吸声和室内声场课件

吸声和室内声场室内噪声的来源：通过空气传来的直达声室内各墙壁面反射回来的混响声室内混响声对环境的影响：混响使室内噪声级增加，如一列火车进入隧道以后的噪声级比行驶在空旷的野外可高出5-10dB;混响对听觉的干扰；一、吸声材料多孔性吸声材料（针对高频噪声控制）材料特征：内部有许多小孔，并与材料表面相通，具有通气性。吸声机理：声波投射到多孔材料表面时，部分投入的声波与纤维或颗粒表面产生内摩擦（摩擦力来自空气的压缩、膨胀），部分声能转变成热能，从而使声音的能量减小。多孔性吸声材料分类：无机纤维（如玻璃棉、岩棉等）有机纤维（如植物纤维、木质纤维等）泡沫材料（如泡沫塑料、泡沫混凝土等）吸声建筑材料（如微孔吸声砖）共振吸声结构（针对低频噪声控制）材料特征：薄膜或薄板表面穿孔吸声机理：应用共振原理

1）声音与薄板（薄膜）固有频率产生共振

2）声音与板后空腔气室空气产生共振共振吸声结构的分类微穿孔板吸声结构（小于1mm微孔）穿孔板共振吸声结构（共振腔结构）薄板或薄膜吸声结构（材料本身产生共振）二、吸声特性的描述1）吸声系数：a代替τI当a＝0时，无吸声当a＝1时，完全吸收，无声能反射1）吸声系数a是频率的函数，为研究问题方便，常用中心频率为125，250，500，1000，2000，4000Hz的吸声系数的平均值，称为平均吸声系数2）吸声量：A：材料的总吸声量Si：材料i的吸声表面积(m2)可推知，吸声量A的单位是m22）驻波管法基于振幅合成,产生驻波时:驻波比n波腹：波节：三、吸声系数的测量1)混响室法（第四节中详细讲）声强系数与声压系数之间为平方关系，即：由于a代替τI得到：比较两种吸声测量方法可知：基于声音传播方向的无规则性，混响室法测得的吸声系数更接近材料的实际应用环境；但测定吸声系数较困难，两种方法测定的吸声系数可以进行换算（书中121页，表7-1）。第二节多孔材料的吸声机理和影响吸声性能的因素一、吸声机理由于当Zsm（材料声阻抗率）与ρc相等时，a＝1，说明材料将声音完全吸收，但在实际应用中不可能。理想吸声材料要求其声阻抗率接近于空气的特性阻抗率。压缩、膨胀、摩擦、产热降低声音能量二、影响吸声性能的因素材料的厚度材料的密度材料层于刚性面间的空气层护面层（多应用于多孔疏松材料）空间吸声体（室内悬挂吸声体）A：材料厚度多孔材料对高频率声音吸声效果明显，即在高频区吸声系数较大；多孔材料对低频率声音吸声效果差，即在低频区吸声系数较小；随着材料厚度的增加，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；材料厚度（最佳吸收频率下的波长）当声音频率大于500Hz时，吸声系数与厚度无关。B：材料密度（容重）随着材料密度的增大，最大吸收系数amax向低频方向移动.C：空气层即：材料层与刚性面间的空气层；当空气层厚度d=1/4λ时，吸声系数a最大；对于低频率声音来说，λ较大，空气层厚度也要加大，在工程上增加空气层厚度不太合适(对于房顶可适当增加空气层的厚度)，一般5-10cm。D：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；穿孔率（P），即穿孔总面积与未穿孔总面积的比值，穿孔率越大，对中高频率声音吸收效果越好，穿孔率越小，对低频吸收效果越好。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3）当孔为平行狭缝时穿孔率计算：E：空间吸声体即：将吸声体悬挂在室内对声音进行多方位吸收；吸声体投影面积与悬挂平面投影面积的比值约等于40％时，对声音的吸声效率最高；该法节省吸声材料，对工厂、企业的吸声降噪比较适用。第二节共振吸声结构分类与吸声原理一、共振吸声结构分类薄板或薄膜共振吸声结构单空腔共振吸声体穿孔薄板共振吸声体1）薄板（膜）共振吸声结构基于空气的体积弹性量为ρc2

假设空腔厚为L，则弹性系数根据弹簧振子共振频率代入得到：其中：M：薄板面密度,Kg/m2L:空腔厚度，cmf:Hzρ:空气密度薄板共振吸声结构的应用范围：薄膜吸声结构的共振频率通常在200-1000Hz范围，最大吸声系数约为0.3-0.4，一般作为中频范围的吸声材料。当薄板固定在刚性面骨架上时，薄板和板后的封闭空气层，也构成振动系统，其共振频率按书中P.128－7-8公式计算，其中K与板的弹性、骨架构造、安装情况有关。2）单腔共振吸声体共振吸收频率：其中：S：孔面积，m2V：空腔体积，m3t：孔深度，mδ：孔口修正量，mt+δ为有效颈长，对于直径为d的圆孔，δ＝πd/43）穿孔薄板共振吸声体（多腔共振吸声体）假设：S：每各孔面积,m2A：共振单元薄板面积,m2D：空气层厚度，m则穿孔率P＝S/A，每个共振腔体积V＝AD其共振频率为第三节室内声场和吸声降噪一、声场的分类直达声场：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。扩散声场：房间内声能密度处处相同，而且在任一受声点上，声波在各个传播方向作无规则分布的声场。（扩散声场包含直达声场和混响声场，是由两声场叠加形成）二、扩散声场的声能密度和声压级1、直达声场对于点声源，直达声的声强为：因为：所以：所以直达声声能密度：又由于：所以直达声声压级为：2、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。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。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则混响声场平均声能密度为：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：3）总声场把直达声场和混响声场叠加形成总声场。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：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Q＝1时的临界半径又称为混响半径。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，则吸声降噪处理效果不明显。三、室内声音的衰减和混响半径混响声：由于室内存在混响，声音发出后，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”。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：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：

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（即书中第140页，7-43公式），则t秒后平均声能密度衰减为：则：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：无吸声材料时：有吸声材料时：由于：所以：混响室法测吸声系数四、吸声降噪量设吸声前的声压级为：吸声后的声压级为：则：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：

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。第四节室内简正方式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。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，P＝2PiA：当（nx=0,1,2,3……..）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：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。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х-у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：该方程形成驻波条件为：由于：所以：其中：nx=0,1,2,3……nny=0,1,2,3……n

即在二维空间，每个nx和ny对应一个简振频率，共有nx×ny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：则简振方式个数:其中：Lx、Ly、Lz分别为房间长、宽和高（m）V＝Lx·Ly·Lz（即房间体积