吸聲材料

吸聲材料

吸聲材料要與周圍的傳聲介質的聲特徵阻抗匹配,使聲能無反射地進入吸聲材料,並使入射聲能絕大部分被吸收。

借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而對入射聲能具有吸收作用的材料,超聲學檢查設備的元件之一。

  • 中文名稱
    吸聲材料
  • 解釋
    對入射聲能有吸收作用的材料
  • 要求
    防火、防潮、防蛀、強度、面板、建築內部裝修
  • 材料
    較強的吸收聲能、減低噪聲性能的材料

基本介紹

對入射聲能有吸收作用的材料。吸聲材料主要用于控製和調整室內的混響時間,消除回聲,以改善室內的聽聞條件;用于降低喧鬧場所的噪聲,以改善生活環境和勞動條件(見吸聲降噪);還廣泛用于降低通風空調通路的噪聲。吸聲材料按其物理性能和吸聲方式可分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結構兩大類。後者包括單個共振器、穿孔板共振吸聲結構、薄板吸聲結構和柔順材料等。

吸聲材料吸聲材料

選用吸聲材料,首先應從吸聲特徵方面來確定合乎要求的材料,同時還要結合防火、防潮、防蛀、強度、面板、建築內部裝修等要求,綜合考慮進行選擇。

吸聲系數

材料的吸聲性能常用吸聲系數 妶表示。入射到材料表面的聲波,一部分被反射,一部分透入材料內部而被吸收。被材料吸收的聲能與入射聲能的比值,稱為吸聲系數。對于全反射面,妶=0;對于全吸收面,妶=1;一般材料的吸聲系數在0~1之間。材料吸聲系數的大小與聲波入射角有關,隨入射聲波的頻率而異。以頻率為橫坐標,吸聲系數為縱坐標繪出的曲線,稱為材料吸聲頻譜。它反映了材料對不同頻率聲波的吸收特徵。測定吸聲系數通常採用混響室法和駐波管法。混響室法測得的為聲波無規則入射時的吸聲系數,它的測量條件比較接近實際聲場,因此常用此法測得的資料作為實際設計的依據。駐波管法測得的是聲波垂直入射時的吸聲系數,通常用于產品質量控製、檢驗和吸聲材料的研製分析。混響室法測得的吸聲系數,一般高于駐波管法。

多孔性吸聲材料

這類材料的物理結構特征是材料內部有大量的、互相貫通的、向外敞開的微孔,即材料具有一定的透氣性。工程上廣泛使用的有纖維材料和灰泥材料兩大類。前者包括玻璃和礦渣棉或以此類材料為主要原料製成的各種吸聲板材或吸聲構件等;後者包括微孔磚和顆粒性礦渣吸聲磚等。

吸聲機理和頻譜特徵多孔吸聲材料的吸聲機理是當聲波入射到多孔材料時,引起孔隙中的空氣振動。由于摩擦和空氣的粘滯阻力,使一部分聲能轉變成熱能;此外,孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導,也會引起熱損失,使聲能衰減。

多孔材料的吸聲系數隨聲頻率的增高而增大,吸聲頻譜曲線由低頻向高頻逐步升高,並出現不同程度的起伏,隨著頻率的升高,起伏幅度逐步縮小,趨向一個緩慢變化的數值。

影響多孔材料吸聲性能的因素

影響多孔材料吸聲性能的參數主要有:①流阻,它是在穩定的氣流狀態下,吸聲材料中的壓力梯度與氣流線速度之比。當厚度不大時,低流阻材料的低頻吸聲系數很小,在中、高頻段,吸聲頻譜曲線以比較大的斜率上升,高頻的吸聲性能比較好。增大材料的流阻,中、低頻吸聲系數有所提高;繼續加大材料的流阻,材料從高頻段到中頻段的吸聲系數將明顯下降,此時,吸聲性能變劣。所以,對一定厚度的多孔材料,有一個相應適宜的流阻值,過高和過低的流阻值,都無法使材料具有良好的吸聲性能。②孔隙率,指材料中連通的孔隙體積與材料整體積之比,多孔吸聲材料的孔隙率一般在70%以上,多數達90%。③結構因數,材料中間隙的排列是雜亂無章的,但在理論上往往採用毛細管沿厚度方向縱向排列的模型,所以,對具體的多孔材料必須引進結構因數加以修正。多孔材料結構因數,一般在2~10之間,也有高達20~25的。在低頻範圍內,結構因數基本不起作用,這是因為在這個範圍內,空氣慣性的影響很小,而彈性起主要作用。當材料流阻比較小時,若增大結構因數,在高、中頻範圍內,可以看到吸聲系數的周期性變化。

