多孔吸声材料

第七章声学与光学材料第一节声学材料一声的产生与传播1、声波和声音声波是机械振动或气流扰动引起周围弹性介质发生波动的现象。声源、媒质、声场纵波、横波声音的三个环节：声源振动、声波传播、听觉感受2、声速、波长和频率声波在媒质中每秒钟传播的距离称为声速，用符号c表示，单位m/s声波在一个周期T内传播的距离称为波长，用符号λ表示，单位为m声波在每秒钟周期性振动的次数称为频率，用符号f表示，单位为Hz关系：c=λ/T=λf3、声音的传播⑴直达声：是室内任一点直接接收到声源发出的声音。它是接收声音的主体，又叫主达声，不受空间界面影响，其声强基本上是与听点到声源间距离的平方成反比衰减。⑵早期反射声：指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用；在大空间内，因反射距离远，易形成回声，产生空间感。⑶混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。混响时间：在一个声场中，一个声音的声压级衰减60dB所需要的时间，用T60来表示。单位：秒（s）T60=0.16V/Sa(赛宾公式)V：声场总容积S：声场的表面积a：声场的建筑装饰材料的平均吸声系数。例：某段音乐的声压级为90dB，此时中止音乐，音乐声逐渐减弱，当其声压级从90dB降至30dB时可需时1.2秒，那么，此房间的混响时间为1.2秒。⑷声音的绕射与散射：声波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进，这种现象叫波的绕射，又叫声衍射。当声波波长大于障碍物尺寸但在10倍以内时，障碍物会化成一个声源使声波向四周散射，这种现象叫声波的散射。例一：声源处于人的背后时，由于人耳壳的遮蔽作用，声源中低频音会绕过耳廊使人听到，而声源中的高频音则在人耳处形成声影区使其减弱。例二：音乐会时，后排座的听众听到的低频强、高频弱，即是因为低频可绕射，而高频音散射的原因。二声的物理量度声音主要有强弱和高低两个方面的衡量。表示声音强弱的物理量度主要有声压，声强和声功率以及他们的级。声音的高低是指声音的调子的粗细，是低沉轰鸣，还是尖叫刺耳。表示声音高低的物理量度主要有频率和频谱。1声功率、声强和声压1声压(P)：是由于噪声引起空气分子的振动,使周围空气分子发生疏密交替变化而产生的压强变化.cPI21.声压(P):听阈声压：是人耳刚能听到频率为1000Hz最微弱声音的声压，即2×10-5Pa；痛阈声压：是使人耳产生痛感的声压，即20Pa。2.声功率(W):是指噪声在单位时间内向外辐射的总能量.用瓦作单位.1瓦=1牛•米/秒3.声强(I):是指在单位时间内(每秒)通过垂直声波传播方向的单位面积上的声能。单位为瓦/米2.2声压级与分贝、声功率级、声强级、声压级1.声压级与分贝；Lp——声压级(分贝，dB);P——声压(pa)P0——基准声压(即:听阈声压);P0=2×10－5palg20lg10ppppL2.声强(I):在自由的声场中,如果有一个向四周均匀辐射噪声的点噪声源，则:I——离噪声源r处的声强(瓦/米2);W——声源辐射的声功率(瓦)；r——离声源的距离（米）；4πr2——以r为半径的球面积。4rWI某些环境下的声压和声压级环境声压（Pa）声压级（dB）锅炉排气放空，距喷口1米200140铆钉枪，大型罗茨风机63130汽车喇叭，距人1米，大型球磨机20120柴油机6.3110离心风扇0.6390公共汽车上0.2080城市噪声，街道上0.06370普通说话0.02060电风扇，微电机附近0.006350安静房间0.002040轻声耳语0.0006330树叶飘动声0.0002020农村静夜0.00006310可听0.00002002.声功率级；Lw——声功率级,(分贝);W——声功率,(瓦);W0——基准声功率.W0=10－12瓦lg10WWL3.