噪声与振动控制4

1、噪声与振动控制 主讲：宋雷鸣 北京交通大学 声学基本原理 噪声评价与测量 噪声控制技术 第一部分、噪声控制技术 第四章、噪声控制技术 4.1、吸声(absorption)降噪技术 声音的产生必须具备声源，介质等条件，只有当声源、声 的传播和接受者三者同时存在时才构成对环境的污染。因此噪 声控制必须把声源、声的传播途径和接受者作为一个整体，从 声源控制，传播途径控制，接收者防护几个方面来考虑。一般 来讲，噪声控制技术主要包括吸声、隔声、消声和阻尼减振降 噪等。 吸声处理是控制音质和降低噪声的重要方法之一。 它是利用某些吸声材料或吸声结构吸收声能来降低噪声 强度的。 （一）吸声材料(sound a

2、bsorbing material) 1吸声材料的工作原理 多孔吸声材料是靠声波入射进入材料的孔隙 中而发生作用吸收噪声的。当声波入射到多孔材 料表面时，部分入射声波与材料的纤维或颗粒之 间产生内摩擦，由于空气分子的粘滞性和热传导 效应，使声能转化为热能而损耗掉，进而达到降 噪的目的。 一般常用的吸声材料都指多孔吸声材料好 的吸声材料必须具有好的“透气性”，即要求 材料内部的孔隙要彼此相连。吸声材料包括纤 维类、泡沫类和颗粒类，其中纤维类最为常见 如超细玻璃棉、矿渣棉、化纤棉等。泡沫类材 料包括泡沫塑料、海绵等，颗粒类有膨胀珍珠 岩，软木制品、木屑制品等， 2.种类 3.多孔性吸声材料的结构特

3、点 多孔材料必须具有大量微孔，各孔之间要 连通并通到材料表面，使空气可以自由进入。 4.吸声材料的性能 A. 吸声系数 吸声系数等于被吸收的声能(E)对入射声能 (E0)之比。即: 0 E E 入射声能 吸收声能 完全反射材料的吸声系数，完全吸收的材料， 吸收系数,一般材料的吸声系数都在0到1之间。但 只有材料的平均吸声系数在0.1以上的材料，才能 作为吸声材料。实际中的平均吸声吸声系数定义为 : 6 )( 400020001000500250125 aaaaaa am 常用国产吸声材料的吸声系数(驻波管法 0) 各频率的吸声系数 材料名称 容重 kg/m3 厚度 12525050010002

4、0004000 产地 2.50.020.070.220.590.940.94上海 50.050.240.720.920.900.98上海 15 100.110.850.880.830.930.97上海 50.100.350.850.850.860.86上海 超细玻璃棉 20 100.250.600.850.870.870.85上海 60.250.550.780.750.870.91北京 240 80.350.650.650.750.880.92北京矿渣棉 15080.300.840.930.780.930.94北京 50.110.300.500.500.500.52北京 工业毛毡370 70.

5、180.350.430.500.530.54北京 4040.100.190.360.700.750.80上海 聚氨脂泡沫塑料 4580.200.400.950.900.980.85上海 20.150.150.160.340.780.52北京 40.190.200.480.780.420.70北京 木丝板 80.250.530.820.630.840.59北京 50.160.460.640.480.560.56北京 水泥膨胀珍珠岩板350 80.340.470.400.300.480.55上海 矿渣膨胀 珍珠岩吸声砖 700-80011.50.380.540.600.690.700.72北京 A

6、=0.163V/T 式中：V混响室体积(m3)； T混响时间(s)； A室内总吸声量(m2)。 吸声系数随入射角而改变，通常吸声系数是指 在混响室中测量而用赛宾混响公式算出的吸声系数。 它包括了各种入射角，计算公式为： B.吸声系数的测量 b混响法 室内全空时测得的吸声量为A0，面积为S(m2)的吸声 材料放入后所测得的吸声量为A1，则吸声系数为: =(A1-A0)/s=A/s 式中A为该吸声材料的吸声量。 a驻波管法 )(cosxlktPp ii )(cos xlktPp ii 则有合成的振幅为: 2/122 )(2cos2 xlkPPPPP riri ri PPP max ri PPP m

