材料与结构的声学性能在线视频

下面我们给大家介绍第四节

材料与结构的声学性能

首先我们来看一下吸声材料和吸声结构

吸声系数α指的是吸收声占入射声的比例

它的吸声特性和声波的入射角有关系

如果是均匀方向进入的

我们称之为叫“无规入射”或者是“扩散入射”

室内声学设计里面通常用扩散入射吸声系数

但是在这个空调通风工程中

做消声器的设计的时候

我们通常采用垂直入射吸声系数

要注意 同一种材料和结构

对于不同的频率的声波是有不同的吸声系数的

我们工程上通常用125、250、500、

1000、2000、4000 Hz 这六个频率的吸声系数

来表示某一种材料和结构的吸声频率特性

当用来表征某个具体的吸声构件的

实际吸声效果的量的时候

我们用吸声量来表示

它和吸声构件的面积有关

就是A＝αS

这个S是吸声构件的围蔽面积

单位是m2

那么我们常见的吸声材料和结构

包括多孔吸声材料 共振吸声结构

和空间吸声体等等

多孔吸声材料里面

如果它有很多微孔 而且微孔之间相互连通

那么就可以实现

对声音的吸收多 反射少 吸声的效果就比较好

那么对应的是什么呢

就是纤维板 毛毡 矿棉等等

如果有微孔

但是微孔之间靠得很近 不连通

那么它的吸声效果其实不好

比如说泡沫树脂 多孔橡胶等等

怎么判断这种多孔材料

它的吸声效果好还是不好呢

最简单的方式就是把它们放到一盆水上面

如果几分钟后能吸水沉下去的

就代表它的微孔之间是连通的

那它就是比较好的吸声材料

除此之外

常见的吸声结构还有共振吸声结构

包括两种

就是用薄膜 薄板的共振吸声结构

和空腔穿孔板形成的共振吸声结构

我们后面会一一给大家介绍

那么吸声材料的吸声原理是什么呢

多孔吸声材料具有良好的吸声性能的原因

是因为多孔材料里面有大量内外连通的

微小的空隙和孔洞

当声波入射到多孔材料上

声波能顺着微孔进入材料内部

引起空隙中空气的振动

由于空气的粘滞阻力

空气与孔壁的摩擦和热传导作用等

会使得相当一部分声能转化为热能而被损耗掉

因此 只有孔洞对外开口

孔洞之间互相连通

且孔洞可以深入到材料的内部

这种多孔材料才可以实现有效地吸收声能

某些隔热保温材

比如说聚苯 或者说加气混凝土等

里面也有大量的气孔

但大部分都是单个闭合 互不连通的

因此虽然它们可以作为隔热保温材料

但是吸声效果却不好

当然 吸声材料容易透声

如图所示

光靠吸声材料是不能完全隔声的

如左下这个图所示

要在其后面安装隔声性能比较好的砖墙

才能起到良好的隔声效果

避免声音透过去

吸声材料的吸声性能和频率相关

由于高频声的波长非常小

就容易进入多孔材料的微孔之中而无法出来

因此多孔材料一般对中高频声波

具有良好的吸声效果

同学们可以自己去计算一下1000Hz以上的中高频率

它的对应的波长

我们来跟这个多孔材料的空隙尺寸做一下对比

下面这个左边的图展示了不同厚度和容重的

超细玻璃棉的吸声系数

从图中可以看出

随着厚度的增加

中低频吸声系数显著增加

但高频变化不大

厚度不变 增加容重

也可以提高中低频吸声系数

不过比增加厚度的效果要小

多孔材料的吸声性能

还跟我们的安装条件密切有关

右边这个图展示了

当多孔材料后面留有空隙的时候

就是这么一个空腔存在的时候

可以改善它对中低频的吸声性能

就比这个材料实贴在硬底面上

它的吸声性能会有所提高

物体在声波的激发下会发生振动

振动的结构和物体由于自身内部的摩擦

和与空气的摩擦

同样会把一部分动能转化为热能

从而把这个声能给消耗掉

产生吸声效果

在不透气的薄膜薄板和板壁之间

设计这么一个空气间层

那么我们就可以通过薄膜 薄板的振动来消耗声能

