噪声污染控制吸声和市内声扬.doc

第七章 吸声和室内声场A、 教学目的1. 吸声材料吸声机理及影响因素(C：理解)2. 共振吸声结构吸声机理及设计计算(C：理解)3.穿孔板吸声结构原理及参数设计(C：理解)4.室外声传播与声衰减(B：识记)B、教学重点(1)吸声系数 (2)吸声材料吸声机理及影响因素 (3)吸声体与吸声屏 (4)共振吸声结构吸声机理及设计计算 (5)微穿孔板吸声结构原理及参数设计 (6)室内声场及吸声设计计算 (7)室外声传播与声衰减C、教学难点1、吸声材料吸声机理及影响因素2、共振吸声结构吸声机理及设计计算D、教学用具多媒体幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排4课时G、教学过程吸声技术的处理对象为空气声，注意区别于“空气动力性噪声”。一、材料的声学分类和吸声特性l 纤维类：超细玻璃纤维棉(上海平板玻璃,d=4,容重2025kg/m3为准)、矿渣棉、化纤棉(湘星集团,d=8)、金属纤维棉；l 泡沫类：聚氨脂泡沫塑料（山东蓬莱聚氨脂泡沫塑料厂,粘贴方便，可适合各种结构形状）;泡沫陶瓷（宜兴）;泡状金属（泡沫铝）；l 颗粒类：烧结粉末金属（四院）; 膨胀珍珠岩; 88型耐高温吸声砖（四院）。l 吸声系数：表征吸声体吸声性能好坏通常用吸声系数，定义为：声强反射系数Zs材料声阻抗率即材料表面上声压对该点质点速度之比。Zs=2c2（平面或球面声波时）1c1为空气介质特性阻抗。故可由Zs求出0，亦可由0求出Zs。由此还可见，越接近于空气声阻抗率，则吸声系数越大。关于的几点讨论： =0 全反射，材料不吸声 =1 无反射，材料全吸声01 （范围） 随频率而变化通常用125、250、500、1K、2K、4K等六个倍频程中心频率上的吸声系数的算术平均值作为平均吸声系数。0.2的材料方可称为吸声材料。硬质水泥面、光滑钢板，其仅为0.010.03，不能算吸声材料。 与声波入射角有关：0垂直入射吸声系数，用驻波管法测定的吸声系数（与实际工况尚有较大出入，但可表征材料本身的性能）。l 驻波管法简介：在一根内壁光滑截面厚度均匀的长厚管的一端盖头内装待测吸声材料，另一端装扬声器，扬声器向前发声，形成驻波场，用一根细的内壁光滑的空心金属探管探测，探管一端接在传声器上，另一端穿过扬声器可来回滑动，探测相对位置与声场变化关系，由驻波振幅的最大值与最小值及其与入射声波、反射声波的振幅关系，求得声强反射系数，从而求得吸声系数0，并可根据驻波振幅的极小值位置求出相位差，从而求得材料的声阻抗率。具体详见p68。T无规入射吸声系数，用混响室法测定的吸声系数（与实际工况较接近，但测试较复杂，对仪器设备要求较高）。l 混响室法简介：将被测吸声材料放置在混响室地面当中或是挂起来，用白噪声发声器经功率放大器策动混响室内扬声器发出噪声，数秒钟后室内声场稳定，使声源突然停止发声，用传声器连同前置放大器通过长电缆连放大器，经滤波器至电平记录仪，记录下各频带声压级随时间的衰变曲线得T60即衰减60dB所需时间（混响时间），由放与不放置吸声材料的不同T60值计算出T（被测吸声材料的）。具体详见P155。通常T0，且T省略写为，一般无特别指明均为T值。T与0的粗略换算关系为：低频（500Hz）：T=20 ；中频（5001000z）：T=1.351.250 ；高频（10008000z）：T=0 。各表面材料不同的室内吸声系数的表征由于室内各表面材料不同，则各部分的吸声系数不同，设各表面面积为S1，S2，Sn，相应的吸声系数为1，2，n则显然，s视i取法不同而不同，i为某频带的值则s也为某频带的值。T与T60的关系S室内表面积/m2, V室内体积/m3m空气衰减常数，与温湿度有关且随f升高而增大。