一个封闭的空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构，当入射声波的频率等于系统的固有频率时，孔径中的空气柱由于共振产生剧烈振动，消耗声能。亥姆霍兹共振器最大的吸声系数在其共振频率附近。（四）穿孔板穿孔板可以看成是许多个亥姆霍兹共振器组合在一起。它的吸声特性取决于板厚、孔径、板的穿孔率、板后面的空腔厚度以及空腔内填充的材料等因素。增加吸声频段宽度的措施:1.采用微穿孔板2.穿孔板后面添加多孔材料，共振频率向低频移动，吸声频率范围也会增加。穿孔FC板FC板又称高压水泥纤维板，其原料为纤维水泥、经高压形成板材，无孔FC板多用于内部隔墙和吊顶。穿孔FC板一般厚度为4mm，有圆孔和狭缝两种形式，可以形成一定的图案。穿孔FC板具有良好的防火性能，一般可达到《建筑材料燃烧性能分级方法》（GB8624-1997）不燃A级，同时还具有良好的防湿、防潮效果。FC板的强度较高，但是比较脆，抗冲击性较差。穿孔FC板本身呈灰色，但表面可进行喷涂处理，装修性一般。木制吸声板木制吸声板基本材料为15mm或18mm厚的防潮中密度板，表面可以有两种处理方法：一种是单色的三聚氰胺涂饰层，一种是木纹的真木皮饰面。木制吸声板的开孔一般分为两层，上面一层为小的圆孔或缝隙，下面一层为大的圆孔。木制吸声板在出厂时一般都粘附一层无纺吸声布，只要安装时在其后留有一定厚度的空腔，就可以单独作为吸声材料使用，有较好的中低频吸声特性，如果在空腔内填充一定厚度的多孔性吸声材料，如玻璃棉等，可以有效地提高整个构造的中高频吸声特性。第四节特殊吸声结构所谓特殊吸声结构是指该材料（或结构）具有特殊的吸声功能，且能适应建筑中某些特殊要求的吸声结构。前者如吸声尖劈，它在50-4000Hz的频率范围内，均可达到0.99的吸声系数，为建造消声实验室所必需；后者如微穿孔板的吸声结构，铝粉末烧结板吸声结构、NDC卡罗姆吸声结构，它们可无需多孔纤维材料，而获得宽频带的声吸收，同时满足建筑防潮、防火和卫生等方面的要求；还有空间吸声体，它具有占用面积（处理面积）小但高效的吸声性能，目前被广泛应用于大型厅堂的吸声处理。一.强吸声结构吸声尖劈是消声室中最常用的强吸声结构。吸声尖劈的吸声系数一般要求达到0.99以上，在其吸声的频率范围内，能达到此要求的最低频率称为截至频率，吸声尖劈的截至频率与尖劈内的多孔材料，及尖劈的形状尺寸有关。截至频率约等于0.25C/L。二.空间吸声体把吸声材料和结构悬吊（或悬挑）在空间被称为空间吸声体。由于材料的各个界面全部暴露在空间，即声场中，比单面暴露接触声波的机率大，因此吸声性能有很大的提高。这样，在获得相同吸声量的情况下，就可减少吸声处理面积。此外，形形色色的空间吸声体，还可丰富空间的艺术效果。因此，近年来得到广泛的应用。目前空间吸声体除最简单的板式吸声体外，常见的还有折板式、立板式、圆柱形、圆锥形、方筒形、十字形、球形等。为了提高吸声体对低频的声吸收，目前常采取如下几种措施：1）增加吸声材料的厚度和密度，例如采用半圆柱、球切面和球状吸声体，可以提升对低频的声吸收；2）把成品吸声板材（通常厚度在15-25mm左右）做成中空的双层板状吸声体，或再把双层板做成各种形状的吸声体；3）增加多孔性材料的厚度，在板材中设空腔可提升对低频的声吸收，但与中高频的吸声量仍有很大的差距。三.微穿孔板吸声结构所谓微穿孔板吸声结构，就是在厚度小于1mm的薄板上，穿孔径小于1mm的微孔，穿孔率约为1%-3%的微孔板，通过龙骨安装在刚性结构（墙或楼板）面上，就构成了微穿孔板吸声结构。为了扩展吸声频率范围，常做成双层微穿孔板吸声结构。它的特点是理论严格，不需要多孔性吸声材料，构造简单，适用于高温、高速气流、潮湿及有腐蚀的环境条件下使用。微穿孔板吸声结构最早用于空调系统中的消声器及高流速的消声结构中，以及卫生要求较高的洁净车间的吸声处理；20世纪80-90年代则大量用于游泳馆混响时间的控制，如上海游泳馆、广州游泳馆和昆明游泳馆等工程，取得了良好的声学和装修效果。五.洞口房间的各种开口以及大型厅堂出挑较深的楼座、舞台开口等，也吸收声音。舞台开口的吸声系数约为0.3-0.5。六.人和家具听众对声音的吸收主要是由于着装及其孔隙。对中、高频声的吸收较明显。人和家具的吸声特性用每个人或每件家具的吸声量表示。七.空气空气吸声的多少主要与温度和湿度有关，但只对1000Hz以上频率的声音有较显著的吸收。第五节常用吸声构造方法一.多孔材料1.暴露型a.矿棉板——用于天花吊顶易受潮，受潮后易变形，做防潮处理后，吸声变差。b.金属网（窗纱）等+多孔材料用于装饰性要求不高的场所，如厂房、摄影棚等。如：纤维织物饰面软包装饰吸声板纤维织物饰面软包吸声板的基材为离心玻璃棉板，饰面材料为阻燃织物，通过改变织物饰面的花色和质地，可以使吸声板具有不同的装饰效果。具有较高的强度、韧性和平整度，具有一定的抗冲击能力，防火性能较高,但价格相对较高。可以用于墙面装修、也可用于吊顶，施工简便。3.隐蔽型:在透声的屏障后配置多孔材料4.吸声帘幕:可调节吸声量，分隔空间。二.薄板1.5-7mm夹板做木护墙（墙裙）2.侧墙3.吊顶三.穿孔板穿孔板+多孔吸声材料1.侧墙2.吊顶