这张图展示的就是

通过把胶合板 硬质纤维板 石膏板 金属板等板材

它的周边固定在框架上

连同板后的封闭空气层

构成的一种振动消声系统

这种薄板结构的共振频率

多数是在80～300 Hz之间

主要是对低频噪声有效

同学们如果学过流体力学 可以计算一下

一般建筑中的风机的噪声

它的频率就是在这个范围内

因此也是我们这种薄膜薄板吸声结构

主要的应用场合

这个图里还给我们展示

如果在这样的一种薄膜薄板的内侧

填充了多孔吸声材料或者涂刷一些阻尼材料

还可增加板振动的阻尼损耗

对于低频噪声的吸声效果可以提高40%左右

另外一种通过振动消除噪声的构造为

空腔共振吸声结构

就是通过在结构中间封闭有一定体积的空腔

并设计一定深度的小孔和声场空间连通

那么它也可以实现比较好的吸声效果

这个原理就是

这样的一种共振结构在声波的激发下会产生振动

部分振动的能量同样转化为热能而损耗

产生同样的吸声效果

很显然 当这种共振吸声结构的共振频率

就是声波的频率和我的这个结构的频率完全相等时

这个能量会损耗的最高

也就是它的吸声效果最好

因此这种吸声结构主要是用在中低频

需要注意

我们要澄清一个概念 共振不等于共鸣

共鸣指的是什么呢

是乐器的一个共鸣

就是说把机械能通过激发物体振动

转化为声能的一个过程

此时如果共鸣腔的固有频率

和机械振动源的频率相近

它就可以尽可能地把较大份额的机械能

转化为声能

这是共鸣

而共振吸声是一个把声能转化为机械能的一个过程

正好相反

最终转化为热能

它的动力源是来自于声能

但是它的能量的等级远远的小于共鸣

所谓的空腔共振器指的是

空腔孔颈空气柱由于共振而激烈运动

消耗了能量

这几个腔内的空气 就相当于一个一个的弹簧

起到了缓冲作用

当这个孔的深度L和孔的直径d比声波波长小得多的时候

孔颈中的空气柱就可以看成是一个质量块

封闭空腔V的体积比孔颈大得多

它就相当于是一系列的空气弹簧的作用

那么整个系统就类似于一个

可以减缓空气中的噪声声能的一个弹簧振子

很显然 当外界的入射声的频率f

和这样的一个系统固有频率f0相等的时候

孔颈中的空气柱 就由于共振而产生剧烈振动

通过在振动中

实现空气柱和孔颈侧壁摩擦而消耗声能

单独的空腔共振器在共振频率附近吸声系数较大

而共振频率以外的频段

它的吸声系数下降很快

这边的图就可以看到

不同深度 不同空腔数量的空腔共振器

它的吸声效果

大家可以对比看一下

这里还展示了各种穿孔板 狭缝板相结合

通过在背后设置空气层形成吸声结构

右图给出几种穿孔板与墙间空腔

形成共振腔的构造形式

那么我们常用的有穿孔的石膏板 胶合板 钢板 铝板等

还有一种特殊的吸声结构是空间吸声体

当室内的吸声材料

表面积不足以吸收噪声的时候

我们就可以考虑用空间吸声体的方式

来解决这个问题

比如说在水泵房 空间很有限

或者在食堂 或者是大型的报告厅里面

我们就可以设置这么一些空间吸声体

它的方法就是把前面提到的吸声材料和结构

做成放置在建筑空间内的吸声体

通过这些空间吸声体

可以保证有两个或两个以上的面与声波接触

加大整个空间有效的吸声面积

例如 我们可以根据使用场合的具体条件

设计成各种形状

包括平板的 包括这种锥形的 或者是球形的

或者是其他的不规则的形状

反正目的就是为了增加它的吸声面积

下面这张图也给出了几种空间吸声体的示例

和它对应的吸声性能曲线

可以看出

主要也是对较高频的噪声更有效

这说明它主要起作用的也还是这个多孔吸声材料

下面介绍一下隔声

建筑围护结构

会隔绝一部分作用于它的声能

如果隔绝的是外部空间声场的声能

我们就称之为“空气声隔绝”

