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建筑声学材料PDF

作者:尊龙人生就是博手机版时间:2020-07-08 13:40

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  6 建筑声学材料 (5 学时,授课 5 学时) 该章的基本要求与基本知识点 熟悉声学的基本知识及声学材料、声音的频谱、声源的指向性、吸声材料、隔声材料等概 念,掌握建筑声学(结构)的基本特性,声学材料分类选用原则和施工应用。 教学重点与难点 声学的基本知识及建筑声学材料(结构)的基本特性。 6.1 概述 自然界中存在各种各样的声音。 建筑物中的工程设备增多和路上的交通工具发展,使得室内外噪声源增多,噪声强 度在加大,因此,生活在喧嚣都市的人们都希望在喧闹中开辟一个安静的工作、居 住环境,不受外界干扰; 居住者还要追求高质量的生活,希望获得高品质的听闻条件。 建筑声学材料 6.1.1 建筑声学的发展 在公元前一世纪的罗马建筑师维特鲁威(Vitruvius) 的著作《建筑十书》一书中,记述 了古希腊露天剧场中的音响调节方法。共鸣缸、反射面 中世纪承继了封闭空间声学的知识,采用大的内部空间和吸声系数低的墙面,以产 生长混响声。因混响时间过长,可辨度较差,反而造成神秘的宗教气氛。 中世纪后期的另一种厅堂建筑为会议室。 到了十六世纪中叶,英国的跑江湖卖艺的艺人利用旅馆中圆形、方形或八边形的露 天庭院作为演出的舞台。继希腊的露天剧场后,这种布置方式使观众和演员的距离 ( ) 缩减了不少,同时为当时建造的露天舞台 或伸展式舞台提供了设计模式。 之后十六、十七世纪,意大利建造了大型剧场,如奥林匹克剧院,可容纳3000 个观 众席,帕尔马市的法内斯剧院,可容纳观众2500 人。这时期的剧院的设计,由于观 众的吸音和戏院内华丽的表面装饰所起的作用,使剧院的混响时间控制较为适当, 声能的分布也较均匀,所以观众听到的音质没有显著的缺陷。 这个时期欧洲修建的一些剧院,大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位, 同时由于听众和衣着对声能的吸收,以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射 作用,使混响时间适中,声场分布也比较均匀。 剧场或其他建筑物的这种设计当初可能只求解决视线问题,但无意中却取得了较好 的听闻效果。 16 世纪,中国建成著名的北京天坛,建有直径 65 米的回音壁,可使微弱的声音沿 壁传播一二百米。在皇穹宇的台阶前,还有可以听到几次回声的三音石。 (A. Kircher) (Phonurgia) 十七世纪阿 科切尔 的著作《声响》 一书为最早介绍室内声学 ‧ 现象的科学著作。论及早期简单的声学实践,为建筑声学史发展上的一个重要贡献。 E.F. . (E.F. Freidrich Chlaudi) 十九世纪初,德国人 弗里德利克察拉迪 在著作《声学》中, 致力于解释混响现象。 ( ) 在十九世纪以前,关于在厅堂设计 当时主要指教堂、歌剧院和舞厅 中的声学问题, 附属于其它问题来考虑。 巴洛克音乐和古典音乐并不是为教堂演奏而写的,而通 常在贵族的舞池内演奏。很多悦耳的音乐原来只为在小型房间内演奏而写的,称为 室内乐。 从十九世纪开始,在维也纳、莱比锡、巴塞尔等城市,都建造了一些供演出的音乐厅。 在二十世纪科学研究取得巨大进展,明确解决一些当代室内声学问题之前,这些十 九世纪建造的音乐厅足以反映出声学上的丰硕成果。 50 (Helmholtz) (Be ) (Weber) 十九世纪 年代后,赫姆霍兹 、贝尔 、韦伯 和费克纳 (Fechner)等人对声学做出重大贡献。