吸声、隔声材料和结构说法

Generation

室内装修已成为一项独立的产业 ， 大大小小的装饰装璜公司像雨后春笋，遍地林立。不少装璜公司，以新风格、新材料、新工艺给室内建筑装修带来新面貌，达到了新水平。                       
在很多情况下，室内装修有一定的声学要求。不仅是各类剧院、体育场馆和歌舞厅以及与声学有关的录音室、演播室等专业用房本身有一定的声学技术指标，而且凡是公共场所，一般都需要传播语言或音乐，即使是家庭用房现在也需要有良好的音乐欣赏环境。所以室内装修工程必须重视声学要求。如果忽视这一点，极有可能造成不良后果。例如有一水上健身娱乐场所，地面基本上都是水面，上空是一大玻璃圆穹项，由于没有声学设计，致使厅内混响时间特别长，当有文娱表演时连报幕的话也听不清。再如有的走廓或门厅，做得富丽堂皇、金碧辉煌，但即使是普通的谈话声或背景音乐，也在空间内久传不衰，形成令人烦恼的干扰噪声。         
造成音质差的主要原因是没有科学的声学设计。不少装饰工程公司本身没有合格的声学设计人员；有的一开始邀请声学专家做设计，以后自以为有了“ 经验 ” ，便大胆地把设计也承包了；有的是东抄西袭，以为找到了人家的奥秘，你做软包，我也搞软包，你用穿孔板，我也做穿孔板，实际上没有掌握真正的声学要求；也不排除有的工程技术人员懂得一些声学知识，但并不精于室内声学的原理和实践，做出了并不合格的声学装修设计。
室内声学设计是一门系统学科，涉及面较广，本文只就与室内装饰有关的吸声和隔声的材料和结构方面的知识作简单介绍，希望装饰工程人员和业主对声学材料和结构有所了解，能够理解声学设计为什么作这样那样的处理，从而使装饰工程在美观和声学要求上达到完美的统一。                 
1.吸声与隔声的基本概念                        
首先要明确吸声与隔声是完全不同的两个声学概念。吸声是指声波传播到某一边界面时，一部分声能被边界面反射(或散射)，一部分声能被边界面吸收(这里不考虑在媒质中传播时被媒质的吸收)，这包括声波在边界材料内转化为热能被消耗掉或是转化为振动能沿边界构造传递转移，或是直接透射到边界另一面空间。对于入射声波来说，除了反射到原来空间的反射(散射)声能外，其余能量都被看作被边界面吸收。在一定面积上被吸收的声能与入射声能之比称为该边界面的吸声系数。例如室内声波从开着的窗户传到室外，则开窗面积可近似地认为百分之百地“吸收”了室内传来的声波，吸声系数为1。当然，我们所要考虑的吸声材料，主要不是*开口面积的吸声，而要*材料本身的声学特性来吸收声波。
  对于两个空间中间的界面隔层来说，当声波从一室入射到界面上时，声波激发隔层的振动，以振动向另一面空间辐射声波，此为透射声波。通过一定面积的透射声波能量与入射声波能量之比称透射系数。对于开启的窗户，透射系数可近似为1(吸声系数也为1)，其隔声效果为0，即隔声量为0db。对于又重又厚的砖墙或厚钢板，单位面积质量大，声波入射时只能激发起此隔层的微小振动，使对另一空间辐射的声波能量(透射声能)很小，所以隔声量大，隔声效果好。但对于原来空间而言，绝大部分能量被反射，所以吸声系数很小。
对于单一材料(不是专门设计的复合材料)来说，吸声能力与隔声效果往往是不能兼顾的。如上述砖墙或钢板可以作为好的隔声材料，但吸声效果极差；反过来，如果拿吸声性能好的材料(如玻璃棉)做隔声材料，即使声波透过该材料时声能被吸收99％(这是很难达到的)，只有1％的声能传播到另一空间，则此材料的隔声量也只有20db，并非好的隔声材料。有人把吸声材料误称为“ 隔音材料 ” 是不对的。如果有人介绍某种单一材料吸声好隔声也好，那他不是不懂就是在骗人了。
  2.吸声材料                       
