吸声与室内声场

关于吸声与室内声场

噪声控制概述

噪声控制途径传播途径声源材料：以塑代钢工艺：降低气流速度隔声：减少噪声的透射，降低直达噪声；吸声：减少反射声音，降低室内噪声；消声：降低空气动力噪声和通风孔传播噪声接受者：设计：增加精度、减少摩擦，减振设计个体噪声防护（耳塞、耳罩、隔声头盔）。第2页,共82页，2024年2月25日，星期天第三章吸声及室内声场本章内容：吸声的作用与意义：①降噪②提高室内语言清晰度吸声系数及其测量方法；①驻波管法②混响室法吸声降噪方法：①多孔吸声材料法；②共振吸声法：穿孔板法室内声场：①直达声场；②混响声场吸声方案设计：①降低噪声声级吸声设计；②降低混响时间吸声设计。第3页,共82页，2024年2月25日，星期天第一节吸声作用与意义一、降低室内混响声场声级声音在室内多次反射，其叠加声级增加5～12dB，因此一般而言吸声降噪最大的降噪量不超过10dB。对于1000Hz的声音，降低10dB相当于降低响度级10方，对应的响度降低1倍，吸声降噪效果明显。

说明：

吸声降噪只对混响声场（反射声音）产生作用，对直达声场（声源直接传播声音）无任何降噪作用，所以，吸声只能对室内远离主要声源的区域产生作用。第4页,共82页，2024年2月25日，星期天二、提高室内语言的清晰度

当直达人耳的声音与反射后到达人耳的声音相差50mS(0.05S)时，人耳便能将二者区分开，反射声开始对直达声产生干扰，降低语言的清晰度。通过吸声方法，可减弱反射声音，降低混响时间，从而提高室内语言清晰度。第5页,共82页，2024年2月25日，星期天

第二节吸收系数及测量方法一、吸声系数1.定义：材料吸收的声能与入射声能之比。

第6页,共82页，2024年2月25日，星期天

吸声系数说明（1）α在0～1之间，α≥0.2材料称为吸声材料；（2）同一材料吸声系数随频率变化把材料对125、250、500、1000、2000、4000Hz6个频率吸声系数的代数平均值称为材料的平均吸声系数。（3）随入射角度不同而不同。第7页,共82页，2024年2月25日，星期天2.吸声系数分类根据入射角度，吸声系数经常分为两类：①垂直入射吸声系数：采用驻波管法测量；②无规则入射吸声系数：也称扩散入射吸声系数，采用混响室法测量。第8页,共82页，2024年2月25日，星期天第9页,共82页，2024年2月25日，星期天二者无确定对应关系，但可通过实验所测数据获得参考关系：一般无规则入射系数大于垂直入射系数。垂直入射系数0.100.200.300.400.500.600.700.80扩散入射系数0.250.400.500.600.750.850.900.98

与之间关系：

与参考换算表第10页,共82页，2024年2月25日，星期天驻波管法

只能测量单一频率垂直入射声音的反射系数。（1）仪器构造:驻波管；可移动声音信号探头；探头信号处理器；平面波发声喇叭；单一频率声音信号发生器；标尺。

二、吸声系数测量方法第11页,共82页，2024年2月25日，星期天第12页,共82页，2024年2月25日，星期天（2）驻波管测量原理：

单一频率的平面波在驻波管内经被测吸声材料反射后形成驻波，移动可动探头测量最大声压Pmax与最小声压Pmin，可获得驻波比：理论上可得：第13页,共82页，2024年2月25日，星期天2.混响室法(1)混响概念混响：声音在有限空间内多次反射叠加的过程。混响时间T60:声源关闭后，混响声能密度衰减为原来的百万分之一（声级衰减60分贝）所需时间。(2)装置构成：