瑞利爵士(Lord Rayleigh)发表了他的经典著作 《声的理论》(The Theory of Sound) 。 二十世纪,美国哈佛大学W.C.赛宾(W.C. Sabine)教授首先从事室内声学设计的研究 工作,并提出声音吸收系数及方程式,厅堂声学从原来推测的领域中解放出来,成 为工程科学中的一门系统分支学科。 此后,建筑声学理论和实践的研究迅速发展,加上声学量测仪表的使用,建立了室 内声学理论。 从二十年代开始,由于电子管的出现和放大器的应用,使非常微小的声学量的测量 得以实现,这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。 建筑声学的基本任务 研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法,以保证室内具有良好听闻条件; 研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。 6.1.2 声学材料与建筑声学 ( ) 现代化的标准常常要求一个厅堂能适用各种用途 多功能厅堂 ,同时,它的内部空 ( ) 间则要求易于变化,以适应临时的需要 多形式厅堂 。 厅堂的听觉条件在很大程度上受着建筑设计的影响,其中包括厅堂的形状、大小、体 积、边界面布置、座位排列、观众容量、表面处理以及装修材料等。实际上,在厅堂的 每一细部,或多或少对厅堂的声学特性都有一定的关系。 建筑声学研究目的: 给各听音场所或露天场地提供产生、传播和收听所需要的声音的最佳条件(室 内声学) 排除或减少噪声和振动干扰(噪声控制) 建筑声学材料通常分成吸声的、隔声的、或声反射的。 一般还是从总体上分成吸声材料和隔声材料。 建筑声学材料已在现代建筑中非常广泛地应用。 研究、开发新型、高效的建筑声学材料。 吸声材料主要就是用在会议厅、礼堂、影剧院、体育馆以及宾馆大厅等人多聚集的地 方,一方面控制和降低噪声干扰,另一方面可以起改善厅堂音质、消除回声和颤动 回声等目的。 吸声材料还用于纺织车间,球磨车间等噪声很大的工厂车间,吸收一部分噪声,降 低噪声强度,有利于工人的健康。 而隔声材料更是随处可见,门、窗和隔墙等都可称为隔声材料。 6.1.3 厅堂设计的声学要求 一个具有良好听觉条件的厅堂应达到以下要求: 厅堂的各个部位,特别是较远的座位,应有足够的响度。 ( ) 厅堂内的声能应均匀的分布声扩散 。 厅堂内应具有最佳的混响技巧。 厅堂内各区域应排除或尽可能减少干扰听觉或演出的噪音和振动。 厅堂内部不应出现回声、长延迟反射声、颤抖回声、声聚焦、声失真、声影和室内共振 等缺陷。 6.2 声学的基本知识 6.2.1 声音的产生与传播 声音来源于振动的物体,振动的物体就称之为声源。 ( ) 声音是一种波动,声源发声后要经过一定的介质 加固体、 体和气体 的分子振动 向外传播。 与听觉有关的声音,主要是指在空气介质中传播的纵波。 一、频率、波长与声速 () (f) (T) (c) 声音有波长 、频率 、周期 和传播速度 的概念,它们三者之间有如下关系, 即 在一定介质中,声速是确定的。 声音在不同的介质中的传播速度是不同的,与介质的弹性、密度以及温度有关。通常 340m s 室温下空气中的声速为 /。一般在固体和 体中,声音的传播的速度更快, 0℃ 5000m s 1450m 当温度为 时,声波在钢中的传播速度是 /,在水中的传播速度是 s /。 低于20Hz 的声波为次声,高于20000Hz 声波为超声。人耳听不到次声与超声。 二、频带 将声音的频率范围划分的若干个区段。 f  f f f1 f2 f= f1 -f2 c 1 2 每个频带有一个下界频率 和一个上界频率 , 为带宽, 为 中心频率。 三、声波的衍射与反射 在某一时刻,声波波动所达到的各点包络面称为波阵面。