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    吸聲處理與室內降噪

    發布時間:2014/12/12 11:12:09 

    一、             吸聲

     

    1.1 吸聲系數與降噪系數

        吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現象,吸聲可以降低室內聲壓級。描述吸聲的指標是吸聲系數a,代表被材料吸收的聲能與入射聲能的比值。理論上,如果某種材料完全反射聲音,那么它的a=0;如果某種材料將入射聲能全部吸收,那么它的a=1。事實上,所有材料的a介于0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。

    不同頻率上會有不同的吸聲系數。人們使用吸聲系數頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標準和國家標準,吸聲測試報告中吸聲系數的頻率范圍是100-5KHz。將 100-5KHz的吸聲系數取平均得到的數值是平均吸聲系數,平均吸聲系數反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數NRC粗略地評價在語言頻率范圍內的吸聲性能,這一數值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲系數的算術平均值,四舍五入取整到0.05。一般認為NRC小于0.2的材料是反射材料,NRC大于等0.2的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內混響及噪聲時,常常需要使用高吸聲系數的材料。如離心玻璃棉、巖棉等屬于高NRC吸聲材料,5cm厚的24kg/m³的離心玻璃棉的NRC可達到0.95。

     測量材料吸聲系數的方法有兩種,一種是混響室法,一種是駐波管法;祉懯曳y量聲音無規入射時的吸聲系數,即聲音由四面八方射入材料時能量損失的比例,而駐波管法測量聲音正入射時的吸聲系數,聲音入射角度僅為90度。兩種方法測量的吸聲系數是不同的,工程上**常使用的是混響室法測量的吸聲系數,因為建筑實際應用中聲音入射都是無規的。在某些測量報告中會出現吸聲系數大于1的情況,這是由于測量的實驗室條件等造成的,理論上任何材料吸收的聲能不可能大于入射聲能,吸聲系數永遠小于1。任何大于1的測量吸聲系數值在實際聲學工程計算中都不能按大于1使用,**多按1進行計算。

    在房間中,聲音會很快充滿各個角落,因此,將吸聲材料放置在房間任何表面都有吸聲效果。吸聲材料吸聲系數越大,吸聲面積越多,吸聲效果越明顯?梢岳梦曁旎、吸聲墻板、空間吸聲體等進行吸聲降噪。

     

    1.2吸聲原理

        纖維多孔吸聲材料,如離心玻璃棉、巖棉、礦棉、植物纖維噴涂等,吸聲機理是材料內部有大量微小的連通的孔隙,聲波沿著這些孔隙可以深入材料內部,與材料發生摩擦作用將聲能轉化為熱能。多孔吸聲材料的吸聲特性是隨著頻率的增高吸聲系數逐漸增大,這意味著低頻吸收沒有高頻吸收好。多孔材料吸聲的必要條件是 :材料有大量空隙,空隙之間互相連通,孔隙深入材料內部。錯誤認識之一是認為表面粗糙的材料具有吸聲性能,其實不然,例如拉毛水泥、表面凸凹的石才基本不具有吸聲能力。錯誤認識之二是認為材料內部具有大量孔洞的材料,如聚苯、聚乙烯、閉孔聚氨脂等,具有良好的吸聲性能,事實上,這些材料由于內部孔洞沒有連通性,聲波不能深入材料內部振動摩擦,因此吸聲系數很小。

    與墻面或天花存在空氣層的穿孔板,即使材料本身吸聲性能很差,這種結構也具有吸聲性能,如穿孔的石膏板、木板、金屬板、甚至是狹縫吸聲磚等。這類吸聲被稱為亥姆霍茲共振吸聲,吸聲原理類似于暖水瓶的聲共振,材料外部空間與內部腔體通過窄的瓶頸連接,聲波入射時,在共振頻率上,頸部的空氣和內部空間之間產生劇烈的共振作用損耗了聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點是只有在共振頻率上具有較大的吸聲系數。