声强级；LI——声强级,(分贝);I——声强,(瓦/平方米);I0——基准声强I0=10－12(瓦/平方米).lg10IIL3频率及频谱频率频率是表示声源震动快慢的物理量。在声频范围内，声波的频率愈高，声音显得愈尖锐；反之，显得低沉。频谱：以频率为横坐标，以声音的强率（声压级或声强级）为纵坐标，绘出声音强弱的频率分布图，叫频谱图。某个喇叭的频谱图三、发声材料和声探测材料1、压电材料利用其压电效应来实现声电和电声转换:利用声电转换作为声探测材料，利用电声转换做为发声材料。压电晶体压电陶瓷四、声阻尼材料随着近代工业的发展，环境污染也随着产生，噪声污染就是环境污染的一种，已经成为对人类的一大危害。噪声污染与水污染、大气污染被看成是世界范围内三个主要环境问题。噪声污染越来越严重，危害也越来越大。从而得到人们的关注。随之而产生一系列的吸收降噪材料。1、噪声及其来源工业噪声工业噪声主要包括空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声交通噪声交通噪声主要指的是机动车辆、火车、飞机和船舶噪声。建筑施工噪声建筑施工噪声声音强度很高又属于露天作业，因此污染也十分严重社会噪声社会噪声主要指社会活动和家庭生活所引起的噪声2、噪声的危害1、噪声对听力的损伤长期在强噪声环境下工作，会使内耳听觉组织受到损伤，造成耳聋；——慢性的噪声性耳聋听力损失用500Hz、1000Hz和2000Hz三个频率上听力损失的平均值来表示。听力正常（听力损失在15dB以内)；接近正常（听力损失15～25dB)；轻度耳聋（听力损失25～40dB)；中度耳聋（听力损失40～65dB)；重度耳聋（听力损失65dB以上）。噪声级在80dB以内，才能保证人们长期工作不发生耳聋。在90dB以下，只能保证80％的人工作40年后不会耳聋；85dB仍会有10％的人产生噪声性耳聋。强噪声性耳聋，或爆震性耳聋2、噪声对睡眠的干扰40dB的连续噪声可使10％的人睡眠受到影响；70dB的连续噪声可使50％的人受到影响；40dB的突发性噪声可使10％的人惊醒，到60dB时，可使70％的人惊醒。3、噪声能诱发疾病长期暴露在强噪声环境下，会引起人体的紧张反应，使肾上腺素分泌增加，引起心率加快，血压升高；噪声会引起消化系统的疾病，引起消化不良，诱发胃肠粘膜溃疡；会引起疲劳、头晕及记忆力衰退，诱发神经衰弱症。4、噪声影响语言交谈和通讯联络的干扰当人们交谈距离为1米时，平均声级为65dB；当环境噪声级高于语言声级10dB时，谈话声音会被环境噪声完全掩盖；当噪声级超过90dB时，即使大喊大叫也难以进行正常交谈。5、特强噪声会对仪器设备和建筑结构造成危害当噪声级超过135dB时，电子仪器的连接部位会出现错动，微调元件发生偏移，使仪器发生故障而失效；当超过150dB时，仪器的元件可能失效或损坏；当噪声超过140dB时，轻型建筑物会遭受损伤声阻尼材料阻尼减振技术中用到的材料称为阻尼材料或减振材料。阻尼材料属于粘弹性材料，动态力学性能不同于纯弹性材料，应变滞后于应力。金属基阻尼材料(减振合金或哑金属)非金属基阻尼材料阻尼机制合金名称(成分)损耗因子复相型片状石墨铸铁(Fe-C3%-Si2%-Mn0.7%)Al-Zn超塑性合金(Al-Zn22%)0.10.2铁磁性型消振合金(Fe-Cr12%-Al3%)0.4位错型KIXI合金(Mg-Zr0.6%)0.5共格界面型依库拉基欧都合金(Cu-Mn40%-Al2%)镍化钛(Ni-Ti50%)0.40.3第五类晶间腐蚀型不锈钢泡沫铝合金表1几种金属基阻尼材料的性能金属基阻尼材料应用：主要用于设备和机械上，达到减振和防止噪声的目的，如发电机盖、运输带的齿轮、船舶螺旋桨等。常用的非金属基阻尼材料有橡胶系、塑料系、沥青系。组成基材：沥青、氯丁橡胶、环氧树脂等；添料：膨胀珍珠岩粉、碳酸钙、二硫化铜、铅粉、炭黑粉等。