吸声降噪技术:1 吸声的基本概念

吸声和吸声材料

吸声是声波在媒质中传播引起的声能衰减现象。声波在空气中传播时,由于空气质点振动所产生的摩擦作用,使声能被转化为热能而损耗,引起声波随传播距离的增加而逐渐衰减,这种现象称为空气吸声。当声波入射到材料表面时,有一部分声能被材料吸收,从而引起声能的降低,这种现象称为材料吸声。任何材料或结构对入射的声波都有一定程度的吸收作用,具有较大吸声效果的材料或结构称为吸声材料(或结构)。

通过吸声材料或吸收结构将声能吸收,从而降低噪声的能量是噪声控制的重要途径之一。同时,吸收材料(或结构)在控制室内声环境的舒适性以及音质上也有着广泛的应用。吸声材料(或结构)的类别和形式多种多样,并且随着技术的进步,新的材料不断涌现,以满足越来越全面的应用要求。吸声材料(或结构)虽然形式众多,但如果按其吸声机理来分类,可以分成多孔性吸声材料和共振吸声结构两大类。

由于多孔性吸声材料吸声机理表现类似于电路中的电阻,是将声能转化为热能,因此又叫阻性(Resistive)吸声材料;共振吸声结构的吸声机理表现类似于电路中的电抗,因此又叫抗性(Reactive)吸声结构(在声学原理中用一个叫“电-力-声”类比的分析方法,通过建立声学器件与电路器件的类比关系,就可以用电路分析的原理来分析声学问题)。另外,多孔性吸声材料本身就具有吸声性能,因此我们可以称其为多孔性吸声材料;而抗性吸声结构是由某种材料(如穿孔板)构成为一个结构后(例如房间顶一定距离按装的吊顶板)才具有吸声性能,因此准确地应该称为抗性吸声结构,而不是抗性吸声材料,因为在没有形成结构前,穿孔板本身是不吸声的。


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1.1 多孔性吸声材料

多孔性吸声材料的内部有许多微小细孔直通材料表面,或其内部有许多相互贯通的气泡,具有一定的通气性能。凡在结构上具有以上特征的材料都归类为多孔吸声材料。多孔性吸声材料的种类很多,常见可分为如表1所示的几种类型。


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(图1 一些吸声材料的图示)

1.2 共振吸声结构

当吸声结构系统的自振频率与声波频率一致时,由于共振作用,声波激发吸声结构产生振动,并使其振幅达到最大,从而消耗声能,达到吸声的目的,这种吸声结构称为共振吸声结构。由于构成共振吸声结构的材料本身(如穿孔板)吸声一般较小,其吸声主要是材料构成特殊结构后产生的,因此通常称其为共振吸声结构,而不称共振吸声材料。

1.3 特殊吸声结构和复合吸声结构

除以上两种类型外,有时还将空间吸声体、复合共振吸声结构、吸声尖劈等归类为特殊吸声结构。但从其材料特征和吸声原理上来看,特殊吸声结构仍然是多孔性吸声材料或共振吸声结构,或者是将两者组合起来形成复合吸声结构。


吸声性能的评价

吸声材料或吸声结构的吸声能力采用吸声系数来描述。

2.1 吸声系数的定义

吸声系数定义为材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比,用符号640.webp.jpg 表示。

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式中:

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吸声系数是评定材料吸声作用的主要指标,吸声系数越大,材料的吸声性能越好;反之,吸声系数越小,材料的吸声性能越差。声波入射到毫无反射的材料表面时,入射声能几乎全部被材料吸声,这时反射声能为零,吸声系数640.png,该材料称为全吸收材料。如果声波入射到坚硬光滑的材料表面,声波几乎全部被反射,即几乎不存在吸收,吸声系数640 (1).png,如粉光的混凝土、大理石和花岗岩等。在建造半消声室营造自由场测量环境时,就要求墙面为全吸收材料,地面为全反射材料。一般材料(或结构)的吸声系数介于0~1之间,通常把吸声系数640 (2).png的材料称为吸声材料。

2.2 吸声系数的特征

吸声系数与声波的频率以及入射声波的方向有关。

吸声系数可以表示为频率的函数。图2中给出了多孔性(阻性)吸声材料和共振(抗性)吸声结构的典型吸声频谱曲线。多孔性吸声材料的吸声性能一般在低频段比较小,随着频率的增高,吸声系数逐渐增大,在中高频段获得比较高的吸声;共振吸声结构的吸声性能在共振频率附近比较好,偏离共振频率点以后吸声性能逐渐减小。

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(图2 吸声系数的频谱特征)


根据多孔性吸声材料和共振吸声结构吸声性能的频谱特点,在噪声控制工程中,常根据噪声不同的频率特点选用相应的吸声材料或结构,有时将两种结构组合起来,可以弥补多孔性吸声材料在低频段吸声的不足,获得宽频带的吸声效果。图3中给出阻性吸声材料和抗性吸声结构的组合,通过较小的材料结构厚度形成相当于很厚的阻性材料的宽频吸声性能的原理,这也是降低吸声结构厚度的有效途径。

