吸聲材料及吸收結(jié)構(gòu)

(1)室內(nèi)表面多為堅硬的反射面，室內(nèi)原有的吸聲較小，混響聲場占主導(dǎo)的場合；

(2)操作者距聲源有一定距離，室內(nèi)混響較大的場合；

(3)要求減噪聲的地點(diǎn)雖然聲源較近，但用隔聲屏隔離直達(dá)聲的場合。

吸聲處理的減噪效果一般為3—6dB(A)，較好的為7—10dB(A)；一般不會超過15dB(A)，而且也不隨吸聲處理的面積成正比增加。

1.1吸聲系數(shù)與降噪系數(shù)

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現(xiàn)象，吸聲可以降低室內(nèi)聲壓級。描述吸聲的指標(biāo)是吸聲系數(shù)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(shí)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(shù)。人們使用吸聲系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，吸聲測試報告中吸聲系數(shù)的頻率范圍是100-5khz。將 100-5khz的吸聲系數(shù)取平均得到的數(shù)值是平均吸聲系數(shù)，平均吸聲系數(shù)反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數(shù)nrc粗略地評價在語言頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250、500、1k、2k四個頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，四舍五入取整到0.05。一般認(rèn)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(rèn)為是吸聲材料。當(dāng)需要吸收大量聲能降低室內(nèi)混響及噪聲時，常常需要使用高吸聲系數(shù)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(dá)到0.95。

測量材料吸聲系數(shù)的方法有兩種，一種是混響室法，一種是駐波管法。混響室法測量聲音無規(guī)入射時的吸聲系數(shù)，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(shù)，聲音入射角度僅為90度。兩種方法測量的吸聲系數(shù)是不同的，工程上最常使用的是混響室法測量的吸聲系數(shù)，因?yàn)榻ㄖ?shí)際應(yīng)用中聲音入射都是無規(guī)的。在某些測量報告中會出現(xiàn)吸聲系數(shù)大于1的情況，這是由于測量的實(shí)驗(yàn)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(shù)永遠(yuǎn)小于1。任何大于1的測量吸聲系數(shù)值在實(shí)際聲學(xué)工程計算中都不能按大于1使用，最多按1進(jìn)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(shù)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(jìn)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(jī)理是材料內(nèi)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(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦作用將聲能轉(zhuǎn)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(shù)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(nèi)部。錯誤認(rèn)識之一是認(rèn)為表面粗糙的材料具有吸聲性能，其實(shí)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(rèn)識之二是認(rèn)為材料內(nèi)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(shí)上，這些材料由于內(nèi)部孔洞沒有連通性，聲波不能深入材料內(nèi)部振動摩擦，因此吸聲系數(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)部空間之間產(chǎn)生劇烈的共振作用損耗了聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點(diǎn)是只有在共振頻率上具有較大的吸聲系數(shù)。

二、吸聲材料及吸聲結(jié)構(gòu)

2.1離心玻璃棉

離心玻璃棉內(nèi)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(nèi)的聲能，降低混響時間，減少室內(nèi)噪聲。

