噪声控制工程 第七章 吸声降噪技术.ppt

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1、南通大學,第七章 吸声降噪技术,7.1吸声材料的分类和吸声性能评价量7.2 多孔性吸声材料7.3 共振吸声结构7.4 室内声场和吸声降噪,南通大學,第一节 吸声材料的分类和吸声性能评价量,一、吸声材料的分类吸声声波在介质中传播的过程中，声能量产生的衰减空气吸声材料吸声吸声材料、吸声结构,南通大學,在噪声控制工程设计中，常用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声，尤其在体积较大，混响时间较长的室内空间，应用相当普遍。吸声材料按其吸声机理来分类，可以分成多孔性吸声材料及共振吸声结构两大类。,南通大學,、多孔性吸声材料,多孔性吸声材料的内部有许多微小细孔直通材料表面，或其内部有许多相互连通的气泡，具有一定

2、的通气性能。凡在结构上具有以上特征的材料都可以作为吸声材料。吸声材料大体可分四大类：无机纤维材料 如玻璃棉，岩棉及其制品有机纤维材料 棉麻植物纤维及木质纤维制品泡沫材料 泡沫塑料和泡沫玻璃，泡沫陶瓷等颗粒材料 膨胀珍珠岩，微孔吸声砖等。,南通大學,玻璃棉,南通大學,泡沫塑料,南通大學,泡沫玻璃,南通大學,泡沫陶瓷,南通大學,泡沫混凝土,南通大學,膨胀珍珠岩,南通大學,、共振吸声结构,当吸声结构的固有频率与声波频率一致时，由于共振作用，声波激发吸声结构产生共振，从而消耗声能量，达到吸声的目的。共振吸声结构常见的有穿孔板吸声结构，微穿孔板吸声结构，薄板和薄膜吸声结构等。空间吸声体吸声材料吸声尖劈,

3、南通大學,二、吸声性能评价量,、吸声系数材料吸收的声能与入射到材料上的总声能量之比。可用吸声系数来描述吸声材料或吸声结构的吸声特性。通常把 的材料为吸声材料,南通大學,吸声系数与声波的频率、声波的入射方向有关，吸声系数可以表示为频率的函数。多孔吸声材料在中、高频段有较大的吸声系数共振吸声结构在共振频率附近吸声系数大,南通大學,2、吸声系数的分类与测量,吸声系数垂直入射阻抗管法斜入射无规入射混响室法,南通大學,（1）驻波管方法,将被测材料置于驻波管的一端，用声频信号发生器带动扬声器，从驻波管的另一端向管内辐射平面波，声波以垂直入射方式入射到材料表面，部分吸收，部分反射。反射的平面波与入射波相互叠

4、加产生驻波，波腹处的声压为极大值，波节处的声压为极小值。根据测得的驻波声压极大值和极小值，就可以计算出垂直入射吸声系数。,南通大學,基于振幅合成,产生驻波时:,驻波比 s,波腹：,波节：,反射系数,南通大學,声强系数与声压系数之间为平方关系，即：,由于,南通大學,驻波管，主体是一根内壁光滑而坚硬的刚性管，形状可以是方管也可是圆管。管的横向尺寸（圆管的直径或方管的边长）应小于最高测试频率对应波长的二分之一。管子的长度应大于最低测试频率对应波长的二分之一,南通大學,（2）传递函数法,同时测定两处瞬时声压值，经计算得出两测点之间的传递函数复反射系数,南通大學,（3）混响室法,所谓混响室指可以基本形成