（f500Hz，几乎与d无关。实验表明，同一种多孔材料，当容重一定时，厚度与频率的乘积决定了吸声系数的大小。常用多孔吸声材料的吸声特性材料名称容重（kg/m3）fr-DKHz-cm峰值吸声系数r下半频宽oct备注超细玻璃棉1520253035405.04.02.53.02.00.900.990.900.990.800.900.700.8011/311/312/3沥青玻璃棉毡1108.00.900.9511/312/3沥青矿棉毡1204.05.00.850.9512/3聚氨脂泡沫塑料20505.06.03.04.02.02.50.900.990.850.950.750.8512/311流阻较低流阻较高流阻很高微孔吸声砖3404506208303.02.00.800.6011/311/3流阻较低流阻较高木丝板2806005.00.800.901海草1004.05.00.800.901市场上成品材料最度有3cm、5cm、8cm、10cm、15cm等规格。若吸声材料层背后为刚性壁石，最佳吸声频率出现的材料厚度等于该频率声波波长的1/4。（从反射吸收角度所推得的） 材料的容重纤维棉类吸声材料填充的容重间接地控制着材料内部微孔尺寸。容重过小，经运输或振动，易导致疏密不均，效果变差。容重增加，孔隙率会相应降低，因而改善低频吸声效果，但高频吸声效果将会下降。当容重过大时，孔隙率过低，吸声效果又会明显降低。超细玻璃棉以2025kg/m3为佳（最大为30），根据实际填装经验，这样的容重只要掌握在比玻璃棉的自然密度略大一些即可。多孔材料背后空气层的影响其机理见下图可见增加空气层目的为改善低频吸声效果。当空气层厚度等于1/4波长的奇数倍时，可获得最大的值，而当其厚度为1/2波长的整数倍时，吸声系数最小。相当于增加材料层的有效厚度。太薄对低频作用不大，太厚不切实际。对低频 取200300mm对高频 取70100mm （更常用）护面层a.用低流阻材料，如玻璃纤维布、麻布、纱布等，对吸声材料性能影响可忽略。b.用穿孔率大于20%的穿孔板则影响不大（大于30%时几乎无影响）。若穿孔率小于20%，则在高频部分，由于声波波长短，衍射效应小，护面层后吸声材料性能发挥差，但对低频部分，由于衍射作用强，所以影响不大。孔径通常取为58mm。空间吸声体利用声波衍射及室内反射作用，扩大声波接触吸声面。悬挂时总是小面积朝下。温、湿度的影响：温度高，吸声峰值向高频移动；反之向低频。吸湿后吸声性能降低。三、吸声结构的吸声机理及影响因素1、薄板共振吸声结构由薄板和密闭板后空气层组成质量弹簧系统。机理：声波引起薄板振动消耗能量（以热能形式）以降低声能密度。板的劲度远小于空气层的劲度。空气的体积弹性模量为，劲度为又共振频率 (弹簧振子系统)薄板共振吸声结构共振吸声频率为 取=1、2kg/m3, C=340m/s注意单位 M薄板面密度 kg/m2 L板后空气层厚度 cm常用木质薄板共振吸声结构的板厚取36mm，空气层厚度取30100mm，共振吸收频率级在100300Hz之间，其吸声系数一般为0.20.5。若在薄板与龙骨架交接处放置一些柔软材料（如橡皮条、海绵条、毛毡等），以及在空气层中沿龙骨框四周衬贴一些多孔性材料（如玻璃纤维棉等），则吸声性能可以明显提高。（对低频）2、亥姆霍兹共振器（单个空腔共振吸声结构）由一个空腔（体积为V）和颈口（颈长为l0，直径为d）所组成，腔体通过孔颈与腔外大气相通。原理：当声波作用于颈口，并当波长比颈口大得多时，颈部空气质点往复摩擦颈壁使部分声能转化为热能而消耗，当系统的固有频率与声波激发频率相吻合时发生共振，声能消耗最大。其共振频率可按下式估算：S颈口面积 m2 c取340m/sV空腔体积 m3t孔径深度，m开口末端修正量，m与空腔形状无关在下有最大吸声量以外频段，由于引起空腔空气分子的振动不大，吸声量急降。