7、in SWR r r P P p p 1 1 min max 进而: 有: i r p P P SWR SWR r 1 1 i r p P P SWR SWR r 2 2 0 ) 1( 4 1 C.在选用吸声材料时必须注意以下几点： （1）吸声材料的材料的容重。 材料的较大吸声系数值向低频移动，当吸 声材料的容重过大时，吸声系数降低，因此各 种吸声材料有最佳的容重值。 为了改善吸声材料的低频吸声性能，可在材 料层和刚性壁面之间留出一定厚度的空腔，这相 当于增加了材料层的有效厚度，即可以使吸声材 料结构的低频性能增加。 （2）空气层 多孔材料的低频吸声系数一般较低，当材料的厚 度增加时，最佳吸声

8、频率向低频方向移动。对同种材 料而言，材料厚度加倍，吸声系数的最大值向低频移 动一个倍频程，若材料的背后为刚性壁面，则材料的 最佳吸声系数的频率出现在波长为牧系暮穸鹊4倍的 频率处。材料的厚度越大，低频的吸声系数越大，但 在中高频处的吸声系数变化不大 （3）吸声层的厚度 超细玻璃棉的吸声特性 吸声体是一种悬挂式的高效的吸声结构，同粘贴在墙面的 吸声材料相比，由于声波可以撞击在空间吸声体的各个表面， 使得材料的利用率大大提高，吸声效果要好得多。空间吸声体 用穿孔板（钢、铝等材料）作成各种形状，如板形，棱柱形， 球形等，通常填充或衬贴矿渣棉、超细玻璃棉等吸声材料。 （4）空间吸声体。 空间吸声体的

9、布放应注意如下的几条原则： （1）在车间或建筑物的天花板上，适宜采用分散式布置空间 吸声体。 （2）吸声体的面积与天花板的面积比值对降噪效果影响很大， 吸声体的面积增加一倍，噪声的降低值为 2-3dB。当面积比超 过 50%时，天花板上已很难在布置吸声体，如面积更大则将 改变吸声体的特性，而使吸声系数下降。最佳面积比。建议为 1/2-1/3 为宜。 （3）安装的高度以 75cm 效果最好，排列方式采用以条形方 案最好。 （4）吸声降噪值一般最大为 10.5dB，高频时可达 12.5dB。 空间吸声体，特别使用于降低大车间的噪声以及地下建 筑，对其混响时间的控制和吸声降噪，都可达到较好的效果。

10、吸声材料在使用时，由于吸声材料一般很疏松， 无法直接使用，因此需要增加护面层。护面层一般有 护面穿孔板和纱网。护面穿孔板可以金属板塑料板胶 合板等制成，一般情况下，穿孔率不应低于20%，穿 孔率越大，中高频的吸声性能越好，穿孔率越小，中 高频的吸声性能越差，但对提高低频的吸声性能有利。 （5）.护面层 （二）、吸声结构 一般的吸声结构都是共振结构，利用共振的原理 吸收声能，往往能获得较好的低频吸声效果。常用的 吸声结构有下列几种： 1.板状（或薄板）吸声结构 2.穿孔板与微穿孔板吸声结构 1.板状（或薄板）吸声结构 结构： 板状吸声结构是一种有效频率很低的吸声结构。 任何一种不透气的材料装在墙