a.混响室：体积为100～200M3，内衬高反射系数材料（如钢板或瓷砖）的封闭房间。

b.混响时间测量仪。第14页,共82页，2024年2月25日，星期天（3）混响室测量方法与原理

把待测材料10～12M2放入混响室，分别测量放入样前后的混响时间和，则：其中：——混响室原墙面吸声系数

V——混响室体积

S——被测材料面积第15页,共82页，2024年2月25日，星期天第三节多孔吸声材料一、多孔吸声材料法:1.多孔吸声材料：

内部具有许多相通微孔或气泡，且微孔与材料表面相通的材料。2.吸声机理：

声能引起空气与多孔材料微孔或气泡壁摩擦生热，声能转换为热能。第16页,共82页，2024年2月25日，星期天二、多孔吸声材料吸声吸声频谱特性说明：（1）与第一吸收峰对应的频率叫第一共振频率

（2）与第一吸收谷对应的频率叫第一反共振频率（3）多孔吸声材料对中高频吸声效果好，吸声频率范围宽。第17页,共82页，2024年2月25日，星期天三、影响多孔吸声材料吸声特性的因素材料密度：最佳密度值：如玻璃棉15～25kg/m3;2.厚度:增加厚度对低频吸收效果有改善，一般5～25cm第18页,共82页，2024年2月25日，星期天3.后空腔:（P123图7-3）增加空腔厚度，中低频吸声系数提高；空腔厚度为波长的1/4,吸声系数最大；为波长的1/2,吸声系数最小。第19页,共82页，2024年2月25日，星期天4.护面层：

a.金属格网、窗纱、丝布:影响小；

b.塑料薄膜：对中频吸声有所提高；

c.穿孔板：20％以上穿孔板提高低频吸声系数第20页,共82页，2024年2月25日，星期天贴墙护面吸声结构：

一定厚度的吸声材料直接或以一定厚度的空腔贴在室内墙上。空间悬挂吸声体

把有罩面的多孔吸声材料悬挂于建筑物屋顶，吸声效果显著。吸声尖劈：

把吸声材料做成尖劈形状，具有高效吸声效果。四、多孔吸声材料的应用第21页,共82页，2024年2月25日，星期天空间吸声体式样第22页,共82页，2024年2月25日，星期天第23页,共82页，2024年2月25日，星期天

垂直悬挂吸声体（扬州新体育馆）第24页,共82页，2024年2月25日，星期天水平悬挂吸声体第25页,共82页，2024年2月25日，星期天杭州大剧院悬挂吸声体第26页,共82页，2024年2月25日，星期天第27页,共82页，2024年2月25日，星期天第28页,共82页，2024年2月25日，星期天尖劈吸声结构第29页,共82页，2024年2月25日，星期天吸声尖劈第30页,共82页，2024年2月25日，星期天消声室第31页,共82页，2024年2月25日，星期天共振吸声结构形式：

①穿孔板(微孔板)共振吸声结构②薄膜、薄板共振吸声结构③薄塑盒式吸声体共振吸声特点：吸声吸声系数大；吸声频率范围窄；主要是对低频吸声。第四节共振吸声结构第32页,共82页，2024年2月25日，星期天一、穿孔板共振吸声原理tdV1.单腔共振吸声模型(亥姆霍斯共振器）

当腔孔深度t与直径d远远小于声波波长时，腔体内空气相当于弹簧，腔孔气柱可看成是质量质点，系统如弹簧振子，称作亥姆霍斯共振器。当亥姆霍斯共振器发生共振时，腔孔气柱与孔壁剧烈摩擦，使声能转换为热能。第33页,共82页，2024年2月25日，星期天2.单腔共振吸声结构共振频率其中：c——声速

