第七章 噪声控制技术——吸声.ppt

第七章噪声控制技术 吸声 第七章噪声控制技术 吸声 一 吸声系数 二 吸声量 二 多孔吸声材料 吸声材料 能吸收消耗一定声能的材料 吸声系数 材料吸收的声能 与入射到材料上的总声能 之比 即 一 吸声系数 讨论 表示材料吸声能力的大小 值在0 1之间 值愈大 材料的吸声性能愈好 0 声波完全反射 材料不吸声 1 声能全部被吸收 吸声系数的影响因素 材料的结构 使用条件 声波频率 声波频率 同种吸声材料对不同频率的声波具有不同的吸声系数 平均吸声系数 工程中通常采用125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz六个频率的吸声系数的算术平均值表示某种材料的平均吸声系数 通常 吸声材料在0 2以上 理想吸声材料在0 5以上 入射吸声系数 工程设计中常用的吸声系数有混响室法吸声系数 无规入射吸声系数 驻波管法吸声系数 垂直入射吸声系数 应用 测量材料的垂直入射吸声系数 按表 将换算为无规入射吸声系数 的换算关系 表与的换算关系 混响室 声学实验室 混响室法吸声系数 无规入射吸声系数 在混响室中 使不同频率的声波以相等几率从各个角度入射到材料表面 测得的吸声系数 测试较复杂 对仪器设备要求高 且数值往往偏差较大 但比较接近实际情况 在吸声减噪设计中采用 驻波管法简便 精确 但与一般实际声场不符 用于测试材料的声学性质和鉴定 设计消声器 驻波管法吸声系数 垂直入射吸声系数 驻波管法吸声系数测试仪 一 吸声系数 二 吸声量 二 多孔吸声材料 定义 吸声系数与吸声面积的乘积式中 吸声量 m2 某频率声波的吸声系数 吸声面积 m2 二 吸声量 等效吸声面积 注 工程上通常采用吸声量评价吸声材料的实际吸声效果 总吸声量 若组成室内各壁面的材料不同 则壁面在某频率下的总吸声量为式中 第i种材料组成的壁面的吸声量 m2 第i种材料组成的壁面的面积 m2 第i种材料在某频率下的吸声系数 二 吸声量 等效吸声面积 一 吸声系数 二 吸声量 三 多孔吸声材料 二 多孔吸声材料 KTV软包阻燃吸声材料 多孔槽型木质吸声材料 木丝板吸声材料 木质穿孔吸声板 丝质吸声材料 混凝土复合吸声型声屏障 轻质复合吸声型声屏障 吸声门 吸声体 吸声材料构造特性 材料的孔隙率要高 一般在70 以上 多数达到90 左右 孔隙应该尽可能细小 且均匀分布 微孔应该是相互贯通 而不是封闭的 微孔要向外敞开 使声波易于进入微孔内部 2 吸声特性及影响因素 特性 高频声吸收效果好 低频声吸收效果差 原因 低频声波激发微孔内空气与筋络的相对运动少 摩擦损小 因而声能损失少 而高频声容易使振动加快 从而消耗声能较多 所以多孔吸收材料常用于高中频噪声的吸收 吸声性能的影响因素 厚度 空腔 使用环境 护面层 厚度对吸声性能的影响 图2 15不同厚度的超细玻璃棉的吸声系数 理论证明 若吸声材料层背后为刚性壁面 最佳吸声频率出现在材料的厚度等于该频率声波波长的1 4处 使用中 考虑经济及制作的方便 对于中 高频噪声 一般可采用2 5cm厚的成形吸声板 对低频吸声要求较高时 则采用厚度为5 10cm的吸声板 同种材料 厚度增加一倍 吸声最佳频率向低频方向近似移动一个倍频程 由实验测试可知 厚度越大 低频时吸声系数越大 2000Hz 吸声系数与材料厚度无关 增加厚度 可提高低频声的吸收效果 对高频声效果不大 孔隙率 材料内部的孔洞体积占材料总体积的百分比 一般多孔吸声材料的孔隙率 70 孔隙率增大 密度减小 反之密度增大 孔隙尺寸越大 孔隙越通畅 流阻越小 孔隙率与密度 在稳定气流状态下 吸声材料中的压力梯度与气流线速度之比 过高 空气穿透力降低 过低 因摩擦力 粘滞力引起的声能损耗降低 吸声性能下降 讨论 密度太大或太小都会影响材料的吸声性能 若厚度不变 增大多孔吸声材料密度 可提高低中频的吸声系数 但比增大厚度所引起的变化小 且高频吸收会有所下降 一种多孔吸声材料对应存在一个最佳吸声性能的密度范围 