分平面波和球面波。在离声 源足够远的局部范围内可 似把波阵面看作平面。 声线即声波传播的途径。在各向同性介质中,声线是直线且与波阵面相垂直。 声波从声源出发,在同一个介质中按一定方向传播,与光波相似; 大多数声源发出的声波具有方向性,即声波有在某一方向辐射得最强的特性; 声波的波长比光波大,可听声波的波长约在 1.5cm~17m 之间,因此声波的波动性 比较明显。 E0 根据能量守恒定律,若单位时间内入射到构件上的总声能为 ,反射的声能为 E E Et ,构件吸收的声能为 ,透过构件的声能为 ,则互相间有如下的关系: τ 透射声能与入射声能之比称为透射系数,记作 ;反射声能与入射声能之比称为反 γ 射系数,记作 ,即: τ γ 常把 值小的材科称为隔声材料,把 值小的称为吸声材料。 四、吸声系数 实际上构件的吸声只是E,但常用下式来定义材料的吸声系数 声反射(Sound Reflection) 在混凝土、砖、石块、或玻璃等刚性平面上,几乎能把所有的入射声都反射出去。声线 的入射与反射都在一个平面上,声波的入射角等于声波的反射角 (反射定律),这 种反射现象与熟知的光反射十分相似。在中型和大型的厅堂于适当位置上装设大型 的声音反射板,可改善听觉条件。 声吸收(Sound Absorption) 当声波入射至柔性材料、纤维材料和人体时,大部分声波会被吸收,换言之,人体 和这些材料是声的吸收体。声吸收是把声能转变为其它形式的能量,即声能通过某 种材料或撞击一个表面,最后化为热能。 声扩散(Sound Diffusion) 假如厅堂各个部位的声压相同,而且室内声波是无规则地向各个方向传播,这种声 场可以说是均匀的,换句话说,可称室内达到声扩散。适当的声扩散,可以促进声 音均匀分布,加强音乐和语言本身的音色,以及避免不良的音质缺陷。 声衍射 衍射是一种声学现象。当声波遇到角落、柱子、墙壁和梁等障碍物时就会绕射或散射。 而声衍射就是指声波在障碍物周围发生的绕射和散射。 混响时间(Reverberation Time) 由于在音质设计中,控制混响是一个很重要的因素,因而需要制订相应的测量标准 (RT) 60 此即为混响时间 。混响时间为室内声音停止后,声压级降低 分贝所需的时间。 混响时间对人的听音效果有重要影响,它仍然是迄今为止描述室内音质的一个最为 重要的参量,大量经验表明,过长的混响时间会使人感到声音 “混浊”不清,使语 言听音清晰度降低,甚至更本听不清;混响时间太短就有 “沉寂”的感觉,声音听 起来很不自然。 人们对于语言和音乐,对混响时间的要求是不一样的。一般来说,音乐对混响时间 的要求则长一些,使人听起来有丰满的感觉;而语言则要求短一些,有足够的清晰 度。对于不同类型的声音,还可以获得一个听音效果最为满意的所谓最佳混响时间 而这种混响时间还同房间的大小有一定关系。 回音(Echo) 在厅堂的各种音质缺陷中,最严重的要算是回音了。回音是表示明显地、重复听到原 来的声音。当听众能把从任何表面以足够强度和延迟时间反射来的声音,与从声源 来的直达声辨别开来时,便说明有回音。 颤动回音 颤动回音包括一连串的快速、连续、可察觉的回音。厅堂内相对的反射面不要平行, 是避免严重颤动回音的一种方法。 长延迟反射声 长延迟反射声是与回声相类似的一种音质上的缺陷,只是直达声和反射声之间的延 迟时间比回音稍短一些。 声聚焦 声聚焦是声波从凹面反射产生的聚焦现象。在焦点的声强很高,而其它区域就相应 低的多,因为声能主要集中在焦点,其它地方的听觉条件便较差,由于这种缘故, 使得厅堂内声能分布不平均。因此,建筑物内应避免采用大型、连续的凹状表面,如 果要采用,则应装置吸收很大的吸音材料。 声失真 声失真指厅堂内由于边界表面在不同频率情况下,产生不均匀或过多的吸收,因而 改变了音质。