如果是使撞击的能量

辐射到建筑空间中的声能有所减少

那么我们就称之为“固体声或者是撞击声隔绝”

这个和隔振的概念是不同的

因为前者接受到的是空气声

后者接受者感受到的是固体振动

还是不一样

下面两张图给出了

玻璃窗和密封窗的隔声性能曲线

从左图可以看出

双层窗比单层窗的隔声性能好

空气间层越大

隔声性能相对越好

另外 从右图可以看出

随着玻璃厚度的增加

隔声性能也是显著提升

另外总体来看

玻璃窗对1000赫兹以上的高频噪声

它的隔声效果更加好

这张ppt汇总了不同类型的隔声构件的

隔声量的情况

从这张图可以看出

随着玻璃窗的厚度越厚

质量越重 空气间层越大

它的隔声性能就会显著提升

例如 从6mm厚的玻璃变为12mm厚的玻璃

它的隔声量可以增加4dB

而对于6mm的玻璃

如果增加一个200mm的一个空气间层

隔声量可以提升15dB左右

这些可以作为我们在实际工程中

改进隔声量的一个参考

事实上 围护结构的隔声

特别是户间噪声的隔绝

遵循着一个质量定律

就是单层匀质的密实墙的隔声性能

和入射的声波频率有关

但墙本身的单位面积质量也非常关键

这里给出了一个公式

用于计算隔声构件它的隔声量

就等于是隔声量R=20lgm+20lgf-43

其中的m是墙体的单位面积质量

单位是kg/m2

ρ0是空气的密度 可以取1.18 kg/m3

C是空气中的声速 取344 m/s

这个公式告诉我们

墙的单位面积质量越大

隔声效果越好

单位面积质量每增加一倍

隔声量增加6dB

同时还可以看出

入射声频率每增加一倍

隔声量也增加6dB

因此 对于轻质填充墙

它要提升隔声量

就得采用双层或者是复合的结构来提升隔声效果

例如酒店里面

经常用轻质石膏板双层复合结构

来改善两个客房之间的隔声量

用它来作为一个房间之间的隔墙

如果两层墙中间留有空气间层

可以认为是两个墙板相联的一个“弹簧”

由于空气间层的弹性变形所具有的减振作用

那么传递给第二层墙体的振动 就可以大为减弱

从而提高了墙体总的隔声量

这张图给大家给出了

不同空气间层厚度的隔声量效果

图中阴影部分是其隔声量的改变情况

可以看出

空气间层厚度增加之后

附加隔声量也相应增加

但是空气间层厚度到达10cm之后

我们继续增加空气间层的厚度

它的附加隔声量反而下降了

原因是太长的“弹簧”减振作用会变弱

也就是空气间层存在着一个最佳厚度

但是需要注意的是

墙上不能有孔洞

否则就会类似于热桥

效果一样

产生一个这种声桥效应

它的隔声性能会突然下降

这张图给出了当墙上存在小孔的时候

由于衍射作用的存在

隔声量显著下降的情况

从这个图里面可以看出

孔径相对波长越大

衍射作用越强

隔声量下降越明显

对于图中6条曲线

波长越大

对于高频噪声的隔声量

下降更为明显

比如说8cm的孔径

在对于高频2000赫兹

波长为11.7cm的情况

它的隔声量的下降最为明显

因此我们一般的住宅里面

如果不装室外分体空调

一定要记得把墙上的洞给堵住

要不然室外的交通噪声

很难把它给杜绝