第七章 噪聲控制技術(shù)——吸聲.ppt

第七章噪聲控制技術(shù) 吸聲 第七章噪聲控制技術(shù) 吸聲 一 吸聲系數(shù) 二 吸聲量 二 多孔吸聲材料 吸聲材料 能吸收消耗一定聲能的材料 吸聲系數(shù) 材料吸收的聲能 與入射到材料上的總聲能 之比 即 一 吸聲系數(shù) 討論 表示材料吸聲能力的大小 值在0 1之間 值愈大 材料的吸聲性能愈好 0 聲波完全反射 材料不吸聲 1 聲能全部被吸收 吸聲系數(shù)的影響因素 材料的結(jié)構(gòu) 使用條件 聲波頻率 聲波頻率 同種吸聲材料對不同頻率的聲波具有不同的吸聲系數(shù) 平均吸聲系數(shù) 工程中通常采用125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz六個頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值表示某種材料的平均吸聲系數(shù) 通常 吸聲材料在0 2以上 理想吸聲材料在0 5以上 入射吸聲系數(shù) 工程設(shè)計中常用的吸聲系數(shù)有混響室法吸聲系數(shù) 無規(guī)入射吸聲系數(shù) 駐波管法吸聲系數(shù) 垂直入射吸聲系數(shù) 應(yīng)用 測量材料的垂直入射吸聲系數(shù) 按表 將換算為無規(guī)入射吸聲系數(shù) 的換算關(guān)系 表與的換算關(guān)系 混響室 聲學(xué)實驗室 混響室法吸聲系數(shù) 無規(guī)入射吸聲系數(shù) 在混響室中 使不同頻率的聲波以相等幾率從各個角度入射到材料表面 測得的吸聲系數(shù) 測試較復(fù)雜 對儀器設(shè)備要求高 且數(shù)值往往偏差較大 但比較接近實際情況 在吸聲減噪設(shè)計中采用 駐波管法簡便 精確 但與一般實際聲場不符 用于測試材料的聲學(xué)性質(zhì)和鑒定 設(shè)計消聲器 駐波管法吸聲系數(shù) 垂直入射吸聲系數(shù) 駐波管法吸聲系數(shù)測試儀 一 吸聲系數(shù) 二 吸聲量 二 多孔吸聲材料 定義 吸聲系數(shù)與吸聲面積的乘積式中 吸聲量 m2 某頻率聲波的吸聲系數(shù) 吸聲面積 m2 二 吸聲量 等效吸聲面積 注 工程上通常采用吸聲量評價吸聲材料的實際吸聲效果 總吸聲量 若組成室內(nèi)各壁面的材料不同 則壁面在某頻率下的總吸聲量為式中 第i種材料組成的壁面的吸聲量 m2 第i種材料組成的壁面的面積 m2 第i種材料在某頻率下的吸聲系數(shù) 二 吸聲量 等效吸聲面積 一 吸聲系數(shù) 二 吸聲量 三 多孔吸聲材料 二 多孔吸聲材料 KTV軟包阻燃吸聲材料 多孔槽型木質(zhì)吸聲材料 木絲板吸聲材料 木質(zhì)穿孔吸聲板 絲質(zhì)吸聲材料 混凝土復(fù)合吸聲型聲屏障 輕質(zhì)復(fù)合吸聲型聲屏障 吸聲門 吸聲體 吸聲材料構(gòu)造特性 材料的孔隙率要高 一般在70 以上 多數(shù)達(dá)到90 左右 孔隙應(yīng)該盡可能細(xì)小 且均勻分布 微孔應(yīng)該是相互貫通 而不是封閉的 微孔要向外敞開 使聲波易于進入微孔內(nèi)部 2 吸聲特性及影響因素 特性 高頻聲吸收效果好 低頻聲吸收效果差 原因 低頻聲波激發(fā)微孔內(nèi)空氣與筋絡(luò)的相對運動少 摩擦損小 因而聲能損失少 而高頻聲容易使振動加快 從而消耗聲能較多 所以多孔吸收材料常用于高中頻噪聲的吸收 吸聲性能的影響因素 厚度 空腔 使用環(huán)境 護面層 厚度對吸聲性能的影響 圖2 15不同厚度的超細(xì)玻璃棉的吸聲系數(shù) 理論證明 若吸聲材料層背后為剛性壁面 最佳吸聲頻率出現(xiàn)在材料的厚度等于該頻率聲波波長的1 4處 使用中 考慮經(jīng)濟及制作的方便 對于中 高頻噪聲 一般可采用2 5cm厚的成形吸聲板 對低頻吸聲要求較高時 則采用厚度為5 10cm的吸聲板 同種材料 厚度增加一倍 吸聲最佳頻率向低頻方向近似移動一個倍頻程 由實驗測試可知 厚度越大 低頻時吸聲系數(shù)越大 2000Hz 吸聲系數(shù)與材料厚度無關(guān) 增加厚度 可提高低頻聲的吸收效果 對高頻聲效果不大 孔隙率 材料內(nèi)部的孔洞體積占材料總體積的百分比 一般多孔吸聲材料的孔隙率 70 孔隙率增大 密度減小 反之密度增大 孔隙尺寸越大 孔隙越通暢 流阻越小 孔隙率與密度 在穩(wěn)定氣流狀態(tài)下 