    薄膜或薄板與墻體或頂棚存在空腔時也能吸聲,如木板、金屬板做成的天花板或墻板等,這種結構的吸聲機理是薄板共振吸聲。在共振頻率上,由于薄板劇烈振動而大量吸收聲能。薄板共振吸收大多在低頻具有較好的吸聲性能。

     

    二、             吸聲材料及吸聲結構

     

    2.1 離心玻璃棉

        離心玻璃棉內部纖維蓬松交錯,存在大量微小的孔隙,是典型的多孔性吸聲材料,具有良好的吸聲特性。離心玻璃棉可以制成墻板、天花板、空間吸聲體等,可以大量吸收房間內的聲能,降低混響時間,減少室內噪聲。

    離心玻璃棉的吸聲特性不但與厚度和容重有關,也與罩面材料、結構構造等因素有關。在建筑應用中還需同時兼顧造價、美觀、防火、防潮、粉塵、耐老化等多方面問題。

       離心玻璃棉屬于多孔吸聲材料,具有良好的吸聲性能。離心玻璃棉能夠吸聲的原因不是由于表面粗糙,而是因為具有大量的內外連通的微小孔隙和孔洞。當聲波入射到離心玻璃棉上時,聲波能順著孔隙進入材料內部,引起空隙中空氣分子的振動。由于空氣的粘滯阻力和空氣分子與孔隙壁的摩擦,聲能轉化為熱能而損耗。

       離心玻璃棉對聲音中高頻有較好的吸聲性能。影響離心玻璃棉吸聲性能的主要因素是厚度、密度和空氣流阻等。密度是每立方米材料的重量?諝饬髯枋菃挝缓穸葧r材料兩側空氣氣壓和空氣流速之比?諝饬髯枋怯绊戨x心玻璃棉吸聲性能**重要的因素。流阻太小,說明材料稀疏,空氣振動容易穿過,吸聲性能下降;流阻太大,說明材料密實,空氣振動難于傳入,吸聲性能亦下降。對于離心玻璃棉來講,吸聲性能存在****流阻。在實際工程中,測定空氣流阻比較困難,但可以通過厚度和容重粗略估計和控制。1、隨著厚度增加,中低頻吸聲系數顯著地增加,但高頻變化不大(高頻吸收總是較大的)。2、厚度不變,容重增加,中低頻吸聲系數亦增加;但當容重增加到一定程度時,材料變得密實,流阻大于****流阻,吸聲系數反而下降。對于厚度超過5cm的容重為16Kg/m3的離心玻璃棉,低頻125Hz約為0.2,中高頻(>500Hz)的吸聲系數已經接近于1了。當厚度由5cm繼續增大時,低頻的吸聲系數逐漸提高,當厚度大于1m以上時,低頻125Hz的吸聲系數也將接近于1。當厚度不變,容重增大時,離心玻璃棉的低頻吸聲系數也將不斷提高,當容重接近110kg/m3時吸聲性能達到****值,50mm厚、頻率125Hz處接近0.6-0.7。容重超過120kg/m3時,吸聲性能反而下降,是因為材料變得致密,中高頻吸聲性能受到很大影響,當容重超過300kg/m3時,吸聲性能減小很多。建筑聲學中常用的吸聲玻璃棉的厚度有2.5cm、5cm、10cm,容重有16、24、32、48、80、96、112kg/m3。通常使用5cm厚,12-48kg/m3的離心玻璃棉。

    離心玻璃棉的吸聲性能還與安裝條件有著密切的關系。當玻璃棉板背后有空氣層時,與相同厚度無空氣層的玻璃棉板吸聲效果類似。尤其是中低頻吸聲性能比材料實貼在硬底面上會有較大提高,吸聲系數將隨空氣層的厚度增加而增加,但增加到一定值后效果就不明顯了。

    使用不同容重的玻璃棉疊和在一起,形成容重逐漸增大的形式,可以獲得更大的吸聲效果。例如將一層2.5cm厚24kg/m3的棉板與一層2.5cm厚32kg/m3的棉板疊和在一起的吸聲效果要好于一層5cm厚32kg/m3的棉板。將24kg/m3的玻璃棉板制成1m長的斷面為三角型的尖劈,材料面密度逐漸增大,平均吸聲系數可接近于1。

