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吸声、隔声质料和结构浅说
宣布日期:2019年 11月 07日  浏览次数:73

在许多情况下,室内装修有一定的声学要求 。不可是种种剧院、体育场馆和歌舞厅以及与声学有关的录音室、演播室等专业用房自己有一定的声学技术指标,并且通常公共场合,一般都需要流传语言或音乐,纵然是家庭用房现在也需要有良好的音乐欣赏情况 。所以室内装修工程必须重视声学要求 。如果忽视这一点,极有可能造成不良结果 。例如有一水上健身娱乐场合,地面基本上都是水面,上空是一大玻璃圆穹项,由于没有声学设计,致使厅内混响时间特别长,当有文娱演出时连报幕的话也听不清 。再如有的走廓或门厅,做得华美堂皇、金碧辉煌,但纵然是普通的谈话声或配景音乐,也在空间内久传不衰,形成令人懊恼的滋扰噪声 。

造成音质差的主要原因是没有科学的声学设计 。不少装饰工程公司自己没有及格的声学设计人员;有的一开始邀请声学专家做设计,以后自以为有了 “ 经验 ” ,便大胆地把设计也承包了;有的是东抄西袭,以为找到了人家的秘密,你做软包,我也搞软包,你用穿孔板,我也做穿孔板,实际上没有掌握真正的声学要求;也不排除有的工程技术人员明白一些声学知识,但并不精于室内声学的原理和实践,做出了并缺乏格的声学装修设计 。

1.吸声与隔声的基本看法

首先要明确吸声与隔声是完全差别的两个声学看法 。吸声是指声波流传到某一界限面时,一部分声能被界限面反射(或散射),一部分声能被界限面吸收(这里不考虑在媒质中流传时被媒质的吸收),这包括声波在界限质料内转化为热能被消耗掉或是转化为振动能沿界限结构通报转移,或是直接透射到界限另一面空间 。关于入射声波来说,除了反射到原来空间的反射(散射)声能外,其余能量都被看作被界限面吸收 。在一定面积上被吸收的声能与入射声能之比称为该界限面的吸声系数 。例如室内声波从开着的窗户传到室外,则开窗面积可近似地认为百分之百地 “ 吸收”了室内传来的声波,吸声系数为1 。虽然,我们所要考虑的吸声质料,主要不是靠开口面积的吸声,而要靠质料自己的声学特性来吸收声波 。

关于两个空间中间的界面隔层来说,当声波从一室入射到界面上时,声波引发隔层的振动,以振动向另一面空间辐射声波,此为透射声波 。通过一定面积的透射声波能量与入射声波能量之比称透射系数 。关于开启的窗户,透射系数可近似为1(吸声系数也为1),其隔声效果为0,即隔声量为0db 。关于又重又厚的砖墙或厚钢板,单位面积质量大,声波入射时只能激提倡此隔层的微小振动,使对另一空间辐射的声波能量(透射声能)很小,所以隔声量大,隔声效果好 。但关于原来空间而言,绝大部分能量被反射,所以吸声系数很小 。

关于简单质料(不是专门设计的复合质料)来说,吸声能力与隔声效果往往是不可兼顾的 。如上述砖墙或钢板可以作为好的隔声质料,但吸声效果极差;反过来,如果拿吸声性能好的质料(如玻璃棉)做隔声质料,纵然声波透过该质料时声能被吸收99%(这是很难抵达的),只有1%的声能流传到另一空间,则此质料的隔声量也只有20db,并非好的隔声质料 。有人把吸声质料误称为 “ 隔音质料 ” 是差池的 。如果有人介绍某种简单质料吸声好隔声也好,那他不是不懂就是在骗人了 。

2.吸声质料

吸声质料是指吸声系数比较大的建筑装修质料 。如果质料内部有许多相互连通的细微空隙,由空隙形成的空气通道,可模拟为由固体框架间形成许多细管或毛细管组成的管道结构 。当声波传入时,因细管中靠近管壁与管中间的声波振动速度差别,由媒质间速度差引起的内摩擦,使声波振动能量转化为热能而被吸收 。好的吸声质料多为纤维性质料,称多孔性吸声质料,如玻璃棉、岩棉、矿碴棉、棉麻和人造纤维棉、特制的金属纤维棉等等,也包括空隙连通的泡沫塑料之类 。吸声性能与质料的纤维空隙结构有关,如纤维的粗细(微米至几十微米间为好)和质料密度(决定纤维之间 “ 毛细管 ” 的等效直径)、质料内空气容积与质料体积之比(称空隙率,玻璃棉的空隙率在90%以上)、质料内空隙的形状结构等 。从使用的角度,可以不管吸声的机理,只要查阅质料吸声系数的实验结果即可 。虽然在选用时还要注意质料的防潮、防火以及可装饰性等其他要求 。