5、扩散场的房间，它要求能量密度均匀在各个传播方向作无规分布的声场，在此声场中任何一点所接收到的各个方向的能量将是相等的。这种房间吸声量较小，混响时间较长，它需要一定的房间体积，与表面吸声系数最小。混响吸声系数反映了声波从不同的角度以相同的机率入射时的综合吸声系数，与实际工程使用情况较接近，因此工程实践中多采用混响吸声系数来评价吸声特性，在声学设计和噪声控制中也多采用此评价参数。,南通大學,南通大學,吸声量总吸声量平均吸声系数,南通大學,推导,南通大學,南通大學,例.在一个5.26.13.7m3的房间内，地板、墙壁和天花板的吸声系数分别是0.2，0.45，0.6，试求该房间的平均吸声系数？解：各表

6、面的面积是：地板：墙：天花板：平均吸声系数：,南通大學,3、吸声性能的单值评价量,平均吸声系数工程中通常采用 125、250、500、1000、2000、4000Hz 六个倍频程中心频率处的吸声系数，来衡量某一材料或结构的吸声频率特性。降噪系数,南通大學,第二节 多孔性吸声材料,一、多孔性吸声材料的吸声机理多孔性吸声材料具备条件内部有许多孔隙，且分布均匀而细小孔隙与材料表面相通，具有通气性孔隙相互连通，不是封闭的,压缩、膨胀、摩擦、产热,降低声音能量,南通大學,二、影响多孔性吸声材料吸声性能的因素,空气流阻稳定气流通过多孔性吸声材料时，材料两面的静压差和气流线速度之比。反映空气通过多孔材料时阻

7、力大小。空隙率材料内部空气体积与材料总体积之比材料厚度材料厚度的增加，吸声最佳频率向低频方向移动；厚度每增加1倍，最大吸收频率向低频方向移动一个倍频程；,南通大學,南通大學,材料平均密度随着材料密度的增大，最大吸收系数向低频方向移动。背后空腔吸声材料背后具有一定厚度的空腔，其作用相当于加大材料的有效厚度，可改变低频的吸声性能。空腔厚度为垂直入射声波1/4波长时，吸声系数最大，若为1/2波长，或是整数倍时，吸声系数最小。,南通大學,南通大學,南通大學,护面层多孔材料疏松，无法固定，不美观，需表面覆盖护面层，如护面穿孔板，织物或网纱等穿孔板，穿孔率超过 20%薄膜，厚度小于0.05mm温度和湿度温

8、度下降时，低频吸声性能增加；温度上升时，低频吸声性能下降随着孔隙内含水量的增大，孔隙被堵塞，吸声材料中的空气不再连通，空隙率下降，吸声性能下降,南通大學,南通大學,南通大學,第三节 共振吸声结构,一、概述薄板或薄膜共振吸声结构单空腔共振吸声结构穿孔共振吸声结构微穿孔共振吸声结构,南通大學,第三节 共振吸声结构,二、薄板与薄膜共振吸声结构当薄板固定在刚性面骨架上时，薄板和板后的封闭空气层，就构成了薄板共振吸声结构声波入射到薄板激起板面振动使板发生弯曲变形，由于板和固定支点之间的磨擦，以及板本身内的耗损，于是声能转化为热能，在共振频率处，消耗声能最大，吸声系数最大其它频率吸声系数相对较小。,南通大

9、學,共振频率,南通大學,薄板材料可用胶合板，纤维板，石膏板或水泥板。薄膜吸声结构的共振频率通常在200Hz1000Hz范围，最大吸声系数约为0.30.4，一般作为中频范围的吸声材料。薄板共振吸声结构的共振频率通常在80Hz300Hz范围,南通大學,南通大學,南通大學,三、穿孔板共振吸声结构,由穿孔板构成的共振吸声结构被称做穿孔板共振吸声结构，它也是工程中常用的共振吸声结构。对于多孔共振吸声结构，实际上可以看成单孔共振吸声结构的并联结构，因此，多孔共振吸声结构的吸声性能要比单孔共振吸声结构的吸声效果好，通过孔参数的优化设计可以有效改善其吸声频带等性能。,南通大學,单孔共振吸声结构,南通大學,穿孔