如果厅堂内装设的吸声构造,在音频范围内有均衡吸音特性,则可避 免声失真。 响度 厅堂的各个部位应有足够的响度。在中型或大型的厅堂中,由于声波传递引起声能 的损失,听众、软座椅、地毯等的吸音较大,因而影响厅堂的响度。 从厅堂的体型设计着手,使听众尽可能靠 声源,以减少传播距离;使声源位置较 高,让观众都能听到直达声(即声波不经过反射直接传到听众);或使观众厅的地 面有适当的坡度。除此之外还可设置声反射板。正确地设声反射板,除了能增强声能 外,而且还能创造空间效果的环境气氛。 6.2.2 声音的计量 声压 声波传播时,相当于在原先大气压强上叠加一个变化的压强,即声压。声压与发声 体振动的振幅有关,与其波长无关。一般用一段时间内的有效声压来表示。声压的大 小反映了声波的强弱。 对于 1000Hz 纯音,人耳刚能觉察到声音存在时的声压叫做听阈压,听阈压为 2×10-5Pa (基准声压)。同样对于 1000Hz 的纯音,人耳感觉到疼痛时的声压叫做痛 阈压,其大小为20Pa 。 声压级 P0 采用一种按对数方式分等级的办法来计量声音的大小,单位是分贝。 为基准声压, 2×10-5Pa L  20 lg p p p 0 对应听阈值到痛阈值的声压级为0-120dB. 声功率 W w 声源在单位时间内向外辐射的总声能量,用符号 表示,单位为 。 声功率是表示声源特性的重要物理量,它反映了声源本身的特性,而与声波传播的 距离以及声源所处的环境无关。一旦声源确定,在单位时间内向外辐射的噪声能量 就不会改变,对一个固定的声源,声功率是一个恒量。声功率同样存在听阈和痛阈 正常人耳对纯音的听阈和痛阈分别为10-12 和 1w。 声功率级 10 LW 声功率与基准声功率的比值的常用对数乘以 ,记作 。其表达式为: W Lw  10lg W 0 LW dB W w W0 W0=10- 式中 为声功率级, ; 为声源的声功率, ; 为基准声功率 12w。 声强 I 在单位时间内,通过垂直声波传播方向单位面积的声能量称为声强,用符号 表示, 单位为W/m2 。 声强和声压一样,都是用来衡量声音强弱的物理量。声波的传播除引起大气压力的 变化外,还伴随着声音能量的传播,声压使用的是压力,而声强使用的是能量。正 1000Hz 10-12w/m2( ) 1w/m2 常人耳对 纯音的听阈为 基准声强 ,痛阈为 。 W W I   在自由声场中,声波向四面八方均匀辐射,此时声强与声功率之间的关系为: S 4r 2 I r m w/m2 W w S 式中: 为距离声源 处的声强, ; 为声源辐射的声功率, ; 为声波传播 m2 r m 的面积, ; 为离开声源的距离, 。 I I I0 10 一个声音的声强级是该声音的声强 与基准声强 之比取以 为底的对数再乘以 LI  10lg 10 ,记作。其数学表达式为: I 0 dB I w/m2 I0 I0=10-12w/m2 式中:为声强级, ; 为声强, ; 为基准声强, 。 用声强级表示的听阈和痛阈分别为0dB 和120dB。在通常情况下,声压级与声强级 相差较小,两者 似相等。 dB dB 声压级、声强级、声功率级的单位都是 。 是一个相对单位,它没有量纲,其物 理意义表示一量超过另一个量(基准量)的程度,单位为贝尔(Bel) 。由于贝尔太大, 为了使用方便,采用分贝(dB),1Bel=10dB。值得注意的是,一定要了解其标准的基 准值。在声压级、声强级、声功率级中分别采用人耳对 1000Hz 纯音的听阈声压、听阈 声强和听阈声功率为基准值。 响度、响度级与等响曲线 响度: sone 度量一个声音比另一个声音响多少的量。单位是宋 ( )。 声压越大,声音越响,但二者的比例关系没有规律。 响度级的确定是同基准音比较得出的。