11、壁上，并保持一 定的空气层，就成为板状吸声结构。 原理： 当声波入射到材料表面时，激起 由于板具有劲度和质量，同时板本身和板与周围 的连接处有阻尼存在，进而将振动的机械能转化为热 能，达到吸声的目的。当声波的入射频率接近于振动 系统的固有频率时，系统将发生共振，此时吸收的声 能最大，即此频率处系统的吸声系数达到最大值。 壁板的振动。由于薄板和其后面的空气曾组成振动系 统，相当于质量弹簧块，薄板相当于质量块，空气相 当于弹簧。 薄板共振吸声结构的共振频率可按下式计算： )( 600 2 0 Hz DMDM c f 其中：M为薄板的面密度（kg/m3），D为空气层厚度(m)， 空气密度（kg/m3

12、），C为声速(m/s)。 注意：实用中，板的厚度通常取3-6cm，空气层的厚度 一般取3-10cm，其共振处的吸声系数可达0.5以上，当空 气层中填充多孔吸声材料，又在板与龙骨之间垫衬一些 阻尼材料时，可使吸声频带变宽，吸声量也有所增加。 2穿孔板共振吸声结构： 穿孔板共振吸声结构可以看成是多个共振吸声器组合 而成的。单个共振吸声器又称为亥姆霍兹共振器，是一个 具有开口的体积为V的空腔，如图所示。 1)亥姆霍兹共振器: 结构: 原理: 开口的直径为d，孔颈长为L，空腔中 的空气相当于一个弹簧，当声波入射 到颈中空气时，颈中的空气发生象活 塞一样往返振动，它与颈壁的摩擦作 用，使一部分声能转化为

13、热能而消耗。 当外来声波的频率与共振器的固有频率相同时，就发 生共振，此时的吸声效果更好。 亥姆霍兹共振器的共振频率可由下式求出： V GC f 2 0 式中：C空气中声速，取340m/s； V共振腔体积(m3)； G传导率(m)， ； d共振腔开口直径(m)； L共振腔孔颈长度(m)。 dL d G 4 2 单个共振吸声器频率选择性很强，吸声频带很 窄，f0一般在几十至几百 Hz，往往用于低频吸声。在 工程实践中，常把多个共振吸声器组合起来形成组合 共振吸声器，以改善其频率特性。 组合共振吸声器实际上是一块打了许多孔的穿 孔板，其后设置空腔，因此又称为穿孔板吸声结构。 它的共振频率f0可用下

14、式计算： DL PC f k 2 0 式中：P穿孔率，即穿孔面积占总面积的百分比； D穿孔板后空气层厚度(m)； Lk颈的有效长度(m)。 当穿孔孔径dt，t为板厚(m)时，Lk由下式求得： Lk=t+0.8d 2)穿孔板共振吸声结构： 当空腔内壁贴吸声材料时： Lk=t+1.2d 当0.5时，吸声结构的频带宽度f为： D f f 0 0 4 3).孔的排列方式 3.微穿孔板的吸声结构 微穿孔板吸声结构是一种由板厚和孔径都在1mm以 下、孔隙率为1%-3%的金属穿孔板和一个空腔或两个腔 组成的复合吸声结构。 结构: 壳壁 空腔 空腔 气流通道 原理: 这种结构主要时利用声波传播 时，引起空气在

15、小孔中振动， 由于小孔具有阻尼的作用，进 而在振动时将机械能转化为热 能而消耗掉，从而达到消声的 目的。空腔的大小控制吸声峰 值的固有频率，腔越大，共振 频率越低。 使用的原则: a 板的厚度小于 1mm，常取 0.8 b 穿孔板孔径小于 1mm，常取 0.5-0.8 c 空隙率小于 3% d 双腔的总深度为 100-300mm，低频常取 300mm，中频 取 100mm，高频取 50mm。 e 板材取铝板或合金铝板，在有空调系统或比较干燥地 区，也可以选用镀锌铁板或普通钢板。 （三）、室内吸声降噪 1.室内声场的组成 2.扩散声场中的声能密度与声压级 3.室内声场的衰变和混响时间 4.吸声对