10、板共振吸声结构,南通大學,穿孔率的计算,1）当圆孔为正方形排列时2）当孔为等边三角形排列时,南通大學,一般穿孔率P控制在1%10%，最高不超过20%，若超过20%不起共振吸声作用，变成护面板了。孔径d一般为2mm4mm，空腔深度为10cm25cm，板厚为2mm5mm。为拓宽吸声频率范围，也可在板内加上吸声材料，为拓宽吸声频率范围，也可在板内加上吸声材料，添加吸声材料要靠近穿孔板。,南通大學,吸声带宽 假设在f0处的最大吸声系数为max，则在f0附近能保持吸声系数为max/2的频带宽度f为吸声带宽。吸声系数高于max/2的频带宽度：,南通大學,已知穿孔板厚度为1.5mm，穿孔率为3%，空腔厚度D

11、10cm，孔径d0.8mm，求共振频率fr。解：,南通大學,南通大學,四、微穿孔板共振吸声结构,由于穿孔板的声阻很小，因此吸声频带很窄。为使穿孔板结构在较宽的范围内有效地吸声，必须在穿孔板背后填充大量的多孔材料或敷上声阻较高的纺织物。但是，如果把穿孔直径减小到1mm以下，则不需另加多孔材料也可以使它的声阻增大，这就是微穿孔板。微穿孔板吸声结构的理论是我国著名声学专家，中科院院士马大猷教授于20世纪70年代提出来的。,南通大學,在板厚小于1.0mm薄板上穿以孔径小于1.0mm的微孔，穿孔率在15之间，后部留有一定厚度（如520cm）的空气层，空气层内不填任何吸声材料，这样即构成了微穿孔吸声结构，

12、常用的多是单层或双层微穿孔板结构形式。微穿孔板吸声结构是一种低声质量，高声阻的共振吸声结构，其性能介于多孔吸声材料和共振吸声结构之间，其吸声频率宽度可优于常规的穿孔板共振吸声结构。,南通大學,南通大學,南通大學,第四节 室内声场和吸声降噪,扩散声场 室内声能密度处处相同，在任何一点上，从各个方向传来的声波几率，声波相位是无规则的，这样的声场称作扩散声场。直达声场：从声源直接到达接受点的直达声形成的声场。混响声场：经过房间面壁一次和多次反射后到达接受点的反射声形成的声场。,一、室内声场中的声能密度和声压级,南通大學,所以直达声声能密度：,又由于：,所以直达声声压级为：,1、直达声场,南通大學,2

13、、混响声场,自由程：在室内声场中，声波每相邻两次反射所经过的路程。平均自由程：声波经过相邻两次反射距离的平均值（d）。由理论和实验均证实不论空间形状如何，均有：,其中：V为房间体积，S为房间总表面积。,南通大學,设声音在1秒钟内传播的距离为c米，则1秒钟内的平均反射次数为：,设声源单位时间发出的声功率为W，则当声波被房间壁面部分吸收后剩余的声能量为:,设混响声平均声能密度为，则单位时间被吸收的声能量为：,亦即：声源提供的混响声能量。,南通大學,当单位时间内声源贡献的混响声能与被吸收的混响声能相等时，体系达到稳定状态，即：,所以，室内混响声场平均声能密度为：,设：,R：房间常数，m2,南通大學,

14、例.在7.62m6.09m3.66m的室内，其平均吸声系数为0.2，求距离一个2W各向同性声源4.57m处的声能密度。解：而 C=344m/s,南通大學,又由于直达声声能平均密度为：,当室内存在混响时，室内某点的平均声能密度应等于直达声和混响声能密度之和，即：,把直达声场和混响声场叠加形成总声场。,3、房间内总声压级,南通大學,又因为声能密度与有效声压是平方正比关系，即：,则：,所以混响声压级为：,南通大學,例.某声源悬吊在房间中央，声功率级为120dB房间的混响时间为2秒，几何尺寸为20m80m4m。（1）求声场中的混响声压级（2）求若想使声场中的声压级比该混响声压级高1dB，应距机器多远？