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(图3 阻性和抗性组合成宽频复合吸声结构)

吸声系数除了与声波的频率有关外,还与声波的入射方向有关。声波入射到材料表面的方向,可分为如图4所示的正入射、斜入射和无规入射三种形式,其中正入射又称为法向(垂直)入射。因此,根据声波的入射角度不同,吸声系数可分为法向(垂直)入射吸声系数、斜入射吸声系数和无规入射吸声系数。

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(图4 声波入射到材料表面的方向)


2.3 吸声性能的单值评价量

材料的吸声系数不仅和声波的入射方向有关,而且还和频率有关,不同频率的吸声系数不一样(如图2所示)。在相关材料吸声性能测量规范中规定的吸声系数的测试频率范围为:1/1倍频程从125~4000Hz共6个频带;1/3倍频程从100~5000Hz有18个频带。吸声系数的频谱描述更完整地反映了材料的吸声性能,而且也是声学工程设计计算所需要的。但过多的数据不便于一般使用和比较。因此,经常采用吸声系数的单值量来标示材料的吸声性能参数。常用的单值评价量有平均吸声系数和降噪系数NRC两种。

①. 平均吸声系数

对所有测量频带的吸声系数取算术平均,得到的结果被称为平均吸声系数。对于1/1倍频程的测量频带,平均吸声系数为125~4000Hz的6个倍频程上吸声系数的算术平均值,如下式:

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式中:

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平均吸声系数1 (5).png是对材料吸声性能的一个单值评价量,虽然它不能真实全面反映材料的吸声性能,但对一般工程人员和日常使用来说简单易记便于比较,有一定的实用意义。

②. 降噪系数

降噪系数和平均吸声系数一样,也是材料吸声性能的一个单值评价量,它比平均吸声系数更加简化。定义为倍频程中心频率250Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz四个倍频带吸声系数的算术平均值,通常用符号NRC(Noise Reduction Coefficient)表示,用公式表示为:

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在对材料吸声性能进行单值评价时,一般均采用降噪系数NRC。如ASTM(美国材料测试协会),我国国标还以降噪系数的大小对材料的吸声性能进行分级。因此降噪系数NRC比平均吸声系数1 (6).png使用更加广泛。

需要特别提醒的是,以上对平均吸声系数以及降噪系数NRC的定义基于倍频程频率计算,而目前在实际测量中常常采用1/3倍频程频带测量,这样就有个如何正确从1/3倍频程吸声系数计算这两个单值评价量的问题。

我们知道,3个1/3倍频程频带合成为1个倍频程,那么在用1/3倍频程的频谱吸声系数计算平均吸声系数和降噪系数的时候,对于平均吸声系数计算平均的频率范围为100Hz~5000Hz的1/3倍频程频带范围;对于降噪系数NRC,计算的频率范围应该是200Hz~2500Hz的1/3倍频程频带范围。

典型的错误算法是:通过125Hz~4000Hz的1/3倍频程平均给出平均吸声系数,通过250Hz~2000Hz的1/3倍频程平均给出降噪系数NRC,甚至有的直接将125、250、500、1000、2000、4000Hz这6个1/3倍频程吸声系数平均获得平均吸声系数,用250、500、1000、2000Hz这4个1/3倍频程吸声系数平均获得降噪系数NRC。在阅读了本技术分享后,大家可以关注国内一些测量机构的测试报告,核对一下报告中有没有计算错误。

③. 吸声量

吸声系数反映单位面积吸声材料的吸声能力。材料实际吸收声能的多少,除了与材料的吸声系数有关外,还与材料表面积大小有关。吸声系数乘以相应的材料面积,即为材料的吸声量,符号为A,单位为m2,用公式表示:

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式中:

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如果在一个房间内布置有几种不同吸声系数和面积的材料时,房间内的总吸声量可表示为:

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式中:

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在这种情况下,人们还常常用平均吸声系数来评价整个房间的吸声特性,(房间) 平均吸声系数的定义为不同表面吸声系数的面积加权平均,用公式表示为:


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需要注意的是,公式(2)和公式(6)定义的平均吸声系数是完全不同的两个概念。公式(2)定义的是吸声系数的在频率上的算术平均,而公式(6)定义的是吸声系数在房间表面积上的加权平均。

参考文献

1. 毛东兴,洪宗辉 主编. 环境噪声控制工程(第二版),普通高等教育“十一五”国家级规划教材,北京:高等教育出版社,2010年1月

2. 钟祥璋. 建筑吸声材料与隔声材料(第2版), 北京:化学工业出版社, 2012年5月


文章分类: 声学
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