吸声材料是指吸声系数比较大的建筑装修材料。如果材料内部有很多互相连通的细微空隙，由空隙形成的空气通道，可模拟为由固体框架间形成许多细管或毛细管组成的管道构造。当声波传入时，因细管中*近管壁与管中间的声波振动速度不同，由媒质间速度差引起的内摩擦，使声波振动能量转化为热能而被吸收。好的吸声材料多为纤维性材料，称多孔性吸声材料，如玻璃棉、岩棉、矿碴棉、棉麻和人造纤维棉、特制的金属纤维棉等等，也包括空隙连通的泡沫塑料之类。吸声性能与材料的纤维空隙结构有关，如纤维的粗细(微米至几十微米间为好)和材料密度(决定纤维之间“毛细管”的等效直径)、材料内空气容积与材料体积之比(称空隙率，玻璃棉的空隙率在90％以上)、材料内空隙的形状结构等。从使用的角度，可以不管吸声的机理，只要查阅材料吸声系数的实验结果即可。当然在选用时还要注意材料的防潮、防火以及可装饰性等其他要求。                  
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。图1中t2大于t1，相同频率时t2的吸声系数大于t1的吸声系数。如果t2=2t1，则相同吸声系数对应的频率大约为f2=f1，即厚度增加一倍，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5cm左右的厚度，很少用到10cm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，见图2，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87cm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34cm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 ”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/21/2.1/2 (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50cm、宽40cm、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。
需要注意的是穿孔板共振吸声峰的形状，它与共振结构系统的阻尼有关。见图6b，阻尼小时，共振峰较尖锐,阻尼大时共振峰较为平缓。一般宁可选择较为平缓的吸声特性，以避免过强的吸声频率选择性。板厚、孔径小，阻尼较大。微穿孔板的穿孔直径为08～1mm左右，所以阻尼大，吸收峰较为平缓，但因易积灰和不耐腐蚀，所以不少地方不宜采用。
一般穿孔板厚度不大于5mm，穿孔直径在6～10mm左右，这种情况下阻尼嫌小。要增加共振结构的阻尼，需要在穿孔附近增加吸声材料。参看图6c，当声波传播经过穿孔时，“ 声线 ” 像流线那样在孔中和孔附近比较密集，那里的 “ 流速 ”大，即声波的质点振动速度大，吸声材料产生最大的阻尼作用。我们很难将吸声材料填塞到一个个孔中，所以往往在板的前面或后面贴一层吸声材料(厚度为一个孔直径时效率最高)来增加共振吸声系统的阻尼，使吸收峰比较平缓。吸声材料在穿孔板后面时，只起到共振吸声的阻尼作用；若放在穿孔板前面，则同时兼有多孔性吸声材料的吸声功能。穿孔率p大于02时，一般不是共振吸声结构，仅仅作为多孔性吸声材料的“ 护面板 ” 。
4.隔声材料
不透气的固体材料，对于空气中传播的声波都有隔声效果，隔声效果的好坏最根本的一点是取决于材料单位面积的质量。
参看图7，一个面积非常大的隔层，其单位面积质量为ms，当声波从左面垂直入射时，激发隔层作整体振动，此振动再向右面空间辐射声波。以单位面积考虑，透射到右面空间的声能与入射到隔层上的声能之比称透射系数τ 。定义无限大隔层材料的传递损失(也称透射损失)tl：
              tl=101g1/ г (7)
上述简单情况下可计算得到传递损失近似为：
              tl=20lg ω ms/2 ρ oco (db) (8)
式中 ω=2πf 为圆频率， ρ0、c0为空气的密度和声波传播速度。tl的大小表示材料的隔声能力。(8)式的一个重要特点，即材料单位面积质量增加一倍，则传递损失增加6db。这一隔声的基本规律称“ 质量定律 ” ，也就是说隔声*重量。所以像砖墙、水泥墙或厚钢板、铅板等单位面积质量大的材料，隔声效果都比较好。
(8)式也表明，单层隔声的高频隔声好，低频差。频率每提高一倍，传递损失就增加6db。