15、解：而 s=2082+2042+842=320+160+64=544,南通大學,（1）（2）设稳态声压级为，据题意=108+1=109dB代入上式得r=2.82m,南通大學,例.在一个20157m3的房间内，平均吸声系数为0.35，混响声压是1.5Pa，特性阻抗408Pas/m，试求声源的声功率。解：房间常数由公式 和 得则,南通大學,例.在一个大房间内装有两台机器，房间的尺寸是9.110.484.6m3，墙壁、天花板和地板的吸声系数分别是0.1，0.8和0.01。机器1距A点6.1m，声功率为1W，机器2距A点4.6m，声功率为0.5W，两者均是各向同性的，问两台机器同时开动时，A点声压级应

16、是多少？解：平均吸声系数墙面积地面、天花板面积房间常数,南通大學,声源1、2在A点造成的声功率级分别为，声源1、2在A点造成的声压级分别为两个声源在A点造成的总声压级,南通大學,从混响声压级公式可看出：公式中第一项Lw为直达声，第二项为混响声。当 时，即 r 很小，声场以直达声为主；当 时，即 r 很大，声场以混响声为主；当 时，直达声声能密度与混响声声能密度相等，这时r称为临界半径，即：当R1时的临界半径又称为混响半径。,4、混响半径,南通大學,当接受点与声源距离大于临界半径时，即混响声占主导地位，则吸声降噪处理效果明显；当接受点与声源距离小于临界半径时，即直达声占主导地位，则吸声降噪处理效

17、果不明显。,南通大學,5、典型室内声场,自由声场和消声室房间内吸声系数为1，房间常数为无穷大，形成无反射的自由声场。消声室全消声室半消声室用途：声功率测量声源的识别和分析声音设备的辐射特性,南通大學,南通大學,5、典型室内声场,扩散声场和混响室房间内声能密度处处相等，声能量向各方向传递的概率相等，房间内声波相位无规和不相干。混响室,南通大學,南通大學,二、室内声衰减和混响时间,当声源开始向室内辐射声能时，声波在室内空间传播，当遇到壁面时，部分声能被吸收，部分被反射；在声波的继续传播中多次被吸收和反射，在空间就形成了一定的声能密度分布。随着声源不断供给能量，室内声能密度将随时间而增加。最终单位时

18、间内被室内吸收的声能与声源供给声能相等，室内声能密度不再增加，处于稳定状态。事实上，在一般情况下，大约只需12s的时间，声能密度的分布即接近于稳态。,南通大學,南通大學,由于室内存在混响，声源停止发声后，室内受声点上的声能量不会立即消失，要持续一段时间，这一段时间内持续的声音成为“混响声”。这种现象称作室内混响,当声音经过第1次反射后，平均声能密度降低为：,当声音经过第2次反射后，平均声能密度降低为：,当声音经过第n次反射后，平均声能密度降低为：,由于在t秒内总反射次数为：,南通大學,则t秒后的平均声能密度为：,又由于声能密度与有效声压是平方正比关系，所以有：,当声能密度衰减到原来的百万分之一

19、时所需要的时间，即声压级衰减60dB所需要的时间，称为混响时间所以有：,南通大學,例.在一个6.15.13.7m3的房间内，平均吸声系数为0.3，问稳态声场声压级衰减40dB要花多长时间？解：房间体积：房内内侧面积：混响时间是声波衰减60dB，如果将60dB改为40dB，则变为：则,南通大學,例.一台1000Hz频带有1W声功率的机器安装在22.915.26.1m3的房间内，已知在这一频带中的混响时间2s，问在该机器关掉1s之后，在房间的混响声场内，1000Hz频带中的声压级是多少？解：房间内侧面积及体积分别为，吸声系数关闭声源1s时，声压级的降低量为,南通大學,声源声功率级，,声源关闭前，室