吸聲材料中的壓力梯度與氣流線速度之比 過高 空氣穿透力降低 過低 因摩擦力 粘滯力引起的聲能損耗降低 吸聲性能下降 討論 密度太大或太小都會影響材料的吸聲性能 若厚度不變 增大多孔吸聲材料密度 可提高低中頻的吸聲系數(shù) 但比增大厚度所引起的變化小 且高頻吸收會有所下降 一種多孔吸聲材料對應(yīng)存在一個最佳吸聲性能的密度范圍 空腔 材料層與剛性壁之間一定距離的空氣層 吸聲系數(shù)隨腔深D 空氣層 增加而增加 空腔結(jié)構(gòu)節(jié)省材料 比單純增加材料厚度更經(jīng)濟 空腔對吸聲性能的影響 圖背后空氣層厚度對吸聲性能的影響 多孔材料的吸聲系數(shù)隨空氣層厚度增加而增加 但增加到一定厚度后 效果不再繼續(xù)明顯增加 當(dāng)腔深D近似等于入射聲波的1 4波長或其奇數(shù)倍時 吸聲系數(shù)最大 當(dāng)腔深為1 2波長或其整倍數(shù)時 吸聲系數(shù)最小 一般推薦取腔深為5 10cm 天花板上的腔深可視實際需要及空間大小選取較大的距離 空腔對吸聲性能的影響 實際使用中 為便于固定和美觀 往往要對疏松材質(zhì)的多孔材料作護面處理 護面層的要求 良好的透氣性 微穿孔護面板穿孔率應(yīng)大于20 否則會影響高頻吸聲效果 透氣性較好的紡織品對吸聲特性幾乎沒有影響 對成型多孔材料板表面粉飾時 應(yīng)采用水質(zhì)涂料噴涂 不宜用油漆涂刷 以防止涂料封閉孔隙 4 護面層對吸聲性能的影響 溫度 濕度 氣流 溫度引起聲速 波長及空氣粘滯性變化 影響材料吸聲性能 溫度升高 吸聲性能向高頻方向移動 溫度降低則向低頻方向移動 通風(fēng)管道和消聲器內(nèi)氣流易吹散多孔材料 吸聲效果下降 飛散的材料會堵塞管道 損壞風(fēng)機葉片 應(yīng)根據(jù)氣流速度大小選擇一層或多層不同的護面層 空氣濕度引起多孔材料含水率變化 濕度增大 孔隙吸水量增加 堵塞細(xì)孔 吸聲系數(shù)下降 先從高頻開始 濕度較大環(huán)境應(yīng)選用耐潮吸聲材料 外墻保溫吸聲層 保溫吸聲層 阻燃吸聲板 羊毛阻燃吸聲板 注意特殊的使用條件 如腐蝕 高溫或火焰等情況對多孔材料的影響 第七章噪聲控制技術(shù) 吸聲 吸聲處理中常采用吸聲結(jié)構(gòu) 一 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 二 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 三 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 吸聲結(jié)構(gòu)機理 共振吸聲原理 常用的吸聲結(jié)構(gòu) 圖薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖 一 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 機理 聲波入射引起薄板振動 薄板振動克服自身阻尼和板 框架間的摩擦力 使部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損 當(dāng)入射聲波的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率相同時 發(fā)生共振 薄板彎曲變形最大 振動最劇烈 聲能消耗最多 結(jié)構(gòu) 入射聲波 薄金屬板 膠合板 硬質(zhì)纖維板 石膏板等 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率式中 板的面密度 kg m2 其中m為板密度 kg m3 t為板厚 m 板后空氣層厚度 討論 增大或增加 共振頻率下降 通常取薄板厚度3 6mm 空氣層厚度3 10mm 共振頻率多在80 300Hz之間 故一般用于低頻吸聲 吸聲頻率范圍窄 吸聲系數(shù)不高 約為0 2 0 5 改善薄板共振吸聲性能的措施 在薄板結(jié)構(gòu)邊緣 板 龍骨交接處 填置能增加結(jié)構(gòu)阻尼的軟材料 如泡沫塑料條 軟橡皮 海綿條 毛氈等 增大吸聲系數(shù) 在空腔中 沿框架四周放置多孔吸聲材料 如礦棉 玻璃棉等 采用組合不同單元或不同腔深的薄板結(jié)構(gòu) 或直接采用木絲板 草紙板等可吸收中 高頻聲的板材 拓寬吸聲頻帶 吸聲處理中常采用吸聲結(jié)構(gòu) 吸聲結(jié)構(gòu)機理 