国际标准化组织规定:以1000Hz 纯音为基准, 当噪声听起来与该纯音一样响,其噪声的响度级 (方值)就等于该纯音的声压级 phon (分贝值)。响度级用符号表示,单位为 “方” ( )。具体的方法是:采取对比 试验的方法,通过调节1000Hz 纯音的声压级,使它和所测试的声音听起来有同样 的响度,由此来确定这个声压的响度级。 由于响度级在确定时,考虑了人耳特性,并将声音的强度与频率用同一单位——响 度级统一了起来,既反映了声音客观物理量上的强弱,又反映了声音主观感觉上的 强弱。 利用与基准音相比较的方法,通过实验,可以得到整个可听范围内纯音的响度级。 如果把响度级 (主值)相同的点都连接起来,便得到一组曲线簇,即等响曲线。在 每一条曲线上,尽管各个噪声的声压级和频率各不相同,但是它们听起来同样响, 即具有相同的响度级。 例如31.5Hz95dB 的声音,听起来与 1000Hz70dB 的声音同响,则该声音的响度级 70 为 方。 噪度、感觉噪度级与等噪度曲线 响度是对噪声的主观评价,噪度是人们在主观上对噪声不需要或厌恶程度的量度, 噪度不同于响度,但是可以与响度相比较,使用同样的方法去计算噪度。 一般来说,同响的噪声,高频声比低频声更令人烦恼;强度变化快的噪声比稳态噪 声要吵;在强度相同的情况下,纯音或窄带噪声更为吵闹。 (PN) noy , 主观评价量——感觉噪度级和噪度。噪度 的单位是呐 ( )感觉噪度级 Lpn PNdB ( )的单位是 。与响度、响度级相似,噪度与感觉噪声级之间的关系为: 1000Hz 40dB 1 50dB 2 中心频率为 的倍频程,声压级为 ,规定其噪度为 呐, 时为 呐, 60dB 4 时为 呐等。 等噪度曲线与等响曲线的区别在于:它对受试者提出的不是两个声音是否等响的问 题,而是两个噪声是否给人以相同的烦恼感觉的问题。等噪度曲线的形状与等响曲 线相似,但高频部分下凹的更为突出。这说明人对高频声的烦恼和讨厌程度大于低 频声。感觉噪度级适用于评价航空噪声对于人的影响。 声级叠加 2 2 2 2 2 P  P  P  P   P T i 1 2 n ( N/m2) 声压 单位: 是压力单位,不能直接相加减,但声压平方的和对应着声音能量 的相加,即: PT Pi i 式中: 为总声压; 为第 个声源的声压。 工程上可用图表法查得。 6.3 建筑声学材料(结构)的基本特性 6.3.1 吸声材料和吸声结构 任何材料都有一定的吸声能力,但吸声能力的大小不同。 材料的吸声能力,一般通过吸声系数来衡量,根据它的定义,吸声材料的吸声系数 0~1 范围在 之间。 一般来讲,坚硬、光滑、结构紧密和重的材料吸声能力差,反射性能强。如水磨石、大 理石、混凝土、水泥粉刷墙面等;粗糙松软、具有互相贯穿内外微孔的多孔材料吸声 性能好,反射性能差,如玻璃棉、矿棉、泡沫塑料、木丝板、半穿孔吸声装饰纤维板和 微孔砖等。 ( ) 因此吸声材料结构都具有粗糙松软、多孔等特性。 125 250 500 1000 2000 4000Hz 工程上通常采用 、 、 、 、 、 六个频率的吸声系数来表示材料 和结构的吸声频率特性。 吸声系数可以用来比较在相同尺寸下不同材料和结构的吸声能力,而要反映不同尺 寸材料和构件的实际吸声效果却有困难。这时要用吸声量A=S 来比较。 6 0.2 一般把 个频率吸声系数的平均值大于 时的材料称为吸声材料。 6.3.2 ( ) 隔声材料结构 的基本特性 ( ) 因为任何材料 结构 受声场作用时。都会或多或少地吸收一部分声能,因此穿透过 去的能量总是小于作用于它的声场的能量,即起了隔声作用。隔声一般分为空气声 隔绝和固体声隔绝。 材料隔声能力可以通过材料对声波的透射系数来衡量,透射系数越小,说明材料或 ( dB) 构件的隔声性能超好。但在工程上常用构件隔声量 单位 ,来表示构件对空气声 的隔绝能力,它与透射系数的关系是: 同一材料和结构对不同频率的入射声波有不同的隔声量。