需要说明的是：传递损失tl是隔层面积为无限大时的理论 “ 隔声量 ” ，作为一垛墙或楼板，它都有边缘与其它建筑构件连接，这时的 “ 隔声量 ”与(7)式所表示的传递损失有差别。既有因边缘接近于固定而增大隔声能力，也有作为边缘固定的板振动有一定的共振频率，使某些共振频率点上隔声效果降低的现象。而当作为两相邻房间之间的隔墙或楼板，因为两室之间有多条传声(或振动)通道，这两个房间之间的隔声量(只能称声级差)更不能以该隔层的传递损失来代表。              
隔层材料在物理上有一定弹性，当声波入射时便激发振动在隔层内传播。当声波不是垂直入射，而是与隔层呈一角度 θ入射时，声波波前依次到达隔层表面，而先到隔层的声波激发隔层内弯曲振动波沿隔层横向传播，若弯曲波传播速度与空气中声波渐次到达隔层表面的行进速度一致时，声波便加强弯曲波的振动，这一现象称吻合效应。这时弯曲波振动的辐度特别大，并向另一面空气中辐射声波的能量也特别大，从而降低隔声效果。产生吻合效应的频率fc为：
                fc=co2/2 π sin2 θ <12 ρ (1- σ 2)/eh2>1/2 (9)
式中 ρ 、 σ 、e分别为隔层材料的密度、泊松比和杨氏模量，h是隔层厚度。任意吻合频率fc与声波入射角 θ有关。在大多数房间中的声场都接近于混响声场，到达隔层的入射角从0°到90°都有可能，因此吻合频率出现在从掠入射(θ=90°)的fc0开始的一个频率范围，也就是说吻合效应使某一频率范围的隔声效果变差。一般这一频率范围发生在中高频。从质量定律知道，中高频隔声量较大，除了内阻尼很小的金属板外，因吻合效应使中高频隔声量降低的现象，不会引起很大的麻烦。
5.双层隔声结构
根据质量定律，频率降低一半，传递损失要降6db；而要提高隔声效果时，质量增加一倍，传递损失增加6db。在这一定律支配下，若要显著地提高隔声能力，单*增加隔层的质量，例如增加墙的厚度，显然不能行之有效，有时甚至是不可能的，如航空器上的隔声结构。这时解决的途径主要是采用双层以至多层隔声结构。
  双层隔声结构模型见图8，单位面积质量分别为m1、m2，中间空气层厚度为l。双层结构的传递损失可以进行理论计算，结果比较复杂，在不同频率范围可以得到不同的简化表示，这里只作定性介绍。
  两个隔层与中间空气层组成一个共振系统，共振频率为fr(m的单位为kg／m2，l的单位为m)：
                  fr=60/√m1m2l/(m1+m2) (10)
在此共振频率附近，隔声效果大为降低。不过对于重墙来说，此频率已低于可闻频率范围。例如m1为半砖墙250kg／m2，m2为一砖墙500kg／m2，空气层厚度05m，这时共振频率在7hz左右。
  对于轻结构双层隔声，共振频率可能落在可闻频率范围内，例如两层铝板分别为52kg／m2和26kg／m2，中间空气层5cm，可计算出共振频率约为200hz。这时应在两板间填塞阻尼材料，以抑制板的振动。一般若用薄钢板做双层隔声结构时，钢板上都涂好阻尼层来抑制钢板的振动。               
在共振频率fr以下，双层隔声的效果如同没有空气层的一层(m1＋m2)的隔声效果；在fr以上一段频率范围，双层隔声效果接近于两个单层隔声的传递损失之和；在更高的频率，当空气层厚度l为四分之一波长的奇数倍时，双层隔声效果相当于两个单层的传递损失之和再加6db，l为波长的偶数倍时，双层隔声效果相当于两个单层合在一起的传递损失再增加6db，在其它频率，传声损失在这两个值之间。所以在总体上，当频率大于fr时，双层隔声结构显著地提高了隔声效能。
  一般双层隔声结构的两层，不用相同厚度的同一种材料，以避免这两层出现相同的吻合频率在设计和施工中要特别注意，两层之间不能有刚性连接。破坏了固体 —— 空气 —— 固体的双层结构，把两层固体隔层由刚性构件相连，使两个隔层的振动连在一起，隔声量便大为降低。尤其是双层轻结构隔声，相互之间必须相互支撑或连接时，一定要用弹性构件支撑或悬吊，同时注意需要分割的两个空间之间，不能有缝或孔相通。“ 漏气 ” 就要漏声，这是隔声的实际问题。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ea381cc01000d98.html