建筑声学(3)
来源: | 作者:gdareadmin | 发布时间: 2020-06-10 | 2286 次浏览 | 分享到:
第三章:吸声材料与吸声结构
吸声材料和吸声结构概述
   吸声材料和吸声结构,广泛地应用于音质设计和噪声控制中。
   对建筑师来说,把材料和结构的声学特性和其他建筑特性如力学性能、耐火性、吸湿性、外观等结合起来综合考虑,是非常重要的。
   通常把材料和结构分成吸声的、或隔声的、或反射的,一方面是按材料分别具有较大的吸收、或较小的透射、或较大的反射,另一方面是按照使用时主要考虑的功能是吸声、或隔声、或反射。但三种材料和结构没有严格的界限和定义。
    吸声材料和吸声结构
    吸声材料:材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。
    吸声结构:材料本身可以不具有吸声特性,但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理,制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。
    在建筑声环境的设计中,需要综合考虑材料的使用,包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面,根据具体的使用条件和环境综合分析比较。
3.1 吸声系数与吸声量
    吸声系数定义:=(E总-E反)/ E总,即声波接触吸声介面后失去(吸收)声量占总声能量(入射)的比例。 大,吸收的声能大,吸声系数永远小于1。
    同一吸声材料,声音频率不同时,吸声系数不同。一般常用100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。
•    有时使用平均吸声系数或降噪系数粗略衡量材料的吸声能力。
平均吸声系数:100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值
降噪系数(NRC):125Hz/250Hz/500Hz/1000Hz吸声系数的平均
                                 值(尾数四舍五入整理成.5或.0)
   吸声量:对于平面物体A= S, 单位是平米(或塞宾)
                对于单个物体,表面积难于确定,直接用吸声量
   吸声量或吸声系数的测量:
1、混响室法  
                              
其中:V --混响室体积 ;  S-- 材料表面积;  n --吸声体个数; T1 --空室混响室混响时间; T2--放入材料后混响时间。
2、驻波管法:
   利用在管中平面波入射波和反射波形成极大声压Pmax和极小声压Pmin推导出0
                                             
3、 T  和 0 的值有一定差别, T是无规入射时的吸声系数,  0是正入射时的吸声系数。 工程上主要使用T
4.2 多孔材料的吸声机理
   多孔吸声材料,如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能,不是因为表面粗糙,而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。
   当声波入射到多孔材料上,声波能顺着孔隙进入材料内部,引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦,使声能转化为摩擦热能而吸声。
   多孔材料吸声的必要条件是 :材料有大量空隙,空隙之间互相连通,孔隙深入材料内部。
   错误认识一:表面粗糙的材料,如拉毛水泥等,具有良好的吸声性能。
   错误认识二:内部存在大量孔洞(单个闭合、互不连通)的材料,如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等,具有良好的吸声性能。
4.3 影响多孔吸声材料吸声系数的因素
   多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能。影响多孔吸声材料吸声特性的因素主要有:材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。
   密度:每立方米材料的重量。
   孔隙率:材料中孔隙体积和材料总体积之比。
   结构因子:反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况,是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。
   空气流阻:单位厚度时,材料两边空气气压和空气流速之比,反映空气通过多孔阻力的大小。空气 流阻是影响多孔吸声材料最重要的因素。流阻太小,说明材料稀疏,空气振动容易穿过,吸声性能下降;流阻太大,说明材料密实,空气振动难于传入,吸声性能亦下降。因此,多孔材料存在最佳流阻。 在实际工程中,测定空气流阻比较困难,但可以通过厚度和容重粗略估计和控制(对于玻璃棉,较理想的吸声容重是12-48Kg/m3,特殊情况使用100Kg/m3或更高)
1、随着厚度增加,中低频吸声系数显著地增加,但高频变化不大(多孔吸声材料对高频总有较大的吸收)。
2、厚度不变,容重增加,中低频吸声系数亦增加;但当容重增加到一定程度时,材料变得密实,流阻大于最佳流阻,吸声系数反而下降。
3、多孔吸声材料的吸声性能还与安装条件有着密切的关系。当多孔吸声材料背后有空腔时,与该空气层用同样的材料填满的效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高,吸声系数将随空气层的厚度增加而增加,但增加到一定值后效果就不明显了。
4、使用不同容重的玻璃棉叠和在一起,形成容重逐渐增大的形式,可以获得更大的吸声效果。
5、多孔吸声材料表面附加有一定透声作用的饰面,如厚度小于0.05mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等,基本可以保持原来材料的吸声特性。
       使用穿孔面材时,穿孔率须大于20%,若材料的透气性差时,如塑料薄膜,高频吸声特性可能下降。低频吸声系数将有所提高。膜越薄、穿孔率与大,影响越小。
6、高温、高湿会影响材料的吸声性能。是由于吸湿吸水后,材料中孔隙减少。首先使高频吸声系数降低,随含湿量的增加,其影响的频率范围将进一步扩大。
玻璃棉吸声系数的比较
   