在工程应用中,常用中心 125—4000Hz 100—3150Hz 16 1 3 频率为 的六个倍频带、或 的 个 / 倍频带的隔声量 来表示某一个构件的隔声性能。 建筑声学中的质量定律,材料或结构的单位面积质量越大,隔声效果越好。 此外,单层匀质密实的材料,在隔声时,能产生一种 “吻合效应”,即外来入射的 波长与墙面等的固有弯曲波的波长相吻合而产生共振,使隔声量大大降低。 ( ) 质量定律和吻合效应都是针对空气声隔绝讨论的,对于固体声 撞击声 隔绝,就是 要使物体的振动能尽快被吸收,这样就需要阻尼材料作隔声。 隔声的情况要具体情况具体考虑。对于空气声隔绝,所用的隔声材料应选择密实, ( ) ( ) 沉重的粘土砖、钢板、钢筋混凝土等 ;对于固体声撞击声 隔绝,应用毛毡、软木等 弹性材料或阻尼材料。 6.3.3 反射和反射体 定向反射 扩散反射 反射体 MLS 称为最大长度序列,是一种数论算法,其扩散声音的原理是,声波到达墙面 的某个凹凸槽后,一部分入射到深槽内产生反射,另一部在槽表面产生反射,两者 接触界面的时间有先后,反射声会出现相位不同,叠加在一起成为局部非定向反射 MLS 大量不规则排列的凹凸槽整体上形成了声音的扩散反射。 扩散墙面的设计需要 进行数学计算,并在声学实验室中测量设计方案的效果。 戏剧场的MLS 声扩散墙面 戏剧场MLS 墙面的凹槽深度15cm,每个凸起或凹陷的单元宽度约20cm ,面层为约 4cm 厚的木板外贴粉红色装饰布,凸起单元内部填充高密度岩棉。其热烈夺目的视 觉氛围和神秘十足的声学造型,为戏剧场增添了令人遐想的艺术效果。 6.3.4 建筑体声学测量 噪声测量 混响时间测量 吸声系数测量 隔声测量 6.4 吸声材料 6.4.1 吸声材料(结构)的分类 6.4.2 多孔性吸声材料 多孔吸声材料的构造特征是:材料从表到里具有大量内外连通的微小间隙和连续气 泡,有一定的通气性。 这些结构特征和隔热材料的结构特征有区别,隔热材料要求的是封闭的微孔。 吸声机理 当声波入射到多孔材料表面时,声波顺着微孔进入材料内部,引起孔隙内的空气的 振动,由于空气与孔壁的摩擦、空气的粘滞阻力,使振动空气的动能不断转化成微 热能,从而使声能衰减。 在空气绝热压缩时,空气与孔壁间不断发生热交换,由于热传导的作用,也会使声 能转化为热能。 多孔吸声材料吸声频谱的特点是吸声系数随频率的增加而增大,吸声频谱曲线由低 频向高频逐步升高,并出现不同程度的起伏,随着频率的升高,起伏幅度逐步缩小 趋向一个缓慢变化的数值 中高频吸声 厚度 多孔材料的吸声系数,一般随着厚度的增加而提高其低频的吸声效果,而对高频影 响则不显著。但材料厚度增加到一定程度后,吸声效果的提高就不明显,因此存在 一个适宜厚度。 流阻 当稳定气流通过多孔材料时,材料两面的静压差与气流线速度之比。 流阻对共振吸声的影响 孔隙率 70 90 多孔吸声材料都具有很大的孔隙率,一般在 %以上达 %左右。密实材料孔隙率 低,吸声性能低。 结构因子 造成两种声波衰减机理。 表观密度 在实际工程中,测定材料的流阻、孔隙率通常有因难,所以常通过密度加以控制。同 一纤维材料,厚度不变时,密度增大,孔隙率减小,比流阻增大,能使低频吸声效 果有所提高,但高频吸声性能却可能下降。因此在一定条件下,材料密度存在一个 最佳值,因为密度过大或过小都对材料的吸声性能产生不利的影响。 在实用范围内,密度的影响,比材料厚度所引起的吸声系数变化要小。所以在同样 用料情况下,当厚度不受限制时,多孔材料以松散为宜。超细玻璃棉合适的密度为 15~25kg m3 100kg m3 120kg m3 / ,玻璃棉约为 / ,矿棉约为 / 左右。 同一种多孔材料当密度一定时,材料厚度与频率还有一定关系。吸声材料的厚度与 第一共振频率呈反比关系。 