在吸聲理論中,用流阻、孔隙率、結構因數來確定材料的吸聲特徵,而在實際套用上,通常是以材料厚度、容重(重量/體積)來反映其結構狀態和確定其吸聲特徵。增加材料的厚度,可提高低、中頻吸聲系數,但對高頻吸收的影響很小。如果在吸聲材料和剛性牆面之間留出空間,可以增加材料的有效厚度,提高對低頻的吸聲能力。由于材料流阻和容重往往存在著對應關系,因此在工程套用上往往通過調整材料的容重以控製材料的流阻。容重對材料吸聲性能的影響是復雜的,但是厚度的變化比起容重的變化對材料吸聲性能的影響要大,也就是厚度的影響是第一位的,而容重的影響則是第二位的。

此外,材料的表面處理、安裝和布置方式以及溫度濕度等對材料吸聲性能也有影響。

共振吸聲結構

由于多孔性材料的低頻吸聲性能差,為解決中、低頻吸聲問題,往往採用共振吸聲結構,其吸聲頻譜以共振頻率為中心出現吸收峰,當遠離共振頻率時,吸聲系數就很低。在實際套用上,共振吸聲結構有以下幾種基本類型:

單個共振器是一個有頸口的密閉容器,相當于一個彈簧振子系統,容器內空氣相當于彈簧,而進口空氣相當于和彈簧連結的物體。當入射聲波的頻率和這個系統的固有頻率一致時,共振器孔頸處的空氣柱就激烈振動,孔頸部分的空氣與頸壁摩擦阻尼,將聲能轉變為熱能,它的共振頻率f0(赫)可由下式求得:

吸聲材料吸聲材料

式中V為共振器空腔體積(米);L為頸的實際長度(米);r為頸口半徑(米);c為聲速(米/秒)。

穿孔板吸聲結構在打孔的薄板後面設定一定深度的密閉空腔,組成穿孔板吸聲結構,這是經常使用的一種吸聲結構,相當于單個共振器的並聯組合。當入射聲波頻率和這一系統的固有頻率一致時,穿孔部分的空氣就激烈振動,加強了吸收效應,出現吸收峰,使聲能衰減。穿孔板的共振頻率f0(赫)為:

吸聲材料吸聲材料

式中c為聲速(米/秒);L為穿孔板的厚度(米);r為孔半徑(米);h為板後空氣層厚度(米);P為穿孔率(孔面積與總面積之比)。通常穿孔率超過20%,穿孔板將不起共振吸聲作用。

穿孔板共振吸聲頻帶比較窄,在穿孔板後面加上一層多孔材料紡織品,可以加寬吸收峰的寬度;同時使用幾種共振峰互相銜接的穿孔板,也可以得到較寬的吸聲頻帶。如果將孔徑縮小到1毫米以下,板厚在1毫米以下,穿孔率1~3%,則穿孔板與板後空腔可組成微穿孔板吸聲結構。由于它比穿孔板聲阻大,質量小,因而在吸聲系數和吸聲頻寬方面都高于穿孔板。

薄板吸聲結構在薄板後設定空氣層,就成為薄板共振吸聲結構。當聲波入射時,激發系統的振動,由于板的內部摩擦,使振動能量轉化為熱能。當入射聲波頻率與系統的固有頻率一致時,即產生共振,在共振頻率處出現吸收峰。其共振頻率f0(赫)為:

吸聲材料吸聲材料

式中m為板單位面密度(千克/米);h為板後空氣層厚度(米);ρ空氣密度(千克/米);c為聲速(米/秒)。從式內可以看出,增加板的單位面密度或空腔深度時,吸聲峰就移向低頻。在空腔內沿龍骨處設定多孔吸聲材料,在薄板邊緣與龍骨連線處放置毛氈或海綿條,以增加結構的阻尼特徵,可以提高吸聲系數和加寬吸聲頻帶。

柔順材料是內部有許多微小的、互不貫通的獨立氣泡,沒有通氣性能,在一定程度上具有彈性的吸聲材料。當聲波入射到材料上時,激發材料作整體振動,為克服材料內部的摩擦而消耗了聲能。它的吸聲頻率特徵是高頻聲吸收系數很低,中、低頻的吸聲系數類似共振吸收,但無顯著的共振吸收峰而呈復雜的起伏狀態。

吸聲機理

吸聲材料按吸聲機理分為:

吸聲材料吸聲材料

①靠從表面至內吸聲材料

部許多細小的敞開孔道使聲波衰減的多孔材料,以吸收中高頻聲波為主,有纖維狀聚集組織的各種有機或無機纖維及其製品以及多孔結構的開孔型泡沫塑膠和膨脹珍珠岩製品。

②靠共振作用吸聲的柔性材料(如閉孔型泡沫塑膠,吸收中頻)、膜狀材料(如塑膠膜或布、帆布、漆布和人造革,吸收低中頻)、板狀材料(如膠合板、硬質纖維板、石棉水泥板和石膏板,吸收低頻)和穿孔板(各種板狀材料或金屬板上打孔而製得,吸收中頻)。以上材料復合使用,可擴大吸聲範圍,提高吸聲系數。用裝飾吸聲板貼壁或吊頂,多孔材料和穿孔板或膜狀材料組合裝于牆面,甚至採用浮雲式懸掛,都可改善室內音質,控製噪聲。多孔材料除吸收空氣聲外,還能減弱固體聲和空室氣聲所引起的振動。將多孔材料填入各種板狀材料組成的復合結構內,可提高隔聲能力並減輕結構重量。

對入射聲能有吸收作用的材料。吸聲材料主要用于控製和調整室內的混響時間,消除回聲,以改善室內的聽聞條件;用于降低喧鬧場所的噪聲,以改善生活環境和勞動條件(見吸聲降噪);還廣泛用于降低通風空調通路的噪聲。吸聲材料按其物理性能和吸聲方式可分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結構兩大類。後者包括單個共振器、穿孔板共振吸聲結構、薄板吸聲結構和柔順材料等。

材料選用

選用吸聲材料,首先應從吸聲特徵方面來確定合乎要求的材料,同時還要結合防火、防潮、防蛀、強度、面板、建築內部裝修等要求,綜合考慮進行選擇。

吸聲原理

聲音源于物體的振動,它引起鄰近空氣的振動而形成聲波,並在空氣介質中向四周傳播。

當聲音傳入構件材料表面時,聲能一部分被反射,一部分穿透材料,還有一部由于構件材料的振動或聲音在其中傳播時與周圍介質摩擦,由聲能轉化成熱能,聲能被損耗,即通常所說聲音被材料吸收。

吸聲系數

吸聲材料吸聲材料

材料的吸聲性能常用吸聲系數妶表示。入射到材料表面的聲波,一部分被反射,一部分透入材料內部而被吸收。被材料吸收的聲能與入射聲能的比值,稱為吸聲系數。對于全反射面,妶=0;對于全吸收面,妶=1;一般材料的吸聲系數在0~1之間。材料吸聲系數的大小與聲波的入射角有關,隨入射聲波的頻率而異。以頻率為橫坐標,吸聲系數為縱坐標繪出的曲線,稱為材料吸聲頻譜。它反映了材料對不同頻率聲波的吸收特徵。測定吸聲系數通常採用混響室法和駐波管法。混響室法測得的為聲波無規則入射時的吸聲系數,它的測量條件比較接近實際聲場,因此常用此法測得的資料作為實際設計的依據。駐波管法測得的是聲波垂直入射時的吸聲系數,通常用于產品質量控製、檢驗和吸聲材料的研製分析。混響室法測得的吸聲系數,一般高于駐波管法。

多孔材料

這類材料的物理結構特征是材料內部有大量的、互相貫通的、向外敞開的微孔,即材料具有一定的透氣性。工程上廣泛使用的有纖維材料和灰泥材料兩大類。前者包括玻璃棉和礦渣棉或以此類材料為主要原料製成的各種吸聲板材或吸聲構件等;後者包括微孔磚和顆粒性礦渣吸聲磚等。

吸聲機理和頻譜特徵多孔吸聲材料的吸聲機理是當聲波入射到多孔材料時,引起孔隙中的空氣振動。由于摩擦和空氣的粘滯阻力,使一部分聲能轉變成熱能;此外,孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導,也會引起熱損失,使聲能衰減。

多孔材料的吸聲系數隨聲頻率的增高而增大,吸聲頻譜曲線由低頻向高頻逐步升高,並出現不同程度的起伏,隨著頻率的升高,起伏幅度逐步縮小,趨向一個緩慢變化的數值。

影響多孔材料吸聲性能的因素影響多孔材料吸聲性能的參數主要有:①流阻,它是在穩定的氣流狀態下,吸聲材料中的壓力梯度與氣流線速度之比。當厚度不大時,低流阻材料的低頻吸聲系數很小,在中、高頻段,吸聲頻譜曲線以比較大的斜率上升,高頻的吸聲性能比較好。增大材料的流阻,中、低頻吸聲系數有所提高;繼續加大材料的流阻,材料從高頻段到中頻段的吸聲系數將明顯下降,此時,吸聲性能變劣。所以,對一定厚度的多孔材料,有一個相應適宜的流阻值,過高和過低的流阻值,都無法使材料具有良好的吸聲性能。②孔隙率,指材料中連通的孔隙體積與材料整體積之比,多孔吸聲材料的孔隙率一般在70%以上,多數達90%。③結構因數,材料中間隙的排列是雜亂無章的,但在理論上往往採用毛細管沿厚度方向縱向排列的模型,所以,對具體的多孔材料必須引進結構因數加以修正。多孔材料結構因數,一般在2~10之間,也有高達20~25的。在低頻範圍內,結構因數基本不起作用,這是因為在這個範圍內,空氣慣性的影響很小,而彈性起主要作用。當材料流阻比較小時,若增大結構因數,在高、中頻範圍內,可以看到吸聲系數的周期性變化。