4.4其它吸声结构
1、空腔共振吸收---亥姆霍兹共振器:是一个封闭空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构,
   当空的深度 t 和孔径 d 比声波波长小得多时,孔径中的空气柱弹性变形小,可作为质量块,类似活塞。空腔V中的空气起着空气弹簧的作用。当外界入射波的频率等系统的固有频率时,孔径中的空气柱就由于共振而产 生剧烈震动在振动过程中,克服摩擦阻力而消耗声能。               
共振吸声结构及类比系统 (a)亥姆霍兹共振器;(b)机械类比系统 ,(c)穿孔板吸声结构
   对于穿孔板吸声结构,板后空气层可划分为许多小空腔,每一个开孔与背后一个小空腔对应,是许多并联的亥姆霍兹共振器。   计算穿孔板吸声结构共振频率的公式
            
    在设计时,根据主要吸收频率,确定共振频率。在共振频率附近有最大的吸声系数,离之越远,吸声愈小。
    各种穿孔板、狭缝板背后设置空气层形成吸声结构,其吸声机理均属于空腔共振吸声结构。可使用穿孔的:石膏板、硬质纤维板、胶合板、钢、铝板等。使用这些板 材和一定的结构做法,可以很容易的根据要求来设计所需要的吸声特性,并在施工中达到设计要求,而且材料有足够的强度,故此吸声结构广泛应用。
    狭缝吸音砖内放入吸声材料增大吸声效果                     
    右图为某音乐教室。
    下图为狭缝吸音砖放入玻璃棉的情况。
               
2、薄膜、薄板共振吸声结构,如玻璃、薄金属板、架空木地板、空木墙裙等。
    薄膜吸声结构:皮革、人造革、塑料薄膜于其背后封闭的空气层形成的共振系统。对中频(300—1000HZ)有较好的吸收。
   薄板吸声结构:石膏板、胶合板、硬质纤维板等板材周边固定在框架上,连同板后的封闭空气层构成振动系统。对低频(80---300HZ)有较好的吸收
   共振吸声效果和吸声腔内加入吸声材料(玻璃棉)后的吸声效果
   背后填25-50mm后的玻璃棉等吸声材料
3、空间吸声体。
   把吸声材料和结构做成放置在建筑空间内的吸声体。可以根据使用场合的具体条件,把吸声特性的要求与外观艺术处理结合起来,设计成各种形状,以达到良好的声学效果和建筑效果。
4、尖劈—强吸声结构
   吸声尖劈是消声室中最常用的强吸声结构,其构造是用直径3.2~3.5钢筋制成所需形状和尺寸的框子,在框架上粘缝布类罩面材料,内填棉状多孔材料。近年来多把棉状材料制成厚毡,裁成尖劈,装人框架内。
5、空气吸收。由于空气的热传导与粘滞性,以及空气中水分子对氧分子振动状态的影响等造成。声音频率越大,空气吸收越强烈(一般大于2KHz将考虑空气吸收)。
6、洞口。在剧院中,舞台台口相当于一个偶合空间,台口后有天幕、侧幕、布景等吸声材料。其吸声系数一般为0.3-0.5
   大面积使用尖劈进行吸声降噪。 (如图示)
4.6  吸声在建筑声学中的应用举例
  4.6.1  室内音质的控制
   玻璃棉产品可以制成吊顶板、贴墙板、空间吸声体等,在建筑室内起到吸声作用,降低混响时间。
   一般地,房间体积越大,混响时间越长,语言清晰度越差,为了保证语言清晰度,需要在室内做吸声,控制混响时间。如礼堂、教室、体育场,电影院。
   对音乐用建筑,为了保证一定丰满度,混响时间要比较长一些,但也不能过长,可以使用吸声控制。
   在厅堂建筑中,为了防止回声、声反馈、声聚焦等声学缺陷,常在后墙面、二层眺台栏杆面、侧墙面及局部使用吸声。   
 
4.6.2  吸声降噪
   在车间、厂房、大的开敞式空间(机场大厅、办公室、展厅等),由于混响声的原因,会使噪声比之同样声源在室外高10-15dB。,通过在室内布置吸声材料,可以使混响声被吸掉,降低室内噪声。
   吸声降噪最多可以获得10-15dB的降噪量。降噪量=10lg(A0/A1),未加入吸声材料时室内吸声量越少,加入吸声材料后室内吸声量越多,降噪效果越好。