楼面隔声板

多孔性吸声质料有一个基本吸声特性,即低频吸声差,高频吸声好 。定性的吸声频率特性见图1 。频率高到一定值四周,见图1中f0,吸声系数 α 抵达最大值,频率继续增大时,吸声系数在高端有些波动 。这个f0的位置,概略上是f0对应的波长为质料厚度t的4倍

当质料厚度增加时,可以改善低频的吸声特性 。低频吸声系数的频率特性向低频移一个倍频程 。但并非可以一直增加厚度来提崎岖频吸声系数的,因为声波在质料的空隙中流传时有阻尼,使增加厚度来改善低频吸声受到限制 。差别质料有差别的有效厚度 。像玻璃棉一类好的吸声质料,一般用125px左右的厚度,很少用到250px以上 。而像纤维板一类较微密的质料,其质料纤维间空隙很是小,声波流传的阻尼很是大,不但吸声系数小,并且有效厚度也很是小 。

一般平板状吸声质料的低频吸声性能差是普遍纪律 。一种革新的要领是将整块的吸声质料切割成尖劈形状,当声波流传到尖劈状质料时,从尖部到基部,空气与质料的比例逐渐变革,也即声阻抗逐渐变革,声波流传就凌驾平板状质料有效厚度的限制,抵达质料的基部,从而可改善低频吸声性能 。吸声频率特性仍与图1相似,最大吸声系数的频率f0对应的波长约莫为尖劈吸声结构长度t的4倍 。例如要使100hz以上频率都有很高的吸声系数,吸声尖劈的长度约为2175px左右 。虽然这样的吸声结构一般不宜用于室内装修,主要用于声学实验室或特殊的噪声控制工程 。

3.共振吸声结构

利用差别的共振吸声机理,设计种种类型的共振吸声结构,使吸收峰值选择在所需频率位置,满足差别频率吸声量的要求,特别是解决低频吸声量缺乏的问题 。

3.1 薄层多孔性吸声质料的共振吸声

薄层多孔性吸声质料也包括种种透气的织物,如棉、麻、丝、绒、人造纤维等织物 。如图3a,将质料挂在刚性面前距离d处,则当d=1/4(2n+1) λ (1)时, λ 是空气中声波波长,n为正整数,织物处于刚性面前驻波的声压波节位置,那里声波的质点振动速度最大,使在织物中消耗最大的声能,形成共振吸声 。在(1)式中n划分即是0、1、2……时,对应的共振吸声频率fn为:fn=(2n+1)/4.co/d (2) 式中co为空气中声波流传速度,一般以340m/s盘算 。例如,当织物与刚性壁距离为850px时,n=0对应的最低共振频率f0=250hz,n=1对应的f1=750hz,n=2对应的f2=1250hz…… 。其共振吸声的频率特性见图3b 。吸声峰值与织物性能有关,一般都比较大,但共振吸声峰的宽度不大,在实际使用中往往将帘子增大折皱悬挂,即连续改变织物与刚性面的距离,并在差别距离处悬挂不止一层织物,以改善吸声频率特性 。别的,将厚度为d的玻璃棉一类质料离刚性面d处装置,见图4,则(1)式中的d→酿成为d→(d+t)连续变革,即有许多共振吸声频率,而最低共振频率为f0=c0/4(d+t) 。

3.2 薄膜共振吸声结构

如果刚性面前d处有一层不透气的膜,见图5,膜的单位面积质量为m,则膜与厚度为d的空气层组成质量 —— 弹簧的共振系统,其共振频率为:

fr=co/2 π √ ρ o/md ( 3)

式中 ρo 为空气密度 。例如在 “ 软包 ” 外外貌蒙上不透气的膜,则包在里面的多孔性吸声质料就不可发挥原有的吸声功效,而首先是膜的共振吸声并通过膜振动传入质料内的吸声作用,而此膜振动又受到质料的阻尼抑制,吸声效能受到限制 。如果蒙皮用人造革一类质量较大的质料,如有的剧院中的座椅,那种吸声性能就更差了 。

3.3 薄板共振吸声结构

薄板是两维的振动系统,其共振频率除了与板的物理常数和几何尺寸有关外,还和它的边沿牢固状况有关 。如果一块边长为la、lb的矩形板,厚度为h,四边都被牢固地钳定,它的共振频率fm,n为:

fm,n= π/2[eh2/12ρ(1-σ2)]1/2.[m2/1n2+n2/1b2]1/2 (4)