吸声频带窄。例：吸声砖，江南减振降噪集团（湖大）生产，孔径有23、25mm等规格，施工时共振吸声频率的单个空腔交错排列分别吸收50、100Hz的低频噪声。3、薄膜共振吸声结构用薄膜（如聚乙烯薄膜、漆布、不透气的帆布等），在其后设置空气层所构成。与薄板结构在吸声机理上基本相同。由于膜的面密度比较小，故其fr向高频移动。通常fr为2001000Hz，最大吸声系数为0.30.4。则 注意单位 M薄板面密度 kg/m2 L板后空气层厚度 cm4、穿孔板共振吸声结构可看作许多单个共振腔并联而成,单腔共振器的共振频率为：(同上)式中：c:声速，一般取340m/s2;S:孔颈开口面积；V:容腔容积，m3；t：孔颈深度； ：开口末端修正量。穿孔板共振吸声结构的共振频率是：式中：c:声速，一般取340m/s2;L:板后空气层厚度，m；t：板厚，m； ：孔口末端修正量；P:穿孔率P越大，越高，L越深或L越厚，则越低。p的计算:对于正方形排列 d:孔径； B：孔隙间距（中心距） 三角形排列 平行狭缝 p=d/B 缝宽工程上：d取1.510mm p取5% d取215mm D取100200mm通常，p=520%的各种穿孔板后留腔深为30300mm的吸声结构，其r约为0.30.5。为了提高其吸声的性能，可在空腔内加填多孔吸声材料。加填方式以紧贴穿孔板为最佳。5、微穿孔板吸声结构近年发展起来的新型吸声结构，其理论由马大酞教授创立。它是在板厚小于1mm的薄板上钻以孔径小于1mm的微孔，穿孔率在0.5 5%之间，后部留有一定厚度的空气层。因为它的穿孔直径很小，具有相当大的声阻，于是空腔内不必再填放吸声材料，同样能取得较高的吸声系数和较宽的有效吸声频带。金属微穿孔板吸声结构的相对声阻，相对声质量分别为： t板厚 d孔径 P等孔率式中，、分别为声阻常数和声质量常数： d孔径，mm； f频率，kHz.可见d小则rA值大，而mA值却小得多。其共振频率D为腔深（穿孔板与后壁的距离）。共振时的最大吸声系数 可见，孔径d越小，吸声系数越大，吸声降噪频带越宽。但越小越易堵。试验获知：当微穿孔板厚度t=0.21mm，孔径d=0.21mm，p=0.24%，吸声性能较好，最佳是p=12.5%。当t1，d1，p4%，下降。为了提吸声带宽，有的场合可使用双层微穿孔板结构。典型例：前腔厚度80mm后腔厚度120mmp前为2%p后为1%d与t均为0.8mm。四、室内声场及吸声设计：1、扩散声场与混响声场：室内声场的建立过程：稳定声源 初始阶段 稳态混响声能密度与被 声源供给识响声场的能量吸收声能均不断增加 正好补偿被壁面与媒质 所吸收的声能所谓混响指声源的直达声与室内多次反射的反射声混杂的结果，故混响声场即为直达声与反射声共同作用的声场，教材中推导室内声压级公式时用的是稳态混响声场的平均声能密度。扩散声场是混响声场的一种理想状态，即室内多次反射后，室内声能密度处处相同，在任何一点上，声波传播几率各向同性且相位无规律。教材中推导室内声压级公式时近似采用了扩散声场中平均自由程的概念，即不编空间的形状如何均为,从而得每秒内平均反射次数。最后由稳态时每秒钟由声源提供的混响声能等于被吸收的混响声能，经变换得：此即室内声场中离声源r处的声压级Lp的计算公式。式中，Lw声源声功率级 dB R房间常量 2总声场的声压级：显然，当LW，Q已定时，只有改变R值才能使Lp随之变化，而R值不仅取决于i，还取决于吸声面积Si，故表征室内吸声效果的特征指标应是R而不是。易知：经吸声处理，室内某点位置上的噪声降低量为：注意不是反射声的降噪量，而是其与直达声按分贝叠加后的混响声的降噪量。