吸声处理与室内降噪

xycad · 发表于 2008-2-14 16:24

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吸声处理与室内降噪

tinfor 2001,12

一、
吸声

1.1 吸声系数与降噪系数
吸声是声波撞击到材料表面后能量损失的现象，吸声可以降低室内声压级。描述吸声的指标是吸声系数a，代表被材料吸收的声能与入射声能的比值。理论上，如果某种材料完全反射声音，那么它的a=0；如果某种材料将入射声能全部吸收，那么它的a=1。事实上，所有材料的a介于0和1之间，也就是不可能全部反射，也不可能全部吸收。
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。按照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。当需要吸收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可达到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，即声音由四面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，因为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出现吸声系数大于1的情况，这是由于测量的实验室条件等造成的，理论上任何材料吸收的声能不可能大于入射声能，吸声系数永远小于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进行计算。
在房间中，声音会很快充满各个角落，因此，将吸声材料放置在房间任何表面都有吸声效果。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、空间吸声体等进行吸声降噪。

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逐渐增大，这意味着低频吸收没有高频吸收好。多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。错误认识之一是认为表面粗糙的材料具有吸声性能，其实不然，例如拉毛水泥、表面凸凹的石才基本不具有吸声能力。错误认识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，这种结构也具有吸声性能，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剧烈的共振作用损耗了声能。亥姆霍兹共振吸收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，这种结构的吸声机理是薄板共振吸声。在共振频率上，由于薄板剧烈振动而大量吸收声能。薄板共振吸收大多在低频具有较好的吸声性能。

二、
吸声材料及吸声结构

2.1 离心玻璃棉
离心玻璃棉内部纤维蓬松交错，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，可以大量吸收房间内的声能，降低混响时间，减少室内噪声。
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、结构构造等因素有关。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原因不是由于表面粗糙，而是因为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，空气振动容易穿过，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，吸声性能存在最佳流阻。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计和控制。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（高频吸收总是较大的）。2、厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到一定程度时，材料变得密实，流阻大于最佳流阻，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继续增大时，低频的吸声系数逐渐提高，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时吸声性能达到最大值，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，是因为材料变得致密，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密切的关系。当玻璃棉板背后有空气层时，与相同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，但增加到一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，形成容重逐渐增大的形式，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，材料面密度逐渐增大，平均吸声系数可接近于1。
离心玻璃棉在建筑使用中，表面往往要附加有一定透声作用的饰面，如小于0.5mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等，基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表面无装饰性，而且会有纤维洒落，因此必须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，基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方便安装的吸声墙板，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的玻璃棉的表面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，并经过一定的强化处理，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留了离心玻璃棉良好的吸声特性，降噪系数NRC一般可以达到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。吸声体可以根据要求制成板状、柱状、锥体或其他异型体。吸声体内部填充离心玻璃棉，表面使用透声面层包裹。由于吸声体有多个表面吸声，吸声效率很高。
在道路隔声屏障中，为了防止噪声反射，需要在面向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一定后空腔的吊顶或贴面墙则可形成“亥姆霍兹共振”吸声结构，因而获得较大的吸声能力。这种纸面穿孔吸声结构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结构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强烈的共振，空气分子与石膏板孔壁剧烈摩擦，从而大量地消耗声音能量，进行吸声。这是穿孔纸面石膏板“亥姆霍兹共振”吸声的基本原理。穿孔纸面石膏板吸声对声音频率具有一定选择性，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。如果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原因。
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%之间逐渐增大时，孔占的表面积增大，空气分子进入共振腔体参与共振的几率增加，吸声能力增大，若后空腔内放入吸声材料，吸声更强烈。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。改变后空腔大小是常用的调节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，一般情况空腔深度在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高低，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”形态基本保持不变，因此平均吸声系数基本不变。根据实验，孔径大小或石膏板厚度的改变，平均吸声系数基本无大的变化，一般在10%以内，共振频率的改变也只在一到两个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根据应用场合所需的强度确定，孔径选3-10mm，板厚选9-15mm均可，不同的板厚或孔径基本可以忽略对吸声性能的影响。

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10μ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6μ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可达到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结构，各频率的吸声系数可达0.99，是吸声性能最强的结构，常用于消声实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结构还有水泥穿孔板、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可达到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。微穿孔板比普通穿孔板吸声系数高，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，若忽略直达声的影响，吸声量增加1倍，噪声降低3dB。计算公式为：
，其中ΔL为降噪量，A1、T1和A2、T2分别为加入吸声材料前后的房间吸声量、混响时间,V为房间体积。
如果房间未做吸声处理，反射较严重，吸声量少，混响时间长，那么吸声降噪的效果比较好。如果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=400m3,混响时间为6s，加入100m2的吸声系数0.9吸声吊顶，请问降噪量为多少？根据降噪公式，ΔL=10lg[8×90÷(0.161×400)]=9.2dB。

3.2 室内声源情况对吸声降噪效果的影响

如果室内分布多个声源，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，但减少了混响声，室内工作人员的主观上消除了噪声来自四面八方的混乱感，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形状、尺寸、吸声位置有关
如果房间容积很大，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多次后与直达声混合，反射声多，此时吸声处理效果就明显。经验表明，3000m3以下的房间吸声降噪效果好，更大的房间，吸声效果不理想。不过，若房间体型瘦长，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，若噪声在中高频存在峰值，这样处理的降噪效果就非常显著。

3.5 建筑应用的考虑

在建筑中应用时，吸声材料与吸声结构的吸声性能应稳定，防火，耐久，无毒，价格要适中，施工应方便，无二次污染，美观实用。
------转自清华大学建筑声学网