空腔 材料层与刚性壁之间一定距离的空气层 吸声系数随腔深D 空气层 增加而增加 空腔结构节省材料 比单纯增加材料厚度更经济 空腔对吸声性能的影响 图背后空气层厚度对吸声性能的影响 多孔材料的吸声系数随空气层厚度增加而增加 但增加到一定厚度后 效果不再继续明显增加 当腔深D近似等于入射声波的1 4波长或其奇数倍时 吸声系数最大 当腔深为1 2波长或其整倍数时 吸声系数最小 一般推荐取腔深为5 10cm 天花板上的腔深可视实际需要及空间大小选取较大的距离 空腔对吸声性能的影响 实际使用中 为便于固定和美观 往往要对疏松材质的多孔材料作护面处理 护面层的要求 良好的透气性 微穿孔护面板穿孔率应大于20 否则会影响高频吸声效果 透气性较好的纺织品对吸声特性几乎没有影响 对成型多孔材料板表面粉饰时 应采用水质涂料喷涂 不宜用油漆涂刷 以防止涂料封闭孔隙 4 护面层对吸声性能的影响 温度 湿度 气流 温度引起声速 波长及空气粘滞性变化 影响材料吸声性能 温度升高 吸声性能向高频方向移动 温度降低则向低频方向移动 通风管道和消声器内气流易吹散多孔材料 吸声效果下降 飞散的材料会堵塞管道 损坏风机叶片 应根据气流速度大小选择一层或多层不同的护面层 空气湿度引起多孔材料含水率变化 湿度增大 孔隙吸水量增加 堵塞细孔 吸声系数下降 先从高频开始 湿度较大环境应选用耐潮吸声材料 外墙保温吸声层 保温吸声层 阻燃吸声板 羊毛阻燃吸声板 注意特殊的使用条件 如腐蚀 高温或火焰等情况对多孔材料的影响 第七章噪声控制技术 吸声 吸声处理中常采用吸声结构 一 薄板共振吸声结构 二 穿孔板共振吸声结构 三 微穿孔板吸声结构 吸声结构机理 共振吸声原理 常用的吸声结构 图薄板共振吸声结构示意图 一 薄板共振吸声结构 机理 声波入射引起薄板振动 薄板振动克服自身阻尼和板 框架间的摩擦力 使部分声能转化为热能而耗损 当入射声波的频率与振动系统的固有频率相同时 发生共振 薄板弯曲变形最大 振动最剧烈 声能消耗最多 结构 入射声波 薄金属板 胶合板 硬质纤维板 石膏板等 薄板共振吸声结构的共振频率式中 板的面密度 kg m2 其中m为板密度 kg m3 t为板厚 m 板后空气层厚度 讨论 增大或增加 共振频率下降 通常取薄板厚度3 6mm 空气层厚度3 10mm 共振频率多在80 300Hz之间 故一般用于低频吸声 吸声频率范围窄 吸声系数不高 约为0 2 0 5 改善薄板共振吸声性能的措施 在薄板结构边缘 板 龙骨交接处 填置能增加结构阻尼的软材料 如泡沫塑料条 软橡皮 海绵条 毛毡等 增大吸声系数 在空腔中 沿框架四周放置多孔吸声材料 如矿棉 玻璃棉等 采用组合不同单元或不同腔深的薄板结构 或直接采用木丝板 草纸板等可吸收中 高频声的板材 拓宽吸声频带 吸声处理中常采用吸声结构 吸声结构机理 赫姆霍兹共振吸声原理 常用的吸声结构 一 薄板共振吸声结构 二 穿孔板共振吸声结构 三 微穿孔板吸声结构 分类 按薄板穿孔数分为单腔共振吸声结构多孔穿孔板共振吸声结构材料 轻质薄合金板 胶合板 塑料板 石膏板等 穿孔吸声板 二 穿孔板共振吸声结构 特征 穿孔薄板与刚性壁面间留一定深度的空腔所组成的吸声结构 又称 亥姆霍兹 共振吸声器或单孔共振吸声器 入射声波 结构 1 单腔共振吸声结构 封闭空腔壁上开一个小孔与外部空气相通 腔体中空气具有弹性 相当于弹簧 孔颈中空气柱具有一定质量 相当于质量块 图单腔共振吸声结构示意图 原理 入射声波激发孔颈中空气柱往复运动 与颈壁摩擦 部分声能转化为热能而耗损 达到吸声目的 当入射声波的频率与共振器的固有频率相同时 发生共振 空气柱运动加剧 振幅和振速达最大 阻尼也最大 消耗声能最多 吸声性能最好 单腔共振体的共振频率式中 声波速度 m s 小孔截面积 m2 空腔体积 m3 小孔有效颈长 m 若小孔为圆形则有式中 颈的实际长度 即板厚度 m 颈口的直径 m 空腔内壁贴多孔材料时 有 讨论 单腔共振吸声结构使用很少 