背后条件的影响 多孔材料背后空气层作用相当于加大材料的有效厚度,吸声性能一般来说随空气层 厚度增加而提高,特别是改善对低频的吸收,它比增加材料的厚度来提高低频的吸 收可以节省很多材料。 1 4 一般当材料背后的空气层厚度为入射声波 / 波长的奇数倍时,吸声系数最大; 1 2 当材料背后的空气层厚度为入射声波 / 波长的整数倍时,吸声系数最小。利用这 个原理,根据设计上的要求,通过调整材料背后空气层厚度的办法,以达到改善吸 声特性的目的。 材料表面装饰处理的影响 大多数多孔材料由于本身的强度、维护、建筑装修以及为了改善材料吸声性能的要求, 在使用时常常需要进行表面装饰处理。 饰面方法大致有钻孔、开槽、粉刷、油漆等。 (1)钻孔、开槽的影响 经钻孔处理后的材料,因增加了材料暴露在声波中的面积,即增加了有效吸声表面 面积,同时使声波易进入材料深处,因此提高了材料的吸声性能。 (2)粉刷、油漆的影响 在多孔材料表面粉刷或油漆会堵塞材料里外空气的通路,因此多孔材料的吸声性能 大大降低。 温度和湿度的影响 温度对材料的吸声性能影响并不是很显著,温度的影响主要是改变入射声波的波长 使材料的吸声系数产生相应的改变。 湿度对多孔材料的影响主要表现在多孔材料容易吸湿变形,孳生微生物,从而堵塞 孔洞,使材料的吸声性能降低。 6.4.3 共振吸声结构 多孔吸声材料对低频声吸收性能比较差,因此往往采用共振吸声原理来解决低频声 的吸收。由于它的装饰性强并有足够的强度,故在建筑物中使用比较广泛。 共振吸声结构一般分为两种;一种是空腔共振吸声结构,一种是薄板或薄膜共振吸 声结构。 空腔共振吸声结构 形似一个瓶子,结构中间封闭有一定体积的空腔,并通过有一定深度的小孔与声场 空间相联系。 空腔共振吸声结构的吸声原理可以用亥姆霍兹共振器来说明。 当孔的深度和孔径比声波波长小得多时,孔颈中的空气柱的弹性变形很小,可以看 作是质量块来处理。封闭空腔的体积比孔颈大得多,起着空气弹簧的作用,整个系 统类似弹簧振子。当外界入射声波频率和系统固有频率相等时,孔颈中的空气柱就 由于共振而产生剧烈振动,在振动过程中,由于克服摩擦阻力而消耗声能。 这种共振器的特点是具有很强的频率选择性,它在共振频率附 吸声系数较大,而 对离共振频率较远的频率的声波吸收很小。因此,这种单个的共振器很少单独使用。 如果要吸收的是单一频率,单个共振器是有用的。 亥姆霍兹共振器可用石膏浇筑,也可采用专门制作的带孔颈的空心砖或空心砌块。 不同的砌块或一种砌块不同砌筑方式,可组合成多种共振器,达到较宽频带的吸收 ( ) 如果在孔口处放上一些多孔材料 如超细玻璃棉、矿棉 ,或附上一层薄的纺织品, 则可提高吸声性能,并使吸收频率范围适当变宽。 穿孔板吸声结构和狭缝吸声结构 在各种穿孔扳、狭缝板背后设置空气形成吸声结构,也属于空腔共振吸声结构,其 原理同亥姆霍兹共振器相似,相当于许多亥姆霍兹共振器并列在一起。这类结构取 材方便,有较好的装饰效果,使用较广泛。 穿孔板结构具有适合于中频的吸收特性。 狭缝吸声结构通常给多孔吸声材料起护面作用。如果狭缝部分面积与整体面积比在 15 ~20 % %以下,就成为一种共振吸声结构,只要控制好狭缝部分面积与总面积的 比例,就可以形成不同吸声特性的狭缝共振吸声结构。在实用上,为了改善吸声特 性,在板后衬贴玻璃布并在空腔中填玻璃棉或矿棉等多孔材料。 薄膜、薄板共振吸声结构 皮革、人造革、塑料薄膜等材料因具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特性,将其固 定在框架上,背后留有一定的空气层,即构成薄膜共振吸声结构。某些薄板固定在 框架后,也能与其后面的空气层构成薄板共振吸声结构。 