在吸聲理論中,用流阻、孔隙率、結構因數來確定材料的吸聲特徵,而在實際套用上,通常是以材料厚度、容重(重量/體積)來反映其結構狀態和確定其吸聲特徵。增加材料的厚度,可提高低、中頻吸聲系數,但對高頻吸收的影響很小。如果在吸聲材料和剛性牆面之間留出空間,可以增加材料的有效厚度,提高對低頻的吸聲能力。由于材料流阻和容重往往存在著對應關系,因此在工程套用上往往通過調整材料的容重以控製材料的流阻。容重對材料吸聲性能的影響是復雜的,但是厚度的變化比起容重的變化對材料吸聲性能的影響要大,也就是厚度的影響是第一位的,而容重的影響則是第二位的。

此外,材料的表面處理、安裝和布置方式以及溫度、濕度等對材料吸聲性能也有影響。

共振吸聲

由于多孔性材料的低頻吸聲性能差,為解決中、低頻吸聲問題,往往採用共振吸聲結構,其吸聲頻譜以共振頻率為中心出現吸收峰,當遠離共振頻率時,吸聲系數就很低。在實際套用上,共振吸聲結構有以下幾種基本類型:

單個共振

是一個有頸口的密閉容器,相當于一個彈簧振子系統,容器內空氣相當于彈簧,而進口空氣相當于和彈簧連結的物體。當入射聲波的頻率和這個系統的固有頻率一致時,共振器孔頸處的空氣柱就激烈振動,孔頸部分的空氣與頸壁摩擦阻尼,將聲能轉變為熱能,它的共振頻率f0(赫)可由下式求得:

式中V為共振器空腔體積(米);L為頸的實際長度(米);r為頸口半徑(米);c為聲速(米/秒)。

穿孔板吸聲結構在打孔的薄板後面設定一定深度的密閉空腔,組成穿孔板吸聲結構,這是經常使用的一種吸聲結構,相當于單個共振器的並聯組合。當入射聲波頻率和這一系統的固有頻率一致時,穿孔部分的空氣就激烈振動,加強了吸收效應,出現吸收峰,使聲能衰減。穿孔板的共振頻率f0(赫)為:

式中c為聲速(米/秒);L為穿孔板的厚度(米);r為孔半徑(米);h為板後空氣層厚度(米);P為穿孔率(孔面積與總面積之比)。通常穿孔率超過20%,穿孔板將不起共振吸聲作用。

穿孔板共振吸聲頻帶比較窄,在穿孔板後面加上一層多孔材料或紡織品,可以加寬吸收峰的寬度;同時使用幾種共振峰互相銜接的穿孔板,也可以得到較寬的吸聲頻帶。如果將孔徑縮小到1毫米以下,板厚在1毫米以下,穿孔率1~3%,則穿孔板與板後空腔可組成微穿孔板吸聲結構。由于它比穿孔板聲阻大,質量小,因而在吸聲系數和吸聲頻寬方面都高于穿孔板。

薄板吸聲結構在薄板後設定空氣層,就成為薄板共振吸聲結構。當聲波入射時,激發系統的振動,由于板的內部摩擦,使振動能量轉化為熱能。當入射聲波頻率與系統的固有頻率一致時,即產生共振,在共振頻率處出現吸收峰。其共振頻率f0(赫)為:

式中m為板單位面密度(千克/米);h為板後空氣層厚度(米);ρ為空氣密度(千克/米);c為聲速(米/秒)。從式內可以看出,增加板的單位面密度或空腔深度時,吸聲峰就移向低頻。在空腔內沿龍骨處設定多孔吸聲材料,在薄板邊緣與龍骨連線處放置毛氈或海綿條,以增加結構的阻尼特徵,可以提高吸聲系數和加寬吸聲頻帶。

柔順材料

是內部有許多微小的、互不貫通的獨立氣泡,沒有通氣性能,在一定程度上具有彈性的吸聲材料。當聲波入射到材料上時,激發材料作整體振動,為克服材料內部的摩擦而消耗了聲能。它的吸聲頻率特徵是高頻聲吸收系數很低,中、低頻的吸聲系數類似共振吸收,但無顯著的共振吸收峰而呈復雜的起伏狀態。

相關詞條

其它詞條