是其它穿孔板共振吸声结构的基础 改变孔颈尺寸或空腔体积 可得不同共振频率的共振器 而与小孔和空腔的形状无关 简称穿孔板共振吸声结构 结构 薄板上按一定排列钻很多小孔或狭缝 将穿孔板固定在框架上 框架安装在刚性壁上 板后留有一定厚度的空气层 实际是由多个单腔 孔 共振器并联而成 图多孔穿孔板共振吸声结构 小孔或狭缝 空气层 刚性壁 框架 2 多孔穿孔板共振吸声结构 多孔穿孔板共振吸声结构的共振频率式中 声波速度 m s 小孔截面积 m2 每一共振单元所分占薄板的面积 m2 空腔深度 m 小孔有效颈长 m 穿孔率 穿孔率正方形排列 三角形排列 平行狭缝 以上各式中 为孔间距 为孔径 讨论 穿孔面积越大 吸声的频率越高 空腔越深或板越厚 吸声的频率越低 工程设计中 穿孔率控制为1 10 最高不超过20 否则穿孔板就只起护面作用 吸声性能变差 一般板厚2 13mm 孔径为2 10mm 孔间距为10 100mm 板后空气层厚度为6 100mm时 则共振频率为100 400Hz 吸声系数为0 2 0 5 当产生共振时 吸声系数可达0 7以上 吸声带宽 设在共振频率处的最大吸声系数为 则在左右能保持吸声系数为 2的频带宽度 穿孔板吸声结构的吸声带宽较窄 通常仅几十Hz到200 300Hz 吸声系数 0 5的频带宽度可按式估算式中 共振频率 Hz 共振频率对应的波长 cm 空腔深度 m 讨论 多孔穿孔板共振吸声结构的吸声带宽和腔深有很大关系 而腔深又影响共振频率的大小 故需合理选择腔深 改善多孔穿孔板板共振吸声性能的措施 为增大吸声系数与提高吸声带宽 可采取的办法 组合几种不同尺寸的共振吸声结构 分别吸收一小段频带 使总的吸声频带变宽 在穿孔板后面的空腔中填放一层多孔吸声材料 材料距板的距离视空腔深度而定 穿孔板孔径取偏小值 以提高孔内阻尼 采用不同穿孔率 不同腔深的多层穿孔板结构 以改善频谱特性 在穿孔板后蒙一薄层玻璃丝布等透声纺织品 以增加大孔颈摩擦 吸声处理中常采用吸声结构 吸声结构机理 赫姆霍兹共振吸声原理 介绍常用的吸声结构 一 薄板共振吸声结构 二 穿孔板共振吸声结构 三 微穿孔板吸声结构 结构特征 厚度小于1mm的金属薄板上穿孔 孔径小于1mm 穿孔率1 5 安装方法同薄板共振吸声结构 后部留有一定厚度的空气层 起到共振薄板的作用 空气层内不填任何吸声材料 常用的是单层或双层微穿孔板 三 微穿孔板吸声结构 薄板常用铝板或钢板制作 因板特别薄 孔特别小 为与一般穿孔板共振吸声结构相区别 故称作微穿孔板吸声结构 图2 20单层 双层微穿孔板吸声结构示意图 20世纪60年代我国著名声学专家马大猷教授研制的 优点 克服了穿孔板共振吸声结构吸声频带较窄的缺点 吸声系数大 吸声频带宽 成本低 构造简单 设计理论成熟 耐高温 耐腐蚀 不怕潮湿和冲击 甚至可承受短暂的火焰 适用环境广泛 包括一般高速气流管道中 缺点 孔径太小 易堵塞 宜用于清洁场所 小结 第七章噪声控制技术 吸声 一 室内声场 二 室内声压级 三 吸声降噪量计算 主要在室内的天花板和四周墙壁上饰以某种吸声性能好的材料 或悬挂适当的空间吸声体 就可以吸收房间内的一部分反射声波 减弱室内总的噪声 室内吸声处理 室内声场按声场性质分为 直达声场 由声源直接到达听者 是自由声场 混响声场 经过壁面一次或多次反射 扩散声场 声能密度处处相等 声波在任一受声点上各个传播方向作无规分布的声场 是一种理想声场 为简化讨论 以下的基本概念和公式都建立在室内扩散声场的基础上 一 室内声场 1 室内声场的衰减 2 混响时间 1 室内声场的衰减 平均自由程 单位时间内 室内声波经相邻两次反射间的路程的平均值式中 平均自由程 m 房间容积 m3 室内总表面积 m2声音在空气中的声速为c 则声波每秒平均反射次数n c d 即 平均吸声系数 设室内各反射面面积分别为S1 S2 Sn 吸声系数为 1 2 n 则室内表面的平均吸声系数为 室内声场经1 2s即接近稳态 左侧曲线 若声源停止 