当近源处：（混响半径概念：当Q=1时的临界半径又称为混响半径） r2很小，说明近场以直达声为主，吸声装置近乎不起降噪作用。当远离声源处：r2很大，时，远声场以混响声为主。两声场的临界距离 只有在的区域内进行吸声处理才会有较明显的效果。值得注意：吸声处理有时虽只降几分贝，但心理效果很好，与声源降低几分贝的效果感觉大不一样。显然，尽可能将声源放置室内中央则可减小Q值使直达声降低，降低声源声功率级LW则LPD和LPk均降低。注意当房间内有多个声源分散布置时，室内声场多为直达声场，吸声降噪的效果不会理想。此时只有结合使用带吸声面的隔声屏障去阻断直达声，方可考虑在另侧作吸声处理。注意Lp计算公式的使用条件：扩散声场。只有当房间的体积相当大和声波频率比较高的条件下，才能达到近似扩散的声场，否则Lp与r的关系有较大误差，实际中将为驻波声场，其严格的分析需借助室内波动声学，分析简正频率。此外常见建材的吸声系数名称及构造厚度（cm）125250500100020004000砖（粉刷面）混凝土石、水泥地面木门玻璃窗钢板石软座背椅（每把）半穿孔吸声装饰纤维板木丝板距顶棚10cm1.350.0280.020.080.120.010.1270.3470.7250.010.010.090.080.330.020.010.120.170.930.020.020.140.260.680.030.020.160.380.720.040.020.150.590.830.050.030.100.600.86在计算R值时，最好按频率不同分别计算，以便与噪声频谱相适应，吸声设计主要步骤：a.实测或预测室内噪声级和频谱特性；b.据标准或要求，确定室内的吸声降噪量，包括声级频谱（各频带所需降噪声量）。c.测量或估算量室内原有的平均吸声系数，求出处理后应有的各频带平均吸声系数（s）d.选定吸声材料或吸声结构，根据其类型、容量、厚度等参数查出相应的吸声系数。e.确定吸声降噪处理的面积和安装方式及位置。区域布置吸声材料的可能性，提高。此外，吸声设计时，应兼顾防火、防潮、防小孔堵塞、通风、采光、照明等。H、板 书一、材料的声学分类和吸声特性l 驻波管法简介l 混响室法简介二、多孔吸声材料的吸声机理及影响因素1、吸声机理2、影响多孔材料吸声性能的主要因素指标（1）内部因素流阻Rf孔隙率q 结构因子（2）外部因素（工程使用因素）材料厚度的影响 材料的容重多孔材料背后空气层的影响护面层空间吸声体温、湿度的影响三、吸声结构的吸声机理及影响因素1、薄板共振吸声结构2、亥姆霍兹共振器（单个空腔共振吸声结构）3、薄膜共振吸声结构4、穿孔板共振吸声结构5、微穿孔板吸声结构四、室内声场及吸声设计1、扩散声场与混响声场2总声场的声压级I、 课堂作业：1.某观众厅体积为2104m3，室内总表面积为6.27103m2，已知500 Hz平均吸声系数为0.232，演员声功率为340W，在舞台口处发声，求距声源39m处(观众席最后一排座位)的声压级。解：由题知：；2.某房间大小为673 m3，墙壁、天花板和地板在1kHz的吸声系数分别为0.06、0.07、0.07，若在天花板上安装一种1kHz吸声系数为0.8的吸声贴面天花板，求该频带在吸声处理前后的混响时间及处理后的吸声降噪量。解：由题知：；根据平均吸声系数的计算公式：知道：该频带在处理前：；该频带在处理后：；因为处理前的采用Sabine公式：因为处理后的，1kHz2kHz：采用Eyring公式： 处理后的吸声降噪量：3.有一个房间大小为453m3，500Hz时地面吸声系数为0.02，墙面吸声系数为0.05，平顶吸声系数为0.25，求总吸声量和平均吸声系数。解：总吸声量：课后作业：根据进度选第七章练习题。第八章 隔声降噪技术B、 教学目的1. 隔声原理及评价指标(B：理解)2. 单层构件的隔声性能(B：理解)3. 