20、内混响声压级为,关闭声源1s后室内混响声压级应为,南通大學,当声音为高频区声音，声音传播过程中空气吸声不能不考虑，t秒内传播距离为ct，经空气吸收后声能密度降为原来的e-mct，其中m为声音衰减常数，单位为m-1，则t秒后平均声能密度衰减为：,则：,南通大學,1）当声音频率低于2000Hz时，m可忽略，也即：,2）当声音频率低于2000Hz，且平均吸声系数小于0.2时，有：,此时混响时间为：,南通大學,设吸声前的声压级为：,吸声后的声压级为：,则：,三、吸声降噪,1、吸声降噪的效果估算,南通大學,当某接受点远离声源时，即：,则：,一般情况下，平均吸声系数都比1小得多，所以有：,当某接受点靠近声

21、源时，,南通大學,由于平均吸声系数通常是按实测混响时间T60得到，如果T1和T2分别为吸声前后的混响时间，则：,一般地面和壁面（墙面）平均吸声系数为0.03左右，吸声处理后平均吸声系数约为0.3左右，则声压级衰减10dB左右。一般吸声处理降噪10-12dB，如果平均吸声系数要求0.5以上，则降噪处理所需要的成本增加。,南通大學,2、吸声降噪的设计原则和程序,基本原则原房间吸声系数很小时，才有效根据噪声频率特性选择吸声材料或结构尽量靠近声源附近考虑防潮、防尘、防火、耐腐蚀等安装时考虑装饰性、通风、照明等程序测量房间噪声及频谱特性确定降噪量确定吸声系数选择材料或吸声结构确定处理面积和安装方式,南通

22、大學,理想声场是完全扩散声场；实际声场是不完全扩散声场，而是由室内各壁面反射声形成的驻波声场；只有当房间体积很大和声波频率很高时，才能达到近似的扩散声场。房间是一个复杂的多自由度振动系统，任一振动状态都是由单个振动以一定的组合叠加而成，每个独立的振动称简正振动，相应的振动频率叫简正频率；在连续介质中，简正振动实际是一种驻波，也称简正波，其变化情况与边界条件有关。,四、室内简正模式,南通大學,1）声波的一维空间简振（声波沿轴相方向传播）,入射简谐振动声波：,反射简谐振动声波：,两列声波进行合成（叠加），其合成声波：,其中：合成波振幅为 Pcoskx，P2Pi,南通大學,A：当（nx=0,1,2,

23、3.）时，振幅有最大值（即波腹），此时有：,B：当（nx=0,1,2,3.）时，振幅有最小值（即波节），此时有：,南通大學,由于这两列波频率相同，所以它们之间的相位差为：,设x2-x1=Lx，则：,所以：,当体系满足 时，形成驻波。,南通大學,对应的共振频率为：,即在一维空间（一个频率的声波），每个n对应一个简振频率，共有n个简正振动方式。,2）声波的二维空间简振（声波沿-平面切向传播）,类似地可导出两平面声波在两维空间叠加后声压方程为：,南通大學,该方程形成驻波条件为：,由于：,所以：,其中：nx=0,1,2,3n ny=0,1,2,3n,南通大學,即在二维空间，每个nx和ny对应一个简振频率，共有nxny个简正振动方式。,3）声波的三维空间简振（斜向波）,同样类推，有：,南通大學,则简振方式个数:,其中：Lx、Ly、Lz分别为房间长、宽和高（m）VLxLyLz（即房间体积）S2（LxLyLyLzLxLz）（即房间总表面积）L4（LxLyLz）(即房间各边长总和),南通大學,从上式可看出频率越高，N增加得越快，简振频率越加密集，N越多，越接近扩散声场。,将上式取微分，可得到一定频带f 的简正频率数，即：,南通大學,作 业,P1966、7、8,