V——空腔体积

S——腔孔面积（m）

t——孔深

δ——孔口末端修正量，对于园孔：第34页,共82页，2024年2月25日，星期天二、穿孔板吸声结构1.一般构造

穿孔板及其与墙面构成的空腔构成穿孔板吸声结构，其效果相当于多个单腔共振器。2.具体构造：

穿孔板穿孔率q：1％～10％板厚t：2～5mm

孔径d：2～4mm

空腔深度L：10～25cmtdL第35页,共82页，2024年2月25日，星期天3.穿孔率计算方法孔等三角形排列：

孔正方形排列：

其中：d——孔直径

B——孔中心距BdBd第36页,共82页，2024年2月25日，星期天三、穿孔板共振频率其中：c——

声速

q——穿孔率

L——空腔深度

t——

板厚

δ——

孔口末端修正量（园孔：0.8d,d为孔径）说明：①穿孔率越高，共振吸声频率越高；②腔深、材料厚度及孔径越小，共振吸声频率越高。

③按照前面所给出的穿孔板结构的参数，共振频率的范围为：379～2853Hz。第37页,共82页，2024年2月25日，星期天四、共振吸声频率带宽1.相对宽度：

f0处吸声系数为，f0附近下降至/2频带的宽度；第38页,共82页，2024年2月25日，星期天2.绝对宽度：吸声系数大于0.5的频带的宽度。

0.5洪宗辉教材给出绝对宽度计算公式：

据此该教材认为吸声带宽与空腔深度L成正比。实际上考虑到：可得出：

应与腔深L无关。

第39页,共82页，2024年2月25日，星期天五、穿孔板的改进措施

缩小孔径，（微孔板）；在穿孔板厚腔填充多孔吸声材料，吸声系数增加，带宽也增加；在同一穿孔板上传不同孔径的孔，形成多个共振吸声频率，吸收不同频率声音，增加带宽；使用双层不同穿孔率的穿孔板。改进后的穿孔板吸声吸声可达0.9，带宽可达2～3各倍频程，可满足实际使用要求。第40页,共82页，2024年2月25日，星期天六、微孔板

一般穿孔板缺点：孔径大、吸声系数低、吸声频带窄。20世纪70年代，中科院院士马大猷提出微孔吸声理论，其理论核心是减小穿孔板孔径至1mm以下，可使穿孔板机构吸声效果大大提高。1.微孔板吸声结构孔径：d＜1mm

板厚：t＜1mm

穿孔率q：1～5％空腔深度L：5～20cm第41页,共82页，2024年2月25日，星期天2.微孔板吸声效果吸声系数可达0.9，吸收带宽可达2～3个倍频程。

微孔板吸声系数实测（驻波管法）

结构

中心频率

孔径

mm板厚mm穿孔率空腔深

cm1252505001k2k0.80.81％150.370.850.870.20.350.80.82％，1％8，120.480.970.930.640.15第42页,共82页，2024年2月25日，星期天微孔板应用实例

1993年德国投资2.7亿马克建成的新国会大厦，由于为圆形结构，大厅中心产生声音聚焦，无法使用。在世界范围内招标进行改造，中国因采用微孔板技术方案而中标。具体工艺方案如下：

a.

材料与工艺：有机玻璃板上用激光打微孔；

b.微孔板参数：板厚t=5mm,

孔径d=0.55mm，孔距B=6mm，穿孔率q=1.4%,

第43页,共82页，2024年2月25日，星期天第五节室内声场一、室内声场基本概念平均自由程

声波在室内两次反射之间所经过的距离叫自由程，自由程的统计平均值称为平均自由程d。计算公式：

其中：V——室内体积

S——房间内壁总面积声源d1d2d3第44页,共82页，2024年2月25日，星期天由平均自由程可得平均反射时间间隔：平均单位时间反射次数：第45页,共82页，2024年2月25日，星期天2.室内墙面吸声量平均吸声系数

（1）室内墙壁吸声量定义:（2）室内墙壁平均吸声量定义:

Si——室内各个墙壁面积，

——各墙壁吸声系数。第46页,共82页，2024年2月25日，星期天二、室内声场的建立与消失过程增长稳态衰减时间声能密度增长阶段：声源开启，声音多次反射，声能密度不断增加；稳态阶段：声源提供的声能与墙壁吸收相等，室内声能密度达到稳定；衰减阶段：声源关闭，声波继续在室内反射，并逐渐被墙壁和空气所吸收。第47页,共82页，2024年2月25日，星期天三、稳态室内声场