组合墙、分隔墙、复合墙的隔声量及设计计算(B：理解C：识记)B、教学重点(1)隔声原理及评价指标 (2) 单层构件的隔声性能 (3)组合墙、分隔墙、复合墙的隔声量及设计计算 (4)孔隙漏声及防治措施 (5)声屏障、隔声罩、隔声间 (6)管道隔声包扎C、 教学难点1、隔声原理2、单层构件的隔声性能3、组合墙、分隔墙、复合墙的隔声量及设计计算D、教学用具多媒体幻灯片E、教学方法讲授法、讨论法F、课时安排3课时G、教学过程l对于固体声隔离，主要是隔振与阻尼降噪，属振动控制。对于空气声，是噪声控制技术研究的对象，重点在隔声构件对空气（传）声的隔绝问题。一、隔声原理及评价指标1、原理：界面声阻抗的突变，使声波部分反射，透射声能小于入射声能，则在隔声构件的另一侧噪声降低。2、评价指标：透射系数（声强的）由教材上对于单层墙的推导有：（注意声压反射系数的求出时的边界条件（有限厚度墙体的双面边界）k2波数， D隔声材料的厚度，脚标1空气介质的参数脚标2隔声材料中的参数若D（低频） 即时K2D1c1 则 面密度 （kg/m2）=0.05 即有5%的声能透过=1 即无隔声效果由于不能反映以dB表示的隔声量，且对于大多数结构，4000Hz吻合谷出现在常用声频之上，厚度大于10mm，则吻合谷出现在高频段且随厚度增加而移向中频与低频段。D fc 但LTL相应降低。3、单层均质构件隔声频率特性曲线可分为三个区域：见p153图8-5（虚线为阻尼作用使共振和吻合效应得到抑制）对于厚墙，因低（如900Hz），故隔声设计往往利用质量定律延伸区，（主声频落在该范围），对吻合效应应加以注意，对于轻质薄墙，其高（如4000Hz以上），故主声频常落在质量定律控制区，但应注意结构共振频率。一般土建材料等构成的墙体的共振频率低于听域，可不予考虑。三、组合墙、分隔墙、复合墙的隔声1、组合墙指在同一平面上各部分由不同构件组合而成的墙。实际工程中，门、窗等总存在，各部位隔声性能不同，其隔声量用平均隔声量表示： 平均透声系数 由各透声系数对相应面积计数平均而得即 注意提高组合墙的隔声量的关键在于门窗等薄弱部位的设计，其部分设计结构见P154168。2.隔声门结构与设计一般门隔声量1015dB，大于15dB者都需采取一定的技术措施方能达到。在隔声要求较高的场所，门窗应尽量少开，或尺寸尽可能开小一些，或设置双层隔声门、窗、声闸。空心门一般隔声效果不佳，为了提高门的隔声效果，常取多层结构，中间夹层填充吸声材料，基本结构形式如下图：木纤维板 白铁皮超细玻璃棉 玻纤棉玻璃丝布 木板穿孔板 毛毡例：在240mm厚砖墙上做的双扇双层轻便门，每扇均为双层5mm厚五合板，板间距30mm，门间距160mm，贴乳胶条密封，TL双=34.4dB，TL单=25.4dB。考虑点：门缝密封致关重要：a.门与门框间的缝隙处理b.双页门合缝处理c.门槛缝隙处理对于频繁开启、隔声量大的门可设计“声闸”结构：因设置声闸而增加的隔声量TL可用下式估算：声闸内表面平均吸声系数S门扇面积 和d如图所示A=Sidi隔声窗结构与设计单层玻璃窗：主要取决于玻璃的隔声性能在中、低频时，玻璃的隔声量由面密度控制，但斜率低于质量定律，高频时有吻合谷的为10dB。其吻合频率fc可按下式计算： 对于双层窗，在低频段易受共振影响，产生隔声低谷 式中，L两层玻璃之间空气层的厚度，cm(应大于50mm) t1、t2分别为两层玻璃的厚度，cm双层窗间加吸声处理（沿窗框作吸声处理）能使隔声量增加35dB，且能削弱吻合效应的影响。注意玻璃边缘与窗框之间的接缝严密（衬垫毛毡、海绵、软橡胶等弹性材料）。两层之间要有一定的倾斜度，以消除驻波，声源侧倾斜。3、复合墙由多层相同或不同材料复合而成的隔声墙。在此仅讨论一下双层墙。