式中e、 ρ 、 σ 划分为板的杨氏模量、密度和泊松比,m、n为正整数 。当n=0、m=1时,获得最低的共振频率(设la>lb) 。如果板为玻璃,将玻璃的物理常数代入:

fm,n=2.5×10h3(m2/1n2+n2/1b2)1/2 (5)

式中长度单位为米 。例如长1250px、宽1000px、厚4mm的玻璃窗,四边牢固,则(m,n)为(1,0)的最低共振频率为20hz,(m,n)为(0,1)的共振频率为25hz,(m,n)为(1,1)的共振频率为32hz 。随着(m,n)渐次增大,共振频率越来越大(间隔也越来越密),在这些频率上有较大的声吸收和声透射 。

在室内装修中经常用到板材,它们都有一定的共振吸声效应,其共振频率概略上如(4)式所示,与板的几何尺寸和物理常数有关,同时与边沿牢固状况有关,例如钉子钉几多,钉紧的水平,是否用胶牢固等等 。因此这类共振吸声往往不被主动接纳在设计计划内,只有有经验的设计师才谨慎地使用 。但有一点很是重要,即当用薄板作外貌装饰处理时,为制止共振频率过多的一致,在设计和施工中注意将牢固薄板的木筋之间给予差别的间距尺寸,使共振频率得以疏散 。关于不希望有薄板共振吸声作用的声学空间,外貌处理就接纳贴实的厚板 。

3.4 穿孔板共振吸声结构

经常利用穿孔板共振吸声结构来补足低频所需的吸声量 。穿孔板吸声结构如图6a所示,板厚t,离刚性面距离d,如板上钻圆孔(也可开狭缝),孔的半径为a,穿孔面积占板面积的比率(穿孔率)为p,则此穿孔共振结构的共振频率fr为

fr=co/2 π √ p/(t+16a)d (6)

式中体现共振频率有好几个参数可以调理,如板厚t,孔的半径a,穿孔率p以及板与刚性面的距离d 。现在市场上有做好的差别穿孔率的穿孔板,可以选择差别的穿孔率和改变板与刚性面间距离d,来获得所需的共振频率 。

需要注意的是穿孔板共振吸声峰的形状,它与共振结构系统的阻尼有关 。见图6b,阻尼小时,共振峰较尖锐,阻尼大时共振峰较为平缓 。一般宁可选择较为平缓的吸声特性,以制止过强的吸声频率选择性 。板厚、孔径小,阻尼较大 。微穿孔板的穿孔直径为08~1mm左右,所以阻尼大,吸收峰较为平缓,但因易积灰和不耐腐化,所以不少地方不宜接纳 。

一般穿孔板厚度不大于5mm,穿孔直径在6~10mm左右,这种情况下阻尼嫌小 。要增加共振结构的阻尼,需要在穿孔四周增加吸声质料 。参看图6c,当声波流传经过穿孔时, “ 声线 ” 像流线那样在孔中和孔四周比较密集,那里的 “ 流速 ” 大,即声波的质点振动速度大,吸声质料爆发最大的阻尼作用 。我们很难将吸声质料填塞到一个个孔中,所以往往在板的前面或后面贴一层吸声质料(厚度为一个孔直径时效率最高)来增加共振吸声系统的阻尼,使吸收峰比较平缓 。吸声质料在穿孔板后面时,只起到共振吸声的阻尼作用;若放在穿孔板前面,则同时兼有多孔性吸声质料的吸声功效 。穿孔率p大于02时,一般不是共振吸声结构,仅仅作为多孔性吸声质料的 “ 护面板 ” 。

4.隔声质料

不透气的固体质料,关于空气中流传的声波都有隔声效果,隔声效果的优劣最基础的一点是取决于质料单位面积的质量 。

参看图7,一个面积很是大的隔层,其单位面积质量为ms,当声波从左面笔直入射时,引发隔层作整体振动,此振动再向右面空间辐射声波 。以单位面积考虑,透射到右面空间的声能与入射到隔层上的声能之比称透射系数 τ 。界说无限大隔层质料的通报损失(也称透射损失)tl:

tl=101g1/ г (7)

上述简单情况下可盘算获得通报损失近似为:

tl=20lg ω ms/2 ρ oco (db) (8)

式中 ω=2πf 为圆频率, ρ0 、c0为空气的密度和声波流传速度 。tl的巨细体现质料的隔声能力 。(8)式的一个重要特点,即质料单位面积质量增加一倍,则通报损失增加6db 。这一隔声的基本纪律称 “ 质量定律 ” ,也就是说隔声靠重量 。所以像砖墙、水泥墙或厚钢板、铅板等单位面积质量大的质料,隔声效果都比较好 。