粘弹性聚合物同时具有粘性液体和弹性固体的特征：在受到交变应力作用发生变形时，部分能量储存起来，另一部分能量被耗散掉，转化为热能。粘弹性聚合物利用了聚合物在玻璃态转变区的高阻尼特性。图1聚合物动态力能性学随温度及频率的变化损耗因子模量阻尼性能较好的共混聚合物有：聚苯乙烯－苯乙烯/丁二烯、聚氯乙稀－丙烯腈/丁二烯、聚氯乙稀－乙烯/醋酸乙烯酯等。应用：用粘弹性聚合物阻尼材料牢固地粘贴到产生振动的部件上，形成阻尼层，使振动减弱，降低噪声。机械共混——把两种或多种玻璃态转变区相近的聚合物通过机械作用混合在一起。五声吸收材料一.吸声材料的定义和吸声原理定义：具有较强的吸收声能、减低噪声性能的材料吸声原理：当声音传入构件材料表面时，声能一部分被反射，一部分穿透材料，还有一部由于构件材料的振动或声音在其中传播时与周围介质摩擦，由声能转化成热能，声能被损耗，即通常所说声音被材料吸收。吸声原理图0EE还有一部分能量被材料吸收吸声系数α：被吸收声能（E）与入射声能（E0）之比一般来讲，吸声系数在0.2（0.3）以上的材料称为吸声材料，吸声系数在0.5以上的材料就是理想的吸声材料材料的吸声性能除与材料本身结构、厚度及材料的表面特征有关外，还和声音的入射方向和频率有关。二：测试方法一般来讲测量吸声系数的手段有两种：驻波管法和混响室法。驻波管测试装置驻波管装置一般由驻波管、声源系统、探测器以及输出指示装置等部分组成。其中，声压差值L=Lmax-Lmin1.试件筒2.驻波管（L、S两种）3.音箱4.探测小车5.导轨装置组成：驻波管、声源系统、探测器以及输出指示装置等部分组成本实验所采用的驻波管分为L、S两种，L管：Φ96*1000mm，频率范围：90~2075HzS管：Φ30*350mm，频率范围：1500~6641Hz实验室用的驻波管装置图2L/20L/20)10(110*4α驻波管吸声系数的测试方法：将待测试样放入驻波管的一端，用声频信号发生器带动扬声器，当扬声器向管内发射单频音时，声波在管内以垂直入射的方式入射到试件表面后，声波在管内因来回反射形成驻波声场。从试件表面开始，沿管轴会出现声压极大值和极小值的交替分布，通过移动探管传声器可以分别测得声压的极大值和极小值。根据两者之比/就可以算出材料的吸声系数。混响室吸声系数的测试方法：测量混响室内放入试件前后两个混响时间，测试声波频率为100~5000Hz共18个1/3倍频程中心频率。混响时间的测量至少应用3个传声器的测点，每个测点之间的距离应大于最低测试频率对应波长的1/2。每个传声器测点应远离声源2m以上，与被测试件和边界面（包括扩散体）均为1m以上。驻波管法与混响室法的比较两种方法的入射声波不同。驻波管法的入射声波是垂直入射到物体表面，测的是垂直入射吸声系数；混响室法的入射声波是无规入射到物体表面，测的是无规入射吸声系数。混响室的优点：混响室测量是在扩散声场中进行的，而驻波管测的是的一维行波，即混响室比驻波管法更接近实际情况。混响室对于吸收器的类型和结构没有限制，在混响室中试件的装置可以做地非常接近于待测材料在实际中使用的情况。单个吸声器的吸收不能用吸声系数表述，但可以在混响室内测定。混响室的缺点：由于扩散不充分，材料的边缘效应，使混响室法不如驻波管精确，测试误差较大。其次，驻波管法测吸声系数方法简单，所需试样较小，因而费用小。二、常用吸声材料及吸声结构（一）多孔吸声材料（二）薄板振动吸声结构（三）共振吸声结构（四）穿孔板纽合共振吸声结构（五）悬挂空间吸声体（六）帘幕吸声体1.多孔吸声材料分为开孔型和闭孔型两类。开孔型主要用于吸声多孔材料具有大量内外连通的微小孔隙。当声波沿着微孔进入材料内部时，引起孔隙中空气的振动，由于摩擦和空气阻滞力，一部分声能转化成热能，另外孔隙中的空气由于压缩放热、膨胀吸热，与纤维、孔壁之间的热交换，也使部分声能被吸收。特点：具有良好的中高频吸声性能，但对低频的吸声性能较差。为了解决这一矛盾，人们利用共振吸声的原理设计