如：层间留有814cm厚的空气层（太薄则由于空气层的弹性较大使第一层的振动传到第二层因而较单层结构隔声效果提高甚少，太厚则相互独立，空气弹簧失效），可使隔声量增加812dB（总重量与单层墙相同时）。l 机理：空气层的阻尼作用和附加吸收作用。l 理论公式(入射声波频率高于共振频率)： 面密度为两墙这和的 由空气层而产生的附加隔声量 单层墙隔声量 条件： kD1 M1=M2=M (入射声波频率高于共振频率或重墙) l 工程上还常按下式计算平均隔声量： kg/m2时 kg/m2时R空气层所产生的附加隔声量（可取R=8）对于TL大于41dB的双层墙在1003.15KHz范围内的TL有经验公式 Mkg/m2 Dmml 双层墙设计时的注意事项：空气层最佳厚度的选择 D取812cm固有振动频率为只有当入射声频率超过双层墙的固有频率倍时，其隔声性能方能优于同面密度的单层墙，双层砖墙、混凝土墙的f0常均小于25Hz，故其共振可不予考虑，但对于轻质双层隔墙（如胶合板、顶棚），面密度小于30kg/m2，D小于30mm者，f0高达200Hz，在入射声波的激励下易发生共振。应防止层间的刚性连接形成“声桥”（固体传声），否则TL急剧下降。提高隔声量的补偿措施在空气层中悬挂或敷设吸声材料毡。l 多层复合板的隔声性能较组成它的同等重量的单层或双层有明显的改善，这主要是由于：分层材料的阻抗各不相同，使声波在各层界面上产生多次反射，阻抗相差越大，反射声能越多，透射能量就越小；夹层材料的阻尼和吸声作用，致使声能衰减，并减弱共振与吻合效应；使用厚度和材质不同的多层结构，可以错开共振与临界的吻合频率，改善共振区与吻合区的隔声低谷效应，因而总的隔声性能可大大提高。四、缝隙漏声及防治措施当墙壁上有占总面积1/n的孔时，则泄漏到另侧的声强级LI2近似为 LI1声涌侧声强级(太大的缝隙则此式不适用，要考虑到绕射等)n1时即 1/n 100% 则无隔墙n=10000时即1/n=1/10000,则 dB说明只要有了总面积的1/10000的面积的孔，隔声量就不可能超过40 dB，无论其它部位隔声能力如何。n=1000时 LIL30dBn=10时 LIL10dB建筑工程中，门窗的缝隙、各种管道的孔洞、隔声罩焊缝的不严密、砖砌墙的蜂窝孔，皆是适射声较大的环节，直接影响墙的总隔声量。防治措施：严格避免缝隙的出现，有缝隙处采用毛毡、软橡胶等弹性材料密封。砖墙混凝土墙控制无蜂窝孔洞，有通风口处应装进排气消声器，管线孔洞处应加一套管并在四周用柔性材料包扎严密封紧。门窗四周严格密封。五、声屏障、隔声罩、隔声间1、隔声屏障以降低高频噪声为主，利用屏障的局部声影区域小直达声的危害。对于低、中、高频，声影区域范围不同：l 自由声场中声屏障的设计常采用菲涅手法。条件：声源可视为点声源；屏障视为无限长（高度5倍声源高度，长度25倍声源长度）；屏障表现无吸声处理；忽略本身透声影响。（TL比IL大10dB以上）绕射声衰减量： 式中：N=2/为菲涅尔数；：声程差，=(a+b)-(c+d)；：声波波长。l 线声源的处理：绕射声衰减量：式中：t=40f/3c；f：频率；：程差；c：声速。2、隔声罩和隔声间 （1）隔声罩对声源集中时控制扩散干扰范围内绵吸声材料的吸声系数TL罩壁固有隔声量对于局部封闭隔声罩 S0非封闭面的总面积,m2S1封闭面的总面积, m2可见，欲得到一个效果好的隔声罩，要求罩壁隔声量要大，且罩内壁的吸声效果要好，开孔要少，漏声要少。(2)隔声间用于评价隔声间综合降噪效果的一个物理量是插入损失IL,它是被保护者所在处安装隔声间前后的声压级之差： A:隔声间内表面的总吸声量面积，m2；S：隔声间内表面的总面积，m2.：隔声间的平均隔声量。 Si: 第i面结构面积，m2TLi：第i面结构固有隔声量,