赫姆霍茲共振吸聲原理 常用的吸聲結(jié)構(gòu) 一 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 二 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 三 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 分類 按薄板穿孔數(shù)分為單腔共振吸聲結(jié)構(gòu)多孔穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)材料 輕質(zhì)薄合金板 膠合板 塑料板 石膏板等 穿孔吸聲板 二 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 特征 穿孔薄板與剛性壁面間留一定深度的空腔所組成的吸聲結(jié)構(gòu) 又稱 亥姆霍茲 共振吸聲器或單孔共振吸聲器 入射聲波 結(jié)構(gòu) 1 單腔共振吸聲結(jié)構(gòu) 封閉空腔壁上開一個小孔與外部空氣相通 腔體中空氣具有彈性 相當(dāng)于彈簧 孔頸中空氣柱具有一定質(zhì)量 相當(dāng)于質(zhì)量塊 圖單腔共振吸聲結(jié)構(gòu)示意圖 原理 入射聲波激發(fā)孔頸中空氣柱往復(fù)運動 與頸壁摩擦 部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗損 達(dá)到吸聲目的 當(dāng)入射聲波的頻率與共振器的固有頻率相同時 發(fā)生共振 空氣柱運動加劇 振幅和振速達(dá)最大 阻尼也最大 消耗聲能最多 吸聲性能最好 單腔共振體的共振頻率式中 聲波速度 m s 小孔截面積 m2 空腔體積 m3 小孔有效頸長 m 若小孔為圓形則有式中 頸的實際長度 即板厚度 m 頸口的直徑 m 空腔內(nèi)壁貼多孔材料時 有 討論 單腔共振吸聲結(jié)構(gòu)使用很少 是其它穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 改變孔頸尺寸或空腔體積 可得不同共振頻率的共振器 而與小孔和空腔的形狀無關(guān) 簡稱穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 薄板上按一定排列鉆很多小孔或狹縫 將穿孔板固定在框架上 框架安裝在剛性壁上 板后留有一定厚度的空氣層 實際是由多個單腔 孔 共振器并聯(lián)而成 圖多孔穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 小孔或狹縫 空氣層 剛性壁 框架 2 多孔穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 多孔穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率式中 聲波速度 m s 小孔截面積 m2 每一共振單元所分占薄板的面積 m2 空腔深度 m 小孔有效頸長 m 穿孔率 穿孔率正方形排列 三角形排列 平行狹縫 以上各式中 為孔間距 為孔徑 討論 穿孔面積越大 吸聲的頻率越高 空腔越深或板越厚 吸聲的頻率越低 工程設(shè)計中 穿孔率控制為1 10 最高不超過20 否則穿孔板就只起護面作用 吸聲性能變差 一般板厚2 13mm 孔徑為2 10mm 孔間距為10 100mm 板后空氣層厚度為6 100mm時 則共振頻率為100 400Hz 吸聲系數(shù)為0 2 0 5 當(dāng)產(chǎn)生共振時 吸聲系數(shù)可達(dá)0 7以上 吸聲帶寬 設(shè)在共振頻率處的最大吸聲系數(shù)為 則在左右能保持吸聲系數(shù)為 2的頻帶寬度 穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲帶寬較窄 通常僅幾十Hz到200 300Hz 吸聲系數(shù) 0 5的頻帶寬度可按式估算式中 共振頻率 Hz 共振頻率對應(yīng)的波長 cm 空腔深度 m 討論 多孔穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲帶寬和腔深有很大關(guān)系 而腔深又影響共振頻率的大小 故需合理選擇腔深 改善多孔穿孔板板共振吸聲性能的措施 為增大吸聲系數(shù)與提高吸聲帶寬 可采取的辦法 