(8)式也标明,单层隔声的高频隔声好,低频差 。频率每提高一倍,通报损失就增加6db 。

需要说明的是:通报损失tl是隔层面积为无限大时的理论 “ 隔声量 ” ,作为一垛墙或楼板,它都有边沿与其它建筑构件连接,这时的 “ 隔声量 ” 与(7)式所体现的通报损失有差别 。既有因边沿接近于牢固而增大隔声能力,也有作为边沿牢固的板振动有一定的共振频率,使某些共振频率点上隔声效果降低的现象 。而看成为两相邻房间之间的隔墙或楼板,因为两室之间有多条传声(或振动)通道,这两个房间之间的隔声量(只能称声级差)更不可以该隔层的通报损失来代表 。

隔层质料在物理上有一定弹性,当声波入射时便引发振动在隔层内流传 。当声波不是笔直入射,而是与隔层呈一角度 θ 入射时,声波波前依次抵达隔层外貌,而先到隔层的声波引发隔层内弯曲振动波沿隔层横向流传,若弯曲波流传速度与空气中声波渐次抵达隔层外貌的行进速度一致时,声波便增强弯曲波的振动,这一现象称吻合效应 。这时弯曲波振动的辐度特别大,并向另一面空气中辐射声波的能量也特别大,从而降低隔声效果 。爆发吻合效应的频率fc为:

fc=co2/2 π sin2 θ [12 ρ (1- σ 2)/eh2]1/2 (9)

式中 ρ 、 σ 、e划分为隔层质料的密度、泊松比和杨氏模量,h是隔层厚度 。任意吻合频率fc与声波入射角 θ 有关 。在大大都房间中的声场都接近于混响声场,抵达隔层的入射角从0°到90°都有可能,因此吻合频率泛起在从掠入射( θ=90°) 的fc0开始的一个频率规模,也就是说吻合效应使某一频率规模的隔声效果变差 。一般这一频率规模爆发在中高频 。从质量定律知道,中高频隔声量较大,除了内阻尼很小的金属板外,因吻合效应使中高频隔声量降低的现象,不会引起很大的麻烦 。

5.双层隔声结构

凭据质量定律,频率降低一半,通报损失要降6db;而要提高隔声效果时,质量增加一倍,通报损失增加6db 。在这一定律支配下,若要显著地提高隔声能力,单靠增加隔层的质量,例如增加墙的厚度,显然不可行之有效,有时甚至是不可能的,如航空器上的隔声结构 。这时解决的途径主要是接纳双层以至多层隔声结构 。

双层隔声结构模型见图8,单位面积质量划分为m1、m2,中间空气层厚度为l 。双层结构的通报损失可以进行理论盘算,结果比较庞大,在差别频率规模可以获得差别的简化体现,这里只作定性介绍 。

两个隔层与中间空气层组成一个共振系统,共振频率为fr(m的单位为kg/m2,l的单位为m):

fr=60/√m1m2l/(m1+m2) (10)

在此共振频率四周,隔声效果大为降低 。不过关于重墙来说,此频率已低于可闻频率规模 。例如m1为半砖墙250kg/m2,m2为一砖墙500kg/m2,空气层厚度05m,这时共振频率在7hz左右 。

关于轻结构双层隔声,共振频率可能落在可闻频率规模内,例如两层铝板划分为52kg/m2和26kg/m2,中间空气层125px,可盘算出共振频率约为200hz 。这时应在两板间填塞阻尼质料,以抑制板的振动 。一般若用薄钢板做双层隔声结构时,钢板上都涂好阻尼层来抑制钢板的振动 。

在共振频率fr以下,双层隔声的效果如同没有空气层的一层(m1+m2)的隔声效果;在fr以上一段频率规模,双层隔声效果接近于两个单层隔声的通报损失之和;在更高的频率,当空气层厚度l为四分之一波长的奇数倍时,双层隔声效果相当于两个单层的通报损失之和再加6db,l为波长的偶数倍时,双层隔声效果相当于两个单层合在一起的通报损失再增加6db,在其它频率,传声损失在这两个值之间 。所以在总体上,当频率大于fr时,双层隔声结构显著地提高了隔声效能 。

一般双层隔声结构的两层,不必相同厚度的同一种质料,以制止这两层泛起相同的吻合频率 。

在设计和施工中要特别注意,两层之间不可有刚性连接 。破坏了固体 —— 空气 —— 固体的双层结构,把两层固体隔层由刚性构件相连,使两个隔层的振动连在一起,隔声量便大为降低 。尤其是双层轻结构隔声,相互之间必须相互支撑或连接时,一定要用弹性构件支撑或悬吊,同时注意需要支解的两个空间之间,不可有缝或孔相通 。 “ 漏气 ” 就要漏声,这是隔声的实际问题 。

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