声音消失需要一个过程 首先直达声消失 混响声逐渐减弱 直到完全消失 右侧曲线 假设只考虑室内壁面与空气的吸收 则经t秒后 室内声能密度为式中 初始声能密度 w s m3 吸声系数 房间容积 m3 室内总表面积 m2 空气衰减系数 m 1 为声波在空气中每传播100m衰减的分贝数 定义 室内声场达到稳态后 声源立即停止发声 室内声能密度衰减到原来的百万分之一 即声压级衰减60dB所需要的时间 记作 单位秒 s 计算公式 赛宾 W C Sabine 公式意义 表示由于室内混响现象 室内声场的声能在声源停止发声后衰减的快慢 2 混响时间 房间一定 吸声量 愈大 愈小 通过调整各频率的平均吸声系数 获得各主要频率的 最佳 使室内音质达到良好 讨论 一 室内声场 二 室内声压级 三 吸声降噪量计算 二 室内声压级 1 直达声场 在室内 当声源的声功率恒定时 单位时间内在某接收点处获得的直达声能是恒定的 一个各向发射均匀的点声源 声强I W 4 r2 声能密度与声强的关系为所以对于指向性因数为的声源 在距声源中心r米处的直达声声能密度为 二 室内声压级 2 混响声场 声源辐射的声能经第一次吸收后 剩者为混响声 单位时间内声源向室内提供的混响声能为 因声功率恒定 故混响声能也恒定 壁面吸声仅吸收混响声 设室内声场达稳态时 平均混响声能密度为 声波每碰撞壁面一次 吸收的混响声能则为 每秒钟内碰撞次n 吸收的则为 因室内声场达稳态时 每秒钟由声源提供的混响声能等于被吸收的混响声能 所以即令平均声能密度 房间常数 m2 室内吸声状况愈好 值愈大 二 室内声压级 二 室内声压级 3 室内总声场 室内某点的声压级为 括号内第一项来自直达声 表达了直达声场对该点声压级的影响 r愈大 该项值愈小 即距声源愈远 直达声愈小 第二项来自混响声 当r较小 即接受点离声源很近时 室内声场以直达声为主 混响声可忽略 反之 则以混响声为主 直达声忽略不计 此时声压与r无关 当时 直达声与混响声声能密度相等 r称为临界半径 Q 1时的临界半径又称为混响半径 记为 讨论 二 室内声压级 3 室内总声场 临界半径为 临界半径与房间常数和声源指向性因数有关 房间内吸声状况愈好 声源指向性愈强 临界半径则愈大 在声源周围较大范围内可近似地视为自由声场 反之房间内大部分范围可视为混响声场 讨论 例 设在室内地面中心处有一声源 已知500Hz的声功率级为90dB 同频带下的房间常数为50m2 求距声源10m处之声压级 解 1 由声源位置可得其室内指向性因数Q 2 将式中各参量绘制成图 可以简便地确定出室内距声源r处的某点稳态声压级Lp 图室内声压级计算图 A B 11 例 设在室内地面中心处有一声源 已知500Hz的声功率级为90dB 同频带下的房间常数为50m2 求距声源10m处之声压级 解 1 由声源位置可得其室内指向性因数Q 2 2 由图Q 2与r 10m两线的交点A做垂线 虚线 与 50m2的曲线交于B点 由B向左方做水平线与纵轴相交 从而确定相对声压级 即 11dB 3 计算距声源10m处之声压级为 dB 一 室内声场 二 室内声压级 三 吸声降噪量计算 设吸声降噪前后室内平均吸声系数分别为和 吸声量分别为和 混响时间分别为和 则吸声降噪效果为或 三 吸声降噪量计算 混响时间可测 计算吸声降噪量 免除了计算吸声系数的麻烦和不准确 例 尺寸为14m 10m 3m 体积为420m3 面积为424m2的控制室内有一台空调 安装在10m 3m墙壁的中心部位 试通过设计计算使距噪声源7m处符合NR 50曲线 记录控制室尺寸 体积 总表面积 噪声源的种类和位置等 记录噪声的倍频程声压级测量值 记录NR 50的各个倍频程声压级 计算需要降噪量 处理前混响时间的测量值 并计算出处理前平均吸声系数 计算出处理后平均吸声系数 参考各种材料的吸声系数 然后选材确定控制室各部分的装修 例 尺寸为14m 10m 3m 体积为420m3 面积为424m2的控制室内有一台空调 安