組合幾種不同尺寸的共振吸聲結(jié)構(gòu) 分別吸收一小段頻帶 使總的吸聲頻帶變寬 在穿孔板后面的空腔中填放一層多孔吸聲材料 材料距板的距離視空腔深度而定 穿孔板孔徑取偏小值 以提高孔內(nèi)阻尼 采用不同穿孔率 不同腔深的多層穿孔板結(jié)構(gòu) 以改善頻譜特性 在穿孔板后蒙一薄層玻璃絲布等透聲紡織品 以增加大孔頸摩擦 吸聲處理中常采用吸聲結(jié)構(gòu) 吸聲結(jié)構(gòu)機理 赫姆霍茲共振吸聲原理 介紹常用的吸聲結(jié)構(gòu) 一 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 二 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu) 三 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征 厚度小于1mm的金屬薄板上穿孔 孔徑小于1mm 穿孔率1 5 安裝方法同薄板共振吸聲結(jié)構(gòu) 后部留有一定厚度的空氣層 起到共振薄板的作用 空氣層內(nèi)不填任何吸聲材料 常用的是單層或雙層微穿孔板 三 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 薄板常用鋁板或鋼板制作 因板特別薄 孔特別小 為與一般穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)相區(qū)別 故稱作微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 圖2 20單層 雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)示意圖 20世紀(jì)60年代我國著名聲學(xué)專家馬大猷教授研制的 優(yōu)點 克服了穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲頻帶較窄的缺點 吸聲系數(shù)大 吸聲頻帶寬 成本低 構(gòu)造簡單 設(shè)計理論成熟 耐高溫 耐腐蝕 不怕潮濕和沖擊 甚至可承受短暫的火焰 適用環(huán)境廣泛 包括一般高速氣流管道中 缺點 孔徑太小 易堵塞 宜用于清潔場所 小結(jié) 第七章噪聲控制技術(shù) 吸聲 一 室內(nèi)聲場 二 室內(nèi)聲壓級 三 吸聲降噪量計算 主要在室內(nèi)的天花板和四周墻壁上飾以某種吸聲性能好的材料 或懸掛適當(dāng)?shù)目臻g吸聲體 就可以吸收房間內(nèi)的一部分反射聲波 減弱室內(nèi)總的噪聲 室內(nèi)吸聲處理 室內(nèi)聲場按聲場性質(zhì)分為 直達(dá)聲場 由聲源直接到達(dá)聽者 是自由聲場 混響聲場 經(jīng)過壁面一次或多次反射 擴散聲場 聲能密度處處相等 聲波在任一受聲點上各個傳播方向作無規(guī)分布的聲場 是一種理想聲場 為簡化討論 以下的基本概念和公式都建立在室內(nèi)擴散聲場的基礎(chǔ)上 一 室內(nèi)聲場 1 室內(nèi)聲場的衰減 2 混響時間 1 室內(nèi)聲場的衰減 平均自由程 單位時間內(nèi) 室內(nèi)聲波經(jīng)相鄰兩次反射間的路程的平均值式中 平均自由程 m 房間容積 m3 室內(nèi)總表面積 m2聲音在空氣中的聲速為c 則聲波每秒平均反射次數(shù)n c d 即 平均吸聲系數(shù) 設(shè)室內(nèi)各反射面面積分別為S1 S2 Sn 吸聲系數(shù)為 1 2 n 則室內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)為 室內(nèi)聲場經(jīng)1 2s即接近穩(wěn)態(tài) 左側(cè)曲線 若聲源停止 聲音消失需要一個過程 首先直達(dá)聲消失 混響聲逐漸減弱 直到完全消失 右側(cè)曲線 假設(shè)只考慮室內(nèi)壁面與空氣的吸收 則經(jīng)t秒后 室內(nèi)聲能密度為式中 初始聲能密度 w s m3 吸聲系數(shù) 房間容積 m3 室內(nèi)總表面積 m2 空氣衰減系數(shù) m 1 為聲波在空氣中每傳播100m衰減的分貝數(shù) 定義 室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 聲源立即停止發(fā)聲 室內(nèi)聲能密度衰減到原來的百萬分之一 