16、室内降噪的作用 1.室内声场的组成 自由声 混响声 2.扩散声场中的声能密度与声压级 自由程：在室内，声波经两次反射距离的平均值 定义为平均自由程： S V d 4 每秒的平均反射次数： V c n 4 当直达声的声功率为W时，提供的混响声能为： )1 ( W R 每次砰撞吸收的声能量为： V R 1 则有，每秒吸收的声能量为： )1 ( 4 W V cS V R 进而有： cR W Sc W R 4)1 (4 1 S R i ii S S SSS SSS 321 1332211 其中： 直达声的声能密度： cr WQ D 2 4 总的声能密度为： RD 而： cP e / 2 则有： ) 4

17、 4 ( 2 2 Rr Q cWP e 可得声压级与声功率级之间的关系为： ) 4 4 lg(10 2 Rr Q LL Wp 当直达声与混响声声能密度相等时的R，称为混响半径。 Rr Q4 4 2 此时： 则有： QR r e 4 1 3.室内声场的衰变和混响时间 当声源关闭后，声波在空间内进行反射，在T秒 内室内平均声能密度为： t V cS 4 1 )1 ( 考虑空气传声的衰减应有： mct t V cS e 4 1 )1 ( 则有，混响时间T60： mVS V T 4)1ln( 161. 0 60 4.吸声对室内降噪的作用 ) 4 4 lg(10 2 Rr Q LL Wp 室内一点的声压

18、级为： 假设室内在吸声处理前后的房间常数为R1、R2， 则有相应的声压级为： ) 4 4 lg(10 1 2 1 Rr Q LL Wp ) 4 4 lg(10 2 2 2 Rr Q LL Wp 当远离声源时有： )1 ( )1 ( lg10)lg(10 21 12 1 2 R R Lp 4.2.隔声(isolating sound) 噪声在环境中的传播主要有以下的几种途径： （1）是声源产生的噪声在空中通过缝隙、窗户等 直接传播到环境中， （2）是声波在空气中传播时，遇到障碍物（如墙 壁）时，声波激障碍物的振动，由障碍物的振动将 噪声传播出去， （3）声源的振动直接激起相连的物体的振动，在 由

19、振动的物体向外辐射噪声。 一、概述 前两种传播噪声的方式称为“空气传声”，而后一种 噪声的传播方式称为“固体传声”。 空气传声：一般可以采用隔声的方法进行噪声控制， 所谓的隔声是指通过采用一些结构将噪声区和安静区 隔离开的一种噪声控制方法。隔声是噪声控制中行之 有效的技术措施之一。 固体传声：一般可采用减振隔振的方法进行降噪 二、 隔声性能的度量 对结构隔声性能一般可采用，透射声功率与 入射声功率的比值来衡量，即声透射系数，其定 义为： 1 2 W W 式中：W2-透射声功率，W1-入射声功率。 在实际的工程中习惯上常采用隔声量来表示， 其透射系数之间有如下的关系 1 lg10 R 可描述为透

20、射系数的倒数取对数乘以10，单位为分贝。 三、隔声原理 1.单层均质构件的隔声原理 i P t P r P 1 r P 2 i P 2 ab D 设空气的特征阻抗率为 ， 介质的特征阻抗率为 ，入 射声波的声压和质点的速度分 别为： 11c 22c )cos( 1x ktPp ii )cos( 1 11 xkt c P u i i 空气中的反射波声压和质点的速度为： )cos( 1x ktPp rr )cos( 1 11 xkt c P u r r i P t P r P 1 r P 2 i P 2 ab D 在第二介质中的透射波及反射波 的声压和质点速度分别为： )cos( 222 xktP

21、p ii )cos( 2 22 2 2 xkt c P u i i )cos( 2 22 2 2 xkt c P u r r )cos( 222 xktPp rr )cos( 1x ktPp tt )cos( 1 11 xkt c P u t t 透射声波在隔层的另一侧的声压和质点速度为： 在交界面a处有： riri PPPP 22 22 2 22 2 1111 c P c P c P c P riri 0 x 在交界面b处有： )cos()cos()cos( 12222 DktPDktPDktP tri )cos()cos()cos( 1 11 22 2222 DktP c c DktPDk