離心玻璃棉的吸聲特性不但與厚度和容重有關(guān)，也與罩面材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等因素有關(guān)。在建筑應(yīng)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?yàn)榫哂写罅康膬?nèi)外連通的微小孔隙和孔洞。當(dāng)聲波入射到離心玻璃棉上時，聲波能順著孔隙進(jìn)入材料內(nèi)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(zhuǎn)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(cè)空氣氣壓和空氣流速之比?？諝饬髯枋怯绊戨x心玻璃棉吸聲性能最重要的因素。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(shí)，空氣振動難于傳入，吸聲性能亦下降。對于離心玻璃棉來講，吸聲性能存在最佳流阻。在實(shí)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(shù)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(shù)亦增加；但當(dāng)容重增加到一定程度時，材料變得密實(shí)，流阻大于最佳流阻，吸聲系數(shù)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(shù)已經(jīng)接近于1了。當(dāng)厚度由5cm繼續(xù)增大時，低頻的吸聲系數(shù)逐漸提高，當(dāng)厚度大于1m以上時，低頻125hz的吸聲系數(shù)也將接近于1。當(dāng)厚度不變，容重增大時，離心玻璃棉的低頻吸聲系數(shù)也將不斷提高，當(dāng)容重接近110kg/m3時吸聲性能達(dá)到最大值，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?yàn)椴牧献兊弥旅?，中高頻吸聲性能受到很大影響，當(dāng)容重超過300kg/m3時，吸聲性能減小很多。建筑聲學(xué)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(guān)系。當(dāng)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(shí)貼在硬底面上會有較大提高，吸聲系數(shù)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(shù)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(wǎng)、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(yōu)良特性，是建筑吸聲最常用的材料之一。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(gòu)件隱蔽使用。最常使用也是造價最低廉的構(gòu)造是穿孔紙面石膏板的吊頂或做成內(nèi)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(fā)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(jīng)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(jīng)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(jīng)過一定的強(qiáng)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(shù)nrc一般可以達(dá)到0.85以上。

在體育館、車間等大空間內(nèi)，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(jù)要求制成板狀、柱狀、錐體或其他異型體。吸聲體內(nèi)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(cè)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。

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(jié)構(gòu)，因而獲得較大的吸聲能力。這種紙面穿孔吸聲結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于廳堂音質(zhì)及吸聲降噪等聲學(xué)工程中。

如圣戈班杰科生產(chǎn)的卡倫伯格就是穿孔紙面石膏板，集美學(xué)與聲學(xué)功能于一體，可適用于家庭、酒店、大廳、機(jī)場、體育中心等。

石膏板穿孔后，石膏板上的小孔與石膏板自身及原建筑結(jié)構(gòu)的面層形成了共振腔體，聲音與穿孔石膏板發(fā)生作用后，圓孔處的空氣柱產(chǎn)生強(qiáng)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(jìn)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(dāng)聲音頻率與共振頻率接近時，吸聲系數(shù)大；當(dāng)聲音頻率遠(yuǎn)離共振頻率時，吸聲系數(shù)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(jìn)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(nèi)放入吸聲材料，吸聲更強(qiáng)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(cè)（高頻）移動，且“山峰”形態(tài)整體趨于抬高，平均吸聲系數(shù)增加。增大穿孔率可以提高吸聲性能，但因石膏板強(qiáng)度的限制，一般穿孔率在2%-15%的范圍。

當(dāng)后空腔增大時，共振腔內(nèi)的空氣分子數(shù)量增多，共振時參與消耗聲能的空氣分子數(shù)增多，吸聲性能增加。改變后空腔大小是常用的調(diào)節(jié)穿孔石膏板吸聲系數(shù)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(tài)整體趨于抬高，平均吸聲系數(shù)變大。但當(dāng)空腔深度過大時，空腔內(nèi)“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(nèi)為宜。

在通常范圍內(nèi)，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?？讖皆龃蠡蚝穸仍黾樱舱耦l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(tài)基本保持不變，因此平均吸聲系數(shù)基本不變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，孔徑大小或石膏板厚度的改變，平均吸聲系數(shù)基本無大的變化，一般在10%以內(nèi)，共振頻率的改變也只在一到兩個1/3倍頻程的范圍內(nèi)。在降噪實(shí)際工程中孔徑和板厚的選取主要根據(jù)應(yīng)用場合所需的強(qiáng)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。

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(xì)，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(dāng)，nrc大約0.95左右。礦棉板是高爐礦渣經(jīng)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(nèi)膽或隔聲罩內(nèi)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(fù)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(dá)到0.75。厚重多皺的經(jīng)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(qiáng)吸聲結(jié)構(gòu)，各頻率的吸聲系數(shù)可達(dá)0.99，是吸聲性能最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，常用于消聲實(shí)驗(yàn)室或車間強(qiáng)吸聲降噪。

與穿孔紙面石膏板類似的穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)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(jī)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(dá)35%，后空20cm以上，內(nèi)填玻璃棉、巖棉，nrc可達(dá)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(shù)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。