室内声场＝直达声场+混响声场直达声场：声源直接发出、未经反射的声音所形成的声场；混响声场：声音经过一次或多次反射在室内形成的声场（ReverberantSoundField）。第48页,共82页，2024年2月25日，星期天1.单个点声源的直达声场室内点声源直达声场声强：其中：Id

——直达声强

W——声源功率

r——与声源距离

Q——声源指向因子，代表声源在室内被等效加强的情况，与声源在室内位置有关。

第49页,共82页，2024年2月25日，星期天

点声源在室内的位置

自由空间状况

指向因子室内空间中心

全自由空间Q=1

某一壁面中心半自由空间Q=2

两壁面交线中心1/4自由空间Q=4

墙角顶点1/8自由空间Q=8第50页,共82页，2024年2月25日，星期天直达声能密度：直达声场声压：直达声场声级：

室内直达声场的声级与声源功率、声源在室内的位置以及与声源的距离有关。第51页,共82页，2024年2月25日，星期天2．混响声场单位时间声源向混响声场补充能量：单位时间墙壁吸声能量：

其中：Dr为稳态混响声场声能密度。

其中：

称为房间常量（单位为m2），反映房间吸声特性。稳态声场前二者应相等，由此得出稳态混响声场声能密度：第52页,共82页，2024年2月25日，星期天混响声场声级：混响有效声压：混响声场声强：混响声场声能密度：第53页,共82页，2024年2月25日，星期天3．单个点声源的室内总声场总声能密度：总声级：总声强：第54页,共82页，2024年2月25日，星期天讨论：

①在声源附近，＞＞，以直达声场为主，混响声场可忽略；②在远离声源处，＞＞，以混响声场为主，直达声场可忽略。③远离声源处，室内声级与声源距离几乎无关，声级与声能密度处处相等。总声级：第55页,共82页，2024年2月25日，星期天4．混响半径

得混响半径：

定义：

直达与混响声强相等处距声源的距离称为混响半径。

直达声场声强：

注：洪宗辉教材把称为临界半径；而把Q=1时的临界半径称为混响半径。

混响声场声强：

由：

第56页,共82页，2024年2月25日，星期天

例1：教室尺寸12×5×3m,平均吸声系数0.2，教师站在讲台中间讲课，求混响半径rc?解：房间总面积S=222m2;Q=2房间常量：第57页,共82页，2024年2月25日，星期天四、室内声场衰减与混响时间混响时间声源停止发声后，声场声能密度衰减至原来的百万分之一（即衰减60dB）所需时间。2.混响时间计算公式

有多个计算公式，其中之一为赛宾公式：说明：混响时间可通过仪器直接测量。实际当中，通过测量混响时间可获得房间的吸声量A或平均吸声系数。第58页,共82页，2024年2月25日，星期天3.工程混响时间要求:

当混响时间太长时，混响半径外的听众会感到所听到的语言不清，为此，必须根据实际需要限制混响时间：

会议室：0.5～1.2秒影剧院：1.2～1.5秒音乐厅：1.6～2.1秒第59页,共82页，2024年2月25日，星期天

第六节吸声设计一、降噪量的计算

吸声降噪只能对混响声场有作用，换言之，吸声只能对混响半径以外的区域有作用。为此，计算降噪量，只需考察混响声场便可。

吸声处理前混响声场：

吸声处理后混响声场：

吸声降噪量：第60页,共82页，2024年2月25日，星期天考虑到

其中

、降噪量：分别为吸声处理前后混响时间。第61页,共82页，2024年2月25日，星期天二、降噪设计吸声降噪设计原则（1）尽可能先做声源处理（改进设备、隔声、消声）；（2）只有原吸声吸声较小才能达到较明显吸声效果；（3）需要降噪区域（工作岗位区）在混响临界半径外，否则考虑与隔声技术联用；（4）预期降噪目标4~12dBA，一般为5~7dBA；（5）选择材料除考虑经济因素外，更应考虑其防火、无毒副作用、防潮、防腐。（6）吸声设计要考虑装修装饰的美观与牢固。第62页,共82页，2024年2月25日，星期天《工业企业噪声控制设计规范》（GBJ87－85)《声学开放式工厂的噪声控制设计规程》（GBT20430-2006）《声学隔声罩和隔声间噪声控制指南》GB/T19886-20052.吸声设计标准依据第63页,共82页，2024年2月25日，星期天（1）考查噪声现场：房间尺寸、房间平均吸声吸声或混响时间、声源位置（确定指向性因子及直达声区）、工作岗位与声源距离等。由此决定采取吸声处理的可行性。（2）测量需要降噪工作岗位处（混响区）的噪声频谱；（3）确定降噪总声级目标，并将该目标分解为各倍频程的降噪目标。降噪目标的分解有两种：

a）根据《工业企业噪声控制设计规范》（GBJ87－85)附表2.1分解；b）采用噪声评价数NR指进行分解指标；（4）根据分解后的降噪目标计算各频程吸声处理后室内应达到的平均吸声系数或吸声量A2i；（5）确定吸声材料的种类、数量。至此设计思路可分为两种：

a）先确定吸声材料的数量，再选择满足要求的吸声材料类型；

b）先确定吸声材料种类，再确定吸声材料的数量。另外安装方式也有两种：a)贴铺；b）吊挂3.吸声设计一般步骤第64页,共82页，2024年2月25日，星期天噪声限值（dB）倍频带允许声压级（dB）63125250500100020004000800090107979084818080828510292857976757577809787807471707072759282756966656567708777706461606062658272655956555557607767605451505052557262554946454547506757504441404042456252453936353537倍频带允许声压级查算表《工业企业噪声控制设计规范》(GBJ87－85)附表2.1:注：①本附表适用于8个倍频带起同样作用的情形；②进行隔声、吸声设计通常只考虑125~4000Hz六个倍频带。这时，本附表所列允许声压级值可放宽1dB。4.降噪指标分解方法（一）第65页,共82页，2024年2月25日，星期天中心频率f0(Hz)修正值(dB)中心频率f0(Hz)修正值(dB)31.5-39.41000063-26.220001.2125-16.140001.0250-8.68000-1.1500-3.216000-6.6A计权修正值4.降噪指标分解方法（一）《工业企业噪声控制设计规范》(GBJ87－85）降噪指标分解法：（1）将降噪总目标减9即为1000Hz倍频程降噪目标；（2）其他各倍频程降噪目标为1000Hz倍频程降噪目标减去相应频程计权修正量（四舍五入取整）；如：降噪目标为82dBA,则1kHz倍频程降噪目标为82-9=73dB,125Hz倍频程降噪目标为73-（-16）=89dB.第66页,共82页，2024年2月25日，星期天4.降噪指标分解方法（二）采用噪声评价数法分解降噪指标：（1）降噪总目标值减去5，作为降噪目标的总噪声评价数，即：NR≈LA-5；（2）将上述总NR值作为各个频程降噪目标，即NRi=NR；再根据确定各频程降噪声级的目标值。