    離心玻璃棉在建筑使用中,表面往往要附加有一定透聲作用的飾面,如小于0.5mm的塑料薄膜、金屬網、窗紗、防火布、玻璃絲布等,基本可以保持原來的吸聲特性。離心玻璃棉具有防火、保溫、易于切割等優良特性,是建筑吸聲**常用的材料之一。但是由于離心玻璃棉表面無裝飾性,而且會有纖維灑落,因此必須制成各種吸聲構件隱蔽使用。最常使用也是造價****廉的構造是穿孔紙面石膏板的吊頂或做成內填離心玻璃棉的穿孔板墻面,穿孔率大于20%時,基本能夠完全發揮出離心玻璃棉的吸聲性能。為了防止玻璃棉纖維灑出,需要在穿孔板背后附一層無紡布、桑皮紙等透聲織物,或使用玻璃布、塑料薄膜等包裹玻璃棉。與穿孔紙面石膏板類似的面板還有穿孔金屬板(如鋁板)、穿孔木板、穿孔纖維水泥板、穿孔礦棉板等。

        玻璃棉板經過處理后可以制成吸聲吊頂板或吸聲墻板。一般常見將80-120kg/m3的玻璃棉板周邊經膠水固化處理后外包防火透聲織物形成既美觀又方便安裝的吸聲墻板,常見尺寸為1.2m×1.2m、1.2m×0.6m、0.6m×0.6m,厚度2.5cm或5cm。也有在110Kg/m3的玻璃棉的表面上直接噴刷透聲裝飾材料形成的吸聲吊頂板。無論是玻璃棉吸聲墻板還是吸聲吊頂板,都需要使用高容重的玻璃棉,并經過一定的強化處理,以防止板材變形或過于松軟。這一類的建筑材料既有良好的裝飾性又保留了離心玻璃棉良好的吸聲特性,降噪系數NRC一般可以達到0.85以上。

    在體育館、車間等大空間內,為了吸聲降噪,常常使用以離心玻璃棉為主要吸聲材料的吸聲體。吸聲體可以根據要求制成板狀、柱狀、錐體或其他異型體。吸聲體內部填充離心玻璃棉,表面使用透聲面層包裹。由于吸聲體有多個表面吸聲,吸聲效率很高。

    在道路隔聲屏障中,為了防止噪聲反射,需要在面向車輛一側采取吸聲措施,往往也使用離心玻璃棉作為填充材料、面層為穿孔金屬板的屏障板。為了防止玻璃棉在室外吸水受潮,有時會使用PVC或塑料薄膜包裹。

     

    2.2  紙面穿孔石膏板

        紙面穿孔石膏板常用于建筑裝飾吸聲。紙面石膏板本身并不具有良好的吸聲性能,但穿孔后并安裝成帶有一定后空腔的吊頂或貼面墻則可形成“亥姆霍茲共振”吸聲結構,因而獲得較大的吸聲能力。這種紙面穿孔吸聲結構廣泛地應用于廳堂音質及吸聲降噪等聲學工程中。

    石膏板穿孔后,石膏板上的小孔與石膏板自身及原建筑結構的面層形成了共振腔體,聲音與穿孔石膏板發生作用后,圓孔處的空氣柱產生強烈的共振,空氣分子與石膏板孔壁劇烈摩擦,從而大量地消耗聲音能量,進行吸聲。這是穿孔紙面石膏板“亥姆霍茲共振”吸聲的基本原理。穿孔紙面石膏板吸聲對聲音頻率具有一定選擇性,吸聲頻率特性曲線呈山峰形,當聲音頻率與共振頻率接近時,吸聲系數大;當聲音頻率遠離共振頻率時,吸聲系數小。如果在紙面穿孔石膏板背覆一層桑皮紙或薄吸聲氈時,空氣分子在共振時的摩擦阻力增大,各個頻率的吸聲性能都將有明顯提高,這就是人們常常在穿孔紙面石膏板后覆一層桑皮紙或薄吸聲氈增加吸聲的原因。

