吸声材料的分类和声学性质

comer · 发表于 2014-3-22 15:29

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当声波入射到材料表面时，部分声能将被材料吸收，使反射的声能小于入射声能，这即为材料的吸声，材料吸声能力的大小均用吸声系数(α，﹪)来表征。严格讲，任何材料都有一定程度的声吸收，所谓吸声材料是指那些具有相当大的吸声性能、专门用作吸声处理的材料，一般把吸声系数α大于0.3的材料称为吸声材料。

  吸声材料(或结构)通常按吸声的频率特性和本身的构造分为两大类：

  (1)按吸声的频率特性分类：可分为低频吸声材料、中频吸声材料和高频吸声材料三类；

  (2)按材料本身的构造分类：可分为多孔性吸声材料和共振吸声材料两类。

  一般来说，多孔性吸声材料以吸收中、高频声能为主，而共振吸声结构则主要吸收低频声能。以下分别对材料(或结构)的吸声机理和吸声特性作概要的介绍；

  1多孔性吸声材料

  (1)材料的构造特性和吸声机理

  顾名思义，多孔吸声材料就是有很多孔的材料，其主要构造特征是材料从表面到内部均有相互连通的微孔。吸声材料的主要吸声机理是当声波入射到多孔材料的表面时激发起微孔内部的空气振动，空气与固体筋络间产生相对运动，由于空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，使得声能被衰减；另外在空气绝热压缩时，空气与孔壁之间不断发生热交换，也会使声能转化为热能，从而被衰减。从上述的吸声机理可以看出，多孔性吸声材料必须具备以下几个条件：

  l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；

  l材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说必须通到材料的表面，使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部；

  l材料内部的微孔必须是相互连通的，而不能是封闭的。

  (2)影响多孔性吸声材料吸声特性的因素

  从多孔性吸声材料本身的结构可以看出，主要有以下几个因素影响其吸声特性：

  l流阻：流阻的定义是空气质点通过材料空隙中的阻力。流阻低的材料，低频吸声性能较差，而高频吸声性能较好；流阻较高的材料中、低频吸声性能有所提高，但高频吸声性能将明显下降。对于一定厚度的多孔材料，应有一个合理的流阻值，流阻过高或过低都不利于吸声性能的提高。

  l孔隙率：孔隙率的定义是材料内部空气体积与材料总体积的比。对于吸声材料来说，应有较大的孔隙率，一般应在70%以上，多数达到90%左右。

  l厚度：材料的厚度对其吸声性能有关键的影响：

  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，但对于高频的吸声性能则影响较小。

  ②当厚度增加到一定程度时，再增加材料的厚度，吸声系数增加的斜率将逐步减小，见图4-1。

  ③多孔材料的第一共振频率近似与吸声材料的厚度成反比。

  厚度增加，低频的吸声性能提高，吸声系数的峰值将向低频移动，厚度增加一倍，吸声系数的峰值将向低频移动一个倍频程。

  l容重：容重的定义是单位体积材料的质量，一般用K来表示，例如40K玻璃棉板表示1m3的玻璃棉板重量为40kg。容重对材料吸声性能的影响比较复杂，对于不同的材料，容重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，增大容重可以提高中低频的吸声性能，但比增加厚度所引起的变化要小。对于每种不同的多孔性吸声材料，一般都存在一个理想的容重范围，在这个范围内材料的吸声性能较好，容重过低或过高都不利于提高材料的吸声性能。在常用的多孔性吸声材料中，超细棉的容重一般为10～20K，玻璃棉板的容重为40～60K，而岩棉的容重则在150～200K之间。

  以上是材料本身特征对其吸声性能的影响。除此之外，多孔性吸声材料在实际声学装修工程中使用时一般都还需要进行安装，并进行饰面处理，而安装方法和饰面方式对材料的吸声性能也有重要的影响。

  2共振吸声材料(或结构)

  共振吸声材料主要吸收低频的声音，根据共振形式的不同，可分为腔体共振和薄板共振两种，在实际工程中均有广泛的应用。

  (2)穿孔板组合共振吸声结构

  穿孔板共振吸声结构是单个亥姆霍兹共振器的并联组合。它的吸声特性取决于板厚、孔径、板的穿孔率、板后的空腔厚度以及空腔内填充的材料等因素。

  为了增加吸声频带宽度和吸声系数，可以在穿孔板后的空腔内填多孔性吸声材料，但空腔内多孔性吸声材料的位置对结构的吸声性能有很大的影响。一般情况，多孔性吸声材料应紧贴穿孔板安装。

  在声学装修工程中穿孔板共振吸声构造是经常使用的，以前多使用胶合板或硬质纤维板现场穿孔或开缝的工艺，但这种方法施工难度较大，进度慢且不易保证质量(孔径和光滑度)。随着装修材料工厂化和机械化程度的提高，近年普遍采用金属(钢板、铝板)冲孔(开缝)，加工质量好，施工简便，装修效果好，防火性能也能满足消防的要求，在声学装修工程中被大量使用。另外，目前常使用的还有高压水泥板(FC板)冲孔(开缝)和浇筑穿孔石膏板，由于价格低廉，施工简单、防火性能好等优点在一些造价较低、对装修效果要求不高的工程中应用广泛。

  薄板共振吸声结构是薄板在声波的作用下产生振动，振动时由于板内部在龙骨间出现磨擦损耗，使声能转变为机械振动，最后转变为热能而起到吸声作用。由于低频声波比高频声波容易激发起薄板振动，因此其主要吸声频带在低频。

  在声学装修工程中使用最为广泛的薄板吸声结构是3～10mm厚的各种胶合板。大量应用于影剧院、会议厅、报告厅等声学建筑内的低频混响，而且装修效果也比较美观，其缺点是防火较差，在一些对防火要求较高的场合使用时可能会受到限制。但近年来在防火涂料防火设施的研制方面取得了较大的进展，因此胶合板共振吸声构造的应用范围又有所增加。