如：降噪目标为82dBA，则噪声评价数为NR77。1kHz倍频程降噪目标为：L（1kHz）=77dB;125Hz倍频程目标为：L（125Hz）=22+0.87×77=89dB。第67页,共82页，2024年2月25日，星期天5.吸声设计方法一（先确定材料数量，再确定种类）降噪目标值各频程噪声要求测量噪声频谱计算各频程降噪量计算吸声处理后房间各频程平均吸声系数测量各频程原房间平均吸声系数计算吸声材料各频程吸声系数要求选定吸声材料铺设面积决定吸声材料品种考查噪声现场，确定吸声降噪可行性第68页,共82页，2024年2月25日，星期天（1）考查噪声现场：房间尺寸、房间平均吸声系数或混响时间T60、声源位置、工作岗位位置，根据以上考查数据计算临界半径，确定吸声降噪的可行性；（2）测量噪声频谱，获得各频程声级；（3）将降噪目标要求（如要求≤85dBA）分解为对各个频程的声级要求：根据《工业企业噪声控制设计规范》(GBJ87－85)方法或根据噪声评价数NR值来分解；（4）计算各频程所需降噪量:设计步骤：第69页,共82页，2024年2月25日，星期天（5）计算降噪处理后各频程房间平均吸声系数：

由计算处理后各频程房间平均吸声系数:（6）根据房间情况选定使用吸声材料面积Sc；

（7）确定吸声材料各频程最低吸声系数：

房间各频程总吸声量:（S为房间总面积）。

由上式可求得:（8）选定吸声材料品种：

要求所选材料各个频程的吸声系数

（9）根据终方案，重新核定降噪结果。第70页,共82页，2024年2月25日，星期天例：某车间长20m，宽10m，高4m。测得混响区噪声频谱及各频程混响时间如下表，为使车间噪声降至85dBA以下，设计降噪方案。

项目

倍频程（中心频率）1252505001k2k4kLi（dB）897583827280混响时间Ti（s）3.02.54.23.03.23.5设计计算过程：房间体积：V=800m3,房间总面积S＝640m2；选定屋顶及部分墙面铺设吸声材料，面积为SC=320m2；第71页,共82页，2024年2月25日，星期天用A计权声级计算方法79.9dBA

⑧简单核算最终设计噪声指标（dBA）0.650.650.300.100.05⑦所选吸声材料各频程吸声系数（超细玻璃棉）0.53⑥吸声材料各频程最低吸声系数要求0.2670.126⑤吸声后房间各频程平均吸声系数0.070.0670.050.080.07④吸声前各频程房间平均吸声系数

564③各频程降噪量（dB）757576798592②各频程降噪要求（dB）实测807282837589①吸声前噪声频谱（dB）4k2k1k500250125说明

倍频程（中心频率Hz）

项目查标准——————0.0570.1800.360.250.65

吸声设计计算第72页,共82页，2024年2月25日，星期天第73页,共82页，2024年2月25日，星期天⑦各频程降噪及修正后声级①吸声前噪声频谱（dB）80.0dBA

⑧处理后A计权声级（dBA）73.10.650.650.3065.4-16.10.36-3.2-8.6⑥A计权修正量0.360.1750.09⑤各频程实际降噪量0.350.06②吸声前各频程房间平均吸声系数

0.100.05③所选吸声材料各频程吸声系数0.0570.070.0670.050.080.07④处理后房间实际平均吸声系数实测8072828375894k2k1k500250125说明

倍频程（中心频率Hz）

项目0.650+1.2+1.0-0.71.05.47.37.17.974.773.674.466.1材料选定降噪核算第74页,共82页，2024年2月25日，星期天

最终设计方案：吸声材料：密度为20kg/m3超细玻璃棉;铺设厚度：2cm.铺设面具：

320m2理论降噪目标：

80.0dBA.第75页,共82页，2024年2月25日，星期天最终设计方案：

材料：密度为20kg/m3超细玻璃棉

铺设面积：

320m2

理论预计降噪目标：79.9dBA.作业：

某车间长30m，宽20m，高5m。测得混响区噪声频谱及各频程平均吸声系数如下表，为使车间噪声降至80dBA以下，设计降噪方案(吸声材料铺设面积不超过室内总面积40%)。

项目

倍频程（中心频率）1252505001k2k4kLi（dB）808768777568原房间各频程平均吸声系数0.030.0250.0300.0360.0330.042第76页,共82页，2024年2月25日，星期天作业