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发表于 2010-4-11
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多孔性吸声材料有一个基本吸声特性,即低频吸声差,高频吸声好。定性的吸声频率特性见图1。频率高到一定值附近,见图1中f0,吸声系数 α 达到最大值,频率继续增大时,吸声系数在高端有些波动。这个f0的位置,大体上是f0对应的波长为材料厚度t的4倍当材料厚度增加时,可以改善低频的吸声特性。低频吸声系数的频率特性向低频移一个倍频程。但并非可以一直增加厚度来提高低频吸声系数的,因为声波在材料的空隙中传播时有阻尼,使增加厚度来改善低频吸声受到限制。
不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一类好的吸声材料,一般用125px左右的厚度,很少用到250px以上。而像纤维板一类较微密的材料,其材料纤维间空隙非常小,声波传播的阻尼非常大,不仅吸声系数小,而且有效厚度也非常小。
一般平板状吸声材料的低频吸声性能差是普遍规律。一种改进的方法是将整块的吸声材料切割成尖劈形状,当声波传播到尖劈状材料时,从尖部到基部,空气与材料的比例逐渐变化,也即声阻抗逐渐变化,声波传播就超出平板状材料有效厚度的限制,达到材料的基部,从而可改善低频吸声性能。吸声频率特性仍与图1相似,最大吸声系数的频率f0对应的波长大约为尖劈吸声结构长度t的4倍。例如要使100hz以上频率都有很高的吸声系数,吸声尖劈的长度约为2175px左右。当然这样的吸声结构一般不宜用于室内装修,主要用于声学实验室或特殊的噪声控制工程。
3.共振吸声结构
利用不同的共振吸声机理,设计各种类型的共振吸声结构,使吸收峰值选择在所需频率位置,满足不同频率吸声量的要求,特别是解决低频吸声量不足的问题。
3.1 薄层多孔性吸声材料的共振吸声
薄层多孔性吸声材料也包括各种透气的织物,如棉、麻、丝、绒、人造纤维等织物。如图3a,将材料挂在刚性面前距离d处,则当d=1/4(2n+1) λ (1)时, λ 是空气中声波波长,n为正整数,织物处于刚性面前驻波的声压波节
位置,那里声波的质点振动速度最大,使在织物中消耗最大的声能,形成共振吸声。在(1)式中n分别等于0、1、2……时,对应的共振吸声频率fn为:fn=(2n+1)/4.co/d (2) 式中co为空气中声波传播速度,一般以340m/s计算。
例如,当织物与刚性壁距离为850px时,n=0对应的最低共振频率f0=250hz,n=1对应的f1=750hz,n=2对应的f2=1250hz……。其共振吸声的频率特性见图3b。吸声峰值与织物性能有关,一般都比较大,但共振吸声峰的宽度不大,在实际使用中往往将帘子增大折皱悬挂,即连续改变织物与刚性面的距离,并在不同距离处悬挂不止一层织物,以改善吸声频率特性。此外,将厚度为d的玻璃棉一类材料离刚性面d处安装,见图4,则(1)式中的d→变成为d→(d+t)连续变化,即有许多共振吸声频率,而最低共振频率为f0=c0/4(d+t)。
3.2 薄膜共振吸声结构
如果刚性面前d处有一层不透气的膜,见图5,膜的单位面积质量为m,则膜与厚度为d的空气层构成质量 —— 弹簧的共振系统,其共振频率为:
fr=co/2 π √ ρ o/md ( 3)
式中 ρo 为空气密度。例如在 “ 软包 ” 外表面蒙上不透气的膜,则包在里面的多孔性吸声材料就不能发挥原有的吸声功能,而首先是膜的共振吸声并通过膜振动传入材料内的吸声作用,而此膜振动又受到材料的阻尼抑制,吸声效能受到限制。如果蒙皮用人造革一类质量较大的材料,如有的剧院中的座椅,那种吸声性能就更差了。
3.3 薄板共振吸声结构
薄板是两维的振动系统,其共振频率除了与板的物理常数和几何尺寸有关外,还和它的边缘固定状况有关。如果一块边长为la、lb的矩形板,厚度为h,四边都被牢固地钳定,它的共振频率fm,n为:
fm,n= π/2[eh2/12ρ(1-σ2)]1/2.[m2/1n2+n2/1b2]1/2 (4)
式中e、 ρ 、 σ 分别为板的杨氏模量、密度和泊松比,m、n为正整数。当n=0、m=1时,得到最低的共振频率(设la>lb)。如果板为玻璃,将玻璃的物理常数代入:
fm,n=2.5×10h3(m2/1n2+n2/1b2)1/2 (5)
式中长度单位为米。例如长1250px、宽1000px、厚4mm的玻璃窗,四边固定,则(m,n)为(1,0)的最低共振频率为20hz,(m,n)为(0,1)的共振频率为25hz,(m,n)为(1,1)的共振频率为32hz。随着(m,n)渐次增大,共振频率越来越大(间隔也越来越密),在这些频率上有较大的声吸收和声透射。
在室内装修中经常用到板材,它们都有一定的共振吸声效应,其共振频率大体上如(4)式所示,与板的几何尺寸和物理常数有关,同时与边缘固定状况有关,例如钉子钉多少,钉紧的程度,是否用胶固定等等。因此这类共振吸声往往不被主动采用在设计方案内,只有有经验的设计师才谨慎地使用。但有一点非常重要,即当用薄板作表面装饰处理时,为避免共振频率过多的一致,在设计和施工中注意将固定薄板的木筋之间给予不同的间距尺寸,使共振频率得以分散。对于不希望有薄板共振吸声作用的声学空间,表面处理就采用贴实的厚板。
3.4 穿孔板共振吸声结构
经常利用穿孔板共振吸声结构来补足低频所需的吸声量。穿孔板吸声结构如图6a所示,板厚t,离刚性面距离d,如板上钻圆孔(也可开狭缝),孔的半径为a,穿孔面积占板面积的比率(穿孔率)为p,则此穿孔共振结构的共振频率
fr为
fr=co/2 π √ p/(t+16a)d (6)
式中表示共振频率有好几个参数可以调节,如板厚t,孔的半径a,穿孔率p以及板与刚性面的距离d。现在市场上有做好的不同穿孔率的穿孔板,可以选择不同的穿孔率和改变板与刚性面间距离d,来得到所需的共振频率。
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