        影響紙面穿孔石膏板吸聲性能的主要因素是穿孔率和后空腔大小,穿孔孔徑、石膏板的厚度等對吸聲性能影響較小。穿孔率從2%到15%之間逐漸增大時,孔占的表面積增大,空氣分子進入共振腔體參與共振的幾率增加,吸聲能力增大,若后空腔內放入吸聲材料,吸聲更強烈。穿孔率會影響共振頻率,穿孔率增大,共振頻率將向高頻偏移,偏移量與穿孔率的開根號成正比。穿孔率增大,吸聲頻率特性曲線的“山峰”將向右側(高頻)移動,且“山峰”形態整體趨于抬高,平均吸聲系數增加。增大穿孔率可以提高吸聲性能,但因石膏板強度的限制,一般穿孔率在2%-15%的范圍。

        當后空腔增大時,共振腔內的空氣分子數量增多,共振時參與消耗聲能的空氣分子數增多,吸聲性能增加。改變后空腔大小是常用的調節穿孔石膏板吸聲系數的方法。后空腔大小會影響共振頻率,空腔增大,共振頻率將向低頻偏移,偏移量與空腔深度的開根號成反比,吸聲頻率特性曲線的“山峰”將向左(低頻)移動,“山峰”形態整體趨于抬高,平均吸聲系數變大。但當空腔深度過大時,空腔內“空氣彈簧”效果減弱,吸聲性能下降,一般情況空腔深度在5-50cm以內為宜。

    在通常范圍內,穿孔孔徑大小一般是3-10mm,石膏板厚度一般是9.5mm、12mm或15mm,這些因素較多地影響共振頻率的高低,對穿孔紙面石膏板平均吸聲性能的影響很小?讖皆龃蠡蚝穸仍黾,共振頻率將向低頻偏移,偏移量與孔徑或厚度的開根號成反比,吸聲頻率特性曲線的“山峰”將向左(低頻)移動,“山峰”形態基本保持不變,因此平均吸聲系數基本不變。根據實驗,孔徑大小或石膏板厚度的改變,平均吸聲系數基本無大的變化,一般在10%以內,共振頻率的改變也只在一到兩個1/3倍頻程的范圍內。在降噪實際工程中孔徑和板厚的選取主要根據應用場合所需的強度確定,孔徑選3-10mm,板厚選9-15mm均可,不同的板厚或孔徑基本可以忽略對吸聲性能的影響。

     

    2.3 其他常用吸聲材料

        與離心玻璃棉類似的多孔纖維吸聲材料還有巖棉、礦棉板、開孔聚阻燃氨脂、纖維素噴涂、吸聲簾幕等。巖棉是玄武巖熔化后甩拉而成,纖維直徑一般在10μ左右,離心玻璃棉是玻璃熔化后甩拉形成,纖維直徑更細,一般在6μ以下,因此巖棉容重往往比離心玻璃棉大。巖棉的吸聲性能和離心玻璃棉接近,5cm厚的容重80kg/m3的巖棉與24kg/m3的離心玻璃棉吸聲性能相當,NRC大約0.95左右。礦棉板是高爐礦渣經熔化噴吹形成纖維,再烘干成型成為板材,厚度一般在12-18mm,NRC在0.3-0.4,常作為吊頂天花使用。阻燃聚氨脂是一種軟性泡沫材料,分為開孔和閉孔兩種,開孔型泡孔之間相互連通,彈性好,吸聲性能好,常用于劇場吸聲座椅內膽或隔聲罩內襯,50cm厚容重40kg/m3時NRC約 0.5-0.6;閉孔型泡孔封閉,不吸聲,常用于保溫或防水密封材料。纖維素噴涂材料是將纖維吸聲材料與水、膠混合后在天花或墻壁上噴涂而成,施工簡便,常適用于改造或面層復雜工程的施工,代表性材料有K13,在硬壁上噴涂2.5cm厚的K13,NRC可達到0.75。厚重多皺的經防火處理的簾幕也常用于建筑吸聲,因簾幕便于拉開和閉合,常用于可變吸聲。將巖棉或玻璃棉做成1m長左右的尖劈狀可以形成強吸聲結構,各頻率的吸聲系數可達0.99,是吸聲性能**強的結構,常用于消聲實驗室或車間強吸聲降噪。

