什么是吸声材料和吸声结构?

什么是吸声材料和吸声结构?

[拼音]：xisheng cailiao he xisheng jiegou

[外文]：sound-absorbing material and sound-absorbing construction

用于吸收声能，具有较高吸声能力的材料和结构。主要作用是控制室内（如厅堂、体育馆、播音室）混响时间和消除回声，降低室内（如吵闹的办公室、高噪声的车间）的噪声。吸声材料和吸声结构也用作消声器中的衬垫以降低管道噪声。

吸声材料或结构的吸声性能用吸声系数表示，吸声系数高表示吸声性能好。吸声系数α 是声波入射到材料或结构表面被吸收的声能Eα和总的入射声能Ei的比值，即α=Eα/Ei，它的大小和声波的入射角有关。如果声波的入射是无规的，常用混响室法测量材料的吸声系数;如果声波是垂直入射的，则用驻波管法测量。对同一种吸声材料或结构，用这两种方法所测得的吸声系数不同。通常混响室法所测得的吸声系数比驻波管法高。此外，吸声系数的大小还受声波频率的影响。以频率为横坐标、吸声系数为纵坐标绘出的曲线称为材料或结构的吸声频率特性曲线，又称吸声频谱。通常采用频率为125、250、500、1000、2000和4000赫的吸声系数来表示材料或结构的吸声性能。在噪声降低量的计算中，常用250、500、1000和2000赫四个频率混响室吸声系数的平均值，这个量称为降噪系数（常用NRC表示，算到0.05）。

吸声材料和吸声结构的种类，主要有多孔材料、亥姆霍兹共振器、穿孔板吸声结构（包括微穿孔板吸声结构）、薄板共振吸声结构、柔顺材料等（见表）。

多孔材料

这种材料有许多微小间隙和连续气孔，而且具有适当的通气性能。当声波入射到多孔材料时，首先引起小孔或间隙的空气运动，而紧靠孔壁或纤维表面的空气因受孔壁的影响便不易运动。空气的这种粘滞性会使一部分声能变成热能。小孔中的空气和孔壁同纤维之间的热传导，也会引起热损失。这两个原因使声能衰减。影响多孔材料吸声性能的主要有如下三个参数：

（1）流阻，它是在稳定的气流状态下，材料两面的压力差与气流通过该材料的线速度的比值；

（2）孔隙率，它由穿透材料内部自由空间孔隙的体积与材料总体积的比值来确定，吸声材料的孔隙率一般在70％以上，多数达90％；

（3）结构因素，它是在理论上处理材料间隙的杂乱排列而对毛细管沿厚度方向排列的模型所作的一项修正，一般在2～10之间，也有高达20～25的。材料结构的改变将导致这些参数的变化，从而改变材料的吸声特性。

多孔材料过去以棉、麻等有机纤维材料为主，现在大多采用玻璃棉、矿渣棉等无机松散材料。这些松散材料正逐步成为定型的吸声制品，如矿棉吸声板、玻璃棉板、玻璃棉毡等。如在这些材料表面上加一层塑料薄膜，则应不影响透声性。由无机颗粒材料制成的多孔砌块，如矿渣吸声砖、陶土吸声砖、珍珠岩制品等，也可用于吸收管道噪声。此外，有通气性能的聚氨酯泡沫塑料、海绵、木丝板和木纤维板等，也属于多孔材料。

多孔材料的吸声频谱，在材料比较薄（一般厚度为2～3厘米）的情况下，低频吸收较差。随着频率的增高，吸声系数增大，中、高频吸收比较好。材料加厚可增加吸声系数，低频吸声系数增加更多。吸声系数的增加量与材料的流阻大小有关。多孔材料背后设置空气层，效果与材料加厚相似。

亥姆霍兹共振器

由一个刚性容器和一个连通的颈所组成的结构。当声波进入孔颈时，由于孔颈的摩擦阻尼，声能变为热能，使声波衰减。当声波频率接近共振器的固有频率时，共振器孔颈处的空气柱振动特别强烈，声能吸收较大；远离共振频率时，则较小。亥姆霍兹共振器的吸声频带比较窄，在共振频率时吸收最大。它的共振频率f0可由下式求得：

式中V为共振器空腔体积（米3）;L为颈的实际长度(米)；R为颈口半径（米）；c为声速（米／秒）。

穿孔板吸声结构

在穿孔薄板的背后，设置空气层或多孔材料，并固定在刚性壁上的一种吸声结构，可看成是由质量和d簧组成的一个共振系统。当入射声波的频率和系统的共振频率一致时，穿孔板中的空气就激烈振动、摩擦，加强了吸收效应，形成了吸收峰，使声能显著衰减。远离共振频率时，则吸收作用较小。如果在穿孔板后放置多孔材料增加声阻，会使结构的吸收频带加宽。

穿孔板吸声结构是噪声控制和室内音质设计经常采用的一种吸声结构。它的吸声特性取决于穿孔板的厚度、穿孔孔径和孔距、穿孔板后空腔的深度以及底层材料等。其共振频率f0由下式求得：

式中p为穿孔率，即板孔面积总和与板的总面积之比;h为穿孔板后空腔的深度（米）;l为穿孔板实际厚度（米）；r为板孔半径（米）；c为声速（米／秒）。穿孔率越大，共振频率越高。如果穿孔板的穿孔率超过20～30％，穿孔板就失去共振吸声的作用。考虑了吸声效果和实用情况，一般采取：穿孔率0.5～5％，板厚1.5～10毫米，孔径4～30毫米，板后空腔深度100～250毫米。

穿孔板的声阻太小，吸收频带比较窄。为了改进吸收特性，常填加多孔材料。穿孔板主要用作饰面板，穿孔率常在25％左右。

微穿孔板吸声结构

中国在1964年首次提出“微穿孔板”的吸声结构。因为把穿孔的孔径缩小到毫米以下，可以增加孔本身的声阻，而不必外加多孔材料就能得到满意的吸声系数。为了展宽频率范围和提高吸声效果，还可以采用不同穿孔率和孔径的多层结构。中国科学院声学研究所研究了微穿孔板的吸声系数等，证明这种结构的效果很好。图表示出这种结构的吸声特性在混响室中测量的结果。

薄板共振吸声结构

它是在不透气的薄板背后设置空气层并固定在刚性壁上的一种吸声结构。当入射声波的频率和该系统的共振频率一致时，就发生共振，由此引起的内部摩擦将声波吸收。它的吸声频率范围很窄，只能作为吸收共振频率邻近的频带为主的吸声构造。共振频率f0取决于薄板的尺寸、重量、d性系数和板后空气层的厚度，并且和框架构造及薄板安装方法有关。其共振频率f0由下式求得：

式中m为薄板的面密度（千克／米2）;c为声速(米／秒)；h为空气层的厚度（米）；ρ为空气密度（千克／米3）。常用的薄板材料有胶合板、纤维板、石膏板和水泥板等。在一些建筑（如剧场、混响实验室）中，则须避免薄板共振对某一频段吸声过多。

柔顺材料

内部也有许多微小的气孔，但气孔密闭，彼此不相通。当声波入射到材料表面时，很难透入到材料的内部，而只是使材料作整体的振动。因此它的吸声频谱特性与多孔性材料有所不同，高频吸声系数很低;中、低频的吸声系数类似共振吸收，却无显著的共振吸收峰，而呈现复杂的起伏状态。

参考书目

F.英格斯列夫著，吕如榆译：《近代实用建筑声学》，中国工业出版社，北京，1963。