即聲壓級衰減60dB所需要的時間 記作 單位秒 s 計算公式 賽賓 W C Sabine 公式意義 表示由于室內(nèi)混響現(xiàn)象 室內(nèi)聲場的聲能在聲源停止發(fā)聲后衰減的快慢 2 混響時間 房間一定 吸聲量 愈大 愈小 通過調(diào)整各頻率的平均吸聲系數(shù) 獲得各主要頻率的 最佳 使室內(nèi)音質(zhì)達(dá)到良好 討論 一 室內(nèi)聲場 二 室內(nèi)聲壓級 三 吸聲降噪量計算 二 室內(nèi)聲壓級 1 直達(dá)聲場 在室內(nèi) 當(dāng)聲源的聲功率恒定時 單位時間內(nèi)在某接收點處獲得的直達(dá)聲能是恒定的 一個各向發(fā)射均勻的點聲源 聲強I W 4 r2 聲能密度與聲強的關(guān)系為所以對于指向性因數(shù)為的聲源 在距聲源中心r米處的直達(dá)聲聲能密度為 二 室內(nèi)聲壓級 2 混響聲場 聲源輻射的聲能經(jīng)第一次吸收后 剩者為混響聲 單位時間內(nèi)聲源向室內(nèi)提供的混響聲能為 因聲功率恒定 故混響聲能也恒定 壁面吸聲僅吸收混響聲 設(shè)室內(nèi)聲場達(dá)穩(wěn)態(tài)時 平均混響聲能密度為 聲波每碰撞壁面一次 吸收的混響聲能則為 每秒鐘內(nèi)碰撞次n 吸收的則為 因室內(nèi)聲場達(dá)穩(wěn)態(tài)時 每秒鐘由聲源提供的混響聲能等于被吸收的混響聲能 所以即令平均聲能密度 房間常數(shù) m2 室內(nèi)吸聲狀況愈好 值愈大 二 室內(nèi)聲壓級 二 室內(nèi)聲壓級 3 室內(nèi)總聲場 室內(nèi)某點的聲壓級為 括號內(nèi)第一項來自直達(dá)聲 表達(dá)了直達(dá)聲場對該點聲壓級的影響 r愈大 該項值愈小 即距聲源愈遠(yuǎn) 直達(dá)聲愈小 第二項來自混響聲 當(dāng)r較小 即接受點離聲源很近時 室內(nèi)聲場以直達(dá)聲為主 混響聲可忽略 反之 則以混響聲為主 直達(dá)聲忽略不計 此時聲壓與r無關(guān) 當(dāng)時 直達(dá)聲與混響聲聲能密度相等 r稱為臨界半徑 Q 1時的臨界半徑又稱為混響半徑 記為 討論 二 室內(nèi)聲壓級 3 室內(nèi)總聲場 臨界半徑為 臨界半徑與房間常數(shù)和聲源指向性因數(shù)有關(guān) 房間內(nèi)吸聲狀況愈好 聲源指向性愈強 臨界半徑則愈大 在聲源周圍較大范圍內(nèi)可近似地視為自由聲場 反之房間內(nèi)大部分范圍可視為混響聲場 討論 例 設(shè)在室內(nèi)地面中心處有一聲源 已知500Hz的聲功率級為90dB 同頻帶下的房間常數(shù)為50m2 求距聲源10m處之聲壓級 解 1 由聲源位置可得其室內(nèi)指向性因數(shù)Q 2 將式中各參量繪制成圖 可以簡便地確定出室內(nèi)距聲源r處的某點穩(wěn)態(tài)聲壓級Lp 圖室內(nèi)聲壓級計算圖 A B 11 例 設(shè)在室內(nèi)地面中心處有一聲源 已知500Hz的聲功率級為90dB 同頻帶下的房間常數(shù)為50m2 求距聲源10m處之聲壓級 解 1 由聲源位置可得其室內(nèi)指向性因數(shù)Q 2 2 由圖Q 2與r 10m兩線的交點A做垂線 虛線 與 50m2的曲線交于B點 由B向左方做水平線與縱軸相交 從而確定相對聲壓級 即 11dB 3 計算距聲源10m處之聲壓級為 dB 一 室內(nèi)聲場 二 室內(nèi)聲壓級 三 吸聲降噪量計算 設(shè)吸聲降噪前后室內(nèi)平均吸聲系數(shù)分別為和 吸聲量分別為和 混響時間分別為和 則吸聲降噪效果為或 三 吸聲降噪量計算 混響時間可測 計算吸聲降噪量 免除了計算吸聲系數(shù)的麻煩和不準(zhǔn)確 例 尺寸為14m 10m 3m 體積為420m3 面積為424m2的控制室內(nèi)有一臺空調(diào) 安裝在10m 3m墻壁的中心部位 試通過設(shè)計計算使距噪聲源7m處符合NR 50曲線 記錄控制室尺寸 體積 總表面積 噪聲源的種類和位置等 記錄噪聲的倍頻程聲壓級測量值 記錄NR 50的各個倍頻程聲壓級 計算需要降噪量 處理前混響時間的測量值 并計算出處理前平均吸聲系數(shù) 計算出處理后平均吸聲系數(shù) 參考各種材料的吸聲系數(shù) 然后選材確定控制室各部分的裝修 例 尺寸為14m 10m 3m 體積為420m3 面積為424m2的控制室內(nèi)有一臺空調(diào) 安