        與穿孔紙面石膏板類似的穿孔共振吸聲結構還有水泥穿孔板、木穿孔板、金屬穿孔板等。水泥和木穿孔板的吸聲性能接近于穿孔紙面石膏板,水泥穿孔板造價低,但裝飾性差,常用于機房、地下室等吸聲;木穿孔板美觀,裝飾性好,但防火、防水性能差,價格高,常用于廳堂吸聲裝修。金屬穿孔板常用做吸聲吊頂,或吸聲墻面,穿孔率可高達35%,后空20cm以上,內填玻璃棉、巖棉,NRC可達到0.99。在穿孔板后貼一層吸聲紙或吸聲氈能提高孔的共振摩擦效率,大大提高吸聲性能。在板厚小于1mm的薄金屬板上穿直徑小于1.0mm的微孔,形成微穿孔吸聲板。微穿孔板比普通穿孔板吸聲系數高,吸聲頻帶寬,一般穿孔率在1%-2%,后部無須襯多孔吸聲材料。

       

    三、吸聲降噪效果的計算

    3.1 吸聲降噪的計算

       吸聲降噪降低反射聲的聲能,若忽略直達聲的影響,吸聲量增加1倍,噪聲降低3dB。計算公式為:

    ,其中ΔL為降噪量,A1、T1和A2、T2分別為加入吸聲材料前后的房間吸聲量、混響時間,V為房間體積。

    如果房間未做吸聲處理,反射較嚴重,吸聲量少,混響時間長,那么吸聲降噪的效果比較好。如果原房間已經有大量的吸聲,混響時間短,那么吸聲效果比較差。

    例:一房間體積V=400m3,混響時間為6s,加入100m2的吸聲系數0.9吸聲吊頂,請問降噪量為多少?根據降噪公式,ΔL=10lg[8×90÷(0.161×400)]=9.2dB。

     

    3.2 室內聲源情況對吸聲降噪效果的影響

        如果室內分布多個聲源,室內各處的直達聲都很強,吸聲效果就比較差,往往只能降低3-4dB。盡管降低量有限,但減少了混響聲,室內工作人員的主觀上消除了噪聲來自四面八方的混亂感,反映較好。吸聲處理對于聲源距離近的位置效果差,對于聲源距離遠的位置效果好,對傳到室外的噪聲降低效果也很明顯。

     

    3.3 吸聲降噪效果與房間形狀、尺寸、吸聲位置有關

        如果房間容積很大,人們的活動區域靠近聲源,直達聲占主導地位,此時吸聲效果差。容積較小的房間,聲音在天花和墻壁上反射多次后與直達聲混合,反射聲多,此時吸聲處理效果就明顯。經驗表明,3000m3以下的房間吸聲降噪效果好,更大的房間,吸聲效果不理想。不過,若房間體型瘦長,頂棚低,房間長度大于高寬的5倍以上,由于聲音的反射類似與在管道中爬行,吸聲處理的降噪效果也較好。

     

    3.4 吸聲材料的頻譜特性應與噪聲源的頻譜特性相適應

        應針對聲源的頻譜特性選擇吸聲材料,吸聲材料的頻譜應與噪聲源的頻譜特性匹配。高頻噪聲大用高頻吸聲多的材料,低頻噪聲大用低頻吸聲多的材料。如使用穿孔共振吸聲材料,****使吸聲頻率峰值與噪聲頻率****值相對應,若噪聲在中高頻存在峰值,這樣處理的降噪效果就非常顯著。

     

    3.5 建筑應用的考慮

        在建筑中應用時,吸聲材料與吸聲結構的吸聲性能應穩定,防火,耐久,無毒,價格要適中,施工應方便,無二次污染,美觀實用。

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