吸声降噪技术：1 吸声的基本概念

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。

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。

（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。

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 表示。

式中：

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，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，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，通常把吸声系数的材料称为吸声材料。

（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。

（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：

式中：

平均吸声系数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：

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。

式中：