当声波入射到薄膜、薄板结构时,当声波的频率与薄膜、薄板的固有频率接 时,膜、 板产生剧烈的振动,由于膜、板内部和龙骨间摩擦损耗,使声能转变为机械振动, 最后转变为热能,从而达到吸声的目的。 由于低频声波比高频声波容易使薄膜、薄板产生振动,所以薄膜、薄板吸声结构是一 种很有效的低频吸声构造。因为室内空间和多孔材料对中频和高频吸收都较大,如 果选择适当,薄膜、薄板吸声结构可起平衡作用。因此,使用薄膜吸声构造能在音频 范围得到均匀的混响特性。 当薄膜作为多孔材料的面层时,结构的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及安 装法。一般来说,在整个频率范围内的吸声系数比没有多孔材料只用薄膜时普遍提 高。 在厅堂内表面的装饰中,薄板吸声能有效地吸收低频: 木板和硬纸板、石膏板、悬吊式抹灰顶棚、拉毛干灰扳、硬塑料板、窗、玻璃、门、木地板、 木讲台、金属板、散热器等。 为了使吸声构造耐磨经用,很多非穿孔的薄板吸声构造都安设在墙壁的较低部分, 作为墙裙的装饰。多孔材料与墙壁保持一定距离,也可作为板状振动吸声构造,有 利于吸收低频。 空间吸声体 空间吸声体是一种悬挂于室内的吸声构造。它与一般吸声结构的区别在于它不是与 顶棚、墙体等壁面组成吸声结构,而是自成体系。空间吸声体最大的优点就在于它可 预先制作,既便于安装,也便于维修,特别适用于那些已建成房屋的声学处理。 常用形式有矩形体、平板状、圆柱状、圆锥状、棱锥状、球状,多面体等。它可以根据不 同的使用场合和具体条件,因地制宜地设计成各种形式,既能获得良好的声学效果 又能获得建筑艺术效果。 因为空间吸声体是共振吸声结构和多孔吸声材料的组合,因此它有很宽的吸收频带 不仅能吸收高频,对低频吸收也非常好。空间吸声体由于有效的吸声面积比投影面 1 积大得多,按投影面积计算其吸声系数可大于 。 空间吸声体的吸声效果除与本身构成的材料和形式有关外,还与它在空间摆放的位 置、间距、数目有关。 强吸声结构 在消声室等待殊场合,需要房间界面对于在相当低的频率以上的声波都具有极高的 吸声系数,有时达0.99 以上。这时必须使用强吸声结构。 吸声尖劈是最常用的强吸声结构。采用吸声尖劈可以比使用多孔材料大大减少材料 的尺度。 常用尖劈的构造是选用直径 3—4mm 低碳钢丝制成符合设计形状和尺寸的框架,在 框架上缝上玻璃布、塑料窗纱等护面层,在框内均匀地填装玻璃棉等多孔吸声材料 也有将多孔材料制成毡状裁成尖劈后装入框内。尖劈还可以制成带共振芯而将玻璃 棉装在它的四周等构造形式。 吸声原理 尖劈的吸声是由于它的端部吸声面积小,它的特征阻抗接 空气的特性阻抗;从端 部到基部逐步增大到接 多孔材料的特征阻抗;这样,尖劈阻抗由外到内逐步增大 相对变化不显著,当声波从端部入射时,由于吸声层的逐渐过渡,使入射声波绝大 部分进入材料内部而被高效地吸收。 特点 使用尖劈可使截止频率降到60—70Hz ,如果采用一般多孔吸声材料,即使截止频 率取 100Hz,也需要3.4m 厚的吸声材料才能满足要求,因此使用尖劈能大大减少 吸声材料的用量。 尖劈内的多孔材料种类、密度和尖劈的尖部长度是决定其截止频率的重要因素。 帘幕 纺织品中除了帆布一类因流阻很大、透气性差而具有膜状材料的性质以外,大都具 有多孔材料的吸声性能,只是由于它们厚度一般较薄,仅靠纺织品本身作为吸声材 料使用是得不到大的吸声效果的。如果幕布、窗帘等离开墙面和窗玻璃有一定距离, 恰如多孔材料背后设置了空气层,尽管没有完全封闭,对中高频甚至低频的声波就 具有一定的吸声作用。 讨论参考选题 实际工程中如何应用声波的传输特性(反射、透射、折射及吸收)合理选择声学材料 声学材料在工程上的应用实例 新型吸声、隔声材料及结构 共振效应在吸声和隔声中的应用

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