22、tP tri tDktDk tDk P P r c c c c c c c c i r p sinsin)(coscos2 sinsin)( 22 2 22 11 11 22 22 11 11 22 求解得： 声强透射系数： DkDk r c c c c pl 2 22 2 2 2 sin)(cos4 4 1 22 11 11 22 当： 1 2 Dk 可简化为： 2 2 )(4 4 11 22 Dk c c I 令M=D2 为固体媒质的面密度： 2 2 )(1 1 11c M I ) 2 (1lg10 1 lg10 2 11c M R 则有隔声量为： 1) 2 ( 2 11 c M 当 时有

23、： 42lg20lg20 2 lg20 1 lg10 11 Mf c M R “质量定律”： 当频率或面密度增加一倍，隔 声量增加6分贝。 际中的声波一般是无规入射的，上式的计算值与 实际值之间存在着较大的差别，一般采用下面经 验公式计算得到： )(26lg5 .14lg5 .14dBMfR 2.单层均质隔声墙的影响因素： 单层均质板的隔声性能除与板的面密度、入射 声波的频率及入射角度有关外，实际上还与板的阻 尼、刚度等因素有关。对单层均质墙的隔声性能从 理论上和工程实践中可以采用如图所示的隔声频率 特性曲线进行更为细致的描述。 一般隔声频率特性曲线，可分为三个区域： 1）区域为劲度和阻尼控制

24、区， 2）区域为质量控制区， 3）区域为吻合效应和质量定律延伸区。 劲度:此时隔声量随频率的增加每倍频程下降6分贝 共振区:有一系列共振频率，这些共振频率取决于板 的性质及边界条件，共振区的大小与墙的性质、大 小、及厚度等因素有关，常见的建筑结构的共振频 率一般低于100赫兹。 在此区域内板的隔声性能遵循隔声的质量定律， 板的面密度越大，入射声波的频率越高，板的隔 声量越大 吻合效应: 指某一频率的声波以一定的角度投射到板材上， 使入射声波的波长在板材上的投射正好与板的固有弯 曲波长相等，从而激发板材固有振动，向另一侧辐射 强度很大的声波。 临界频率: 发生吻合效应的最低频率称为临界频率 ，它

25、决定了 板材的使用频率范围的上限，在此频率以上，每一频率 都有一个特殊的入射角，使得声波的频率与板材结构的 简谐振动方式相符，产生大幅振动，使板材的隔声性能 变坏。板材的临界频率可以按下式计算: Et c fc 12 2 2 由上式可以看出临界频率的大小与材料的物理性质 和结构有关，同一种材料，临界频率与面密度成反比。 当结构发生吻合效应时，可以通过减低材料的厚度，提 高材料的结构的临界频率的方法，扩大结构的有效隔声 频率范围，或提高结构的阻尼的方法来提高结构的隔声 量。 3.双层结构的隔声 i P t P r P 1 r P 2 i P 2 ab D 注意：一般说，双层隔声结构比同样重量的单

26、层结构 隔声量大510dB；当隔声量相同时，双层结构的重量 要比单层结构减少2/3到3/4。 双层结构隔声性能好的主要 原因是：中间的空气层(或填 有吸声材料的空气层)对声波 引起的第一层的振动具有弹 性缓冲作用和吸声作用，使 振动得到较大衰减后才传到 第二层，因而提高了整体的 隔声量。 1）原理： 2）共振频率 双层结构中间的封闭空气层相当于一个弹簧，使整个 结构的性能类似于“质量弹簧质量”组成的共振 系统。 声波以法向入射时的共振频率称为基本共振频率f0： dmm mmC f 21 21 2 0 0 )( 2 1 式中：m1、m2分别为两层的面密度(kg/m2)； d空气层厚度(cm)； 0空气密度(kg/m3)。 3）应注意的问题 3）应注意的问