声学处理离不开多孔吸声材料,大家也都知道多孔材料能吸声,也能找到这些材料的吸声系数,但具体到设计中,选择多大的容重、确定多大的厚度,很让人困惑。现在收集、整理了一些相关资料,与大家共享。
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一、多孔材料的吸声原理
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多孔吸声材料,如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能,不是因为表面粗糙,而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。当声波入射到多孔材料上,声波能顺着孔隙进入材料内部,引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦,将声能转化为摩擦热能而消耗掉了,因而能吸声。
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多孔材料吸声的必要条件是:材料有大量空隙,空隙之间互相连通,孔隙深入材料内部。表面粗糙的材料,不一定吸声,如拉毛水泥等,外表粗糙但内部致密,早期在影院墙面上常见,现已不用。内部存在大量孔洞的材料也不一定吸声,如包装用的泡沫,内部有许多泡沫但相互独立不贯通,有很好的减振作用,但由于空气无法进入材料内部,因而不吸声。* o" \$ D' b* u4 X3 g6 F9 B# T
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/ \( U M. ?1 o8 K3 k# F! _& ?二、影响多孔吸声材料吸声系数的因素# [7 o8 {4 ~8 U; T
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9 v+ ]4 C6 k% ?) e2 I大家都知道,多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能,但低频的吸声性能受各种因素的影响较大。影响多孔吸声材料吸声特性的因素有很多,一般认为主要是:材料的厚度、容重(密度)、孔隙率、结构因子和空气流阻等。
1 K5 }, Y9 Q; y- x 容重:每立方米材料的重量。
! q/ r4 c" O( |6 [ 孔隙率:材料中孔隙体积和材料总体积之比。
+ ~) a. c5 M. u 结构因子:反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况,是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。 9 H5 r: I$ ]' {; `
空气流阻:单位厚度时,材料两边空气气压和空气流速之比,反映空气通过多孔阻力的大小。空气流阻是影响多孔吸声材料最重要的因素。流阻太小,说明材料稀疏,空气振动容易穿过,吸声性能下降;流阻太大,说明材料密实,空气振动难于传入,吸声性能亦下降。因此,多孔材料存在最佳流阻。在实际工程中,测定空气流阻比较困难,但可以通过厚度和容重粗略估计和控制(对于玻璃棉,较理想的吸声容重是12-48Kg/m3,特殊情况使用100Kg/m3或更高)。
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. ~2 t4 Y/ o ~7 _1 Z% U! W. q# S 1、随着厚度增加,中低频吸声系数显著地增加,但高频变化不大(多孔吸声材料对高频总有较大的吸收)。
* }+ \8 p; g% n* B- D9 K. l 厚度的选择受制房间环境,不可能很大,综合考虑性能、成本、体积等因素,选择5cm较合适。
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% c8 H ]+ a2 w. x$ z 2、厚度不变,容重增加,中低频吸声系数亦增加;但当容重增加到一定程度时,材料变得密实,流阻大于最佳流阻,吸声系数反而下降。 1 I( ~1 f$ u( r
常用的容重我们选择50Kg/m3。
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3、多孔吸声材料的吸声性能还与安装条件有着密切的关系。当多孔吸声材料背后有空腔时,与该空气层用同样的材料填满的效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高,吸声系数将随空气层的厚度增加而增加,但增加到一定值后效果就不明显了。 " K' X% k/ V5 E2 M |' J: u- n* E
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一般我们选择空腔为5cm-10cm。同理,要使用窗帘吸声,窗帘也不能紧贴墙面或玻璃,建议离墙10cm。
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. ]4 w5 R( s6 e2 w 4、使用不同容重的玻璃棉叠和在一起,形成容重逐渐增大的形式,可以获得更大的吸声效果。
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5、多孔吸声材料表面附加有一定透声作用的饰面,如厚度小于0.05mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等,基本可以保持原来材料的吸声特性。
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! r# j) I) L% c0 _6 K 使用穿孔面材时,穿孔率须大于20%,若材料的透气性差时,如塑料薄膜,高频吸声特性可能下降。低频吸声系数将有所提高。膜越薄、穿孔率越大,影响越小。相反的例子如音箱网罩,一般都很疏,孔较大,就是要防止网罩吸声影响高频。1 k8 s4 g: p% L8 c9 w. S
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6、高温、高湿会影响材料的吸声性能。这是由于吸湿吸水后,材料中孔隙减少。首先使高频吸声系数降低,随含湿量的增加,其影响的频率范围将进一步扩大。) H6 z6 \ K* ]
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, z4 r2 t- K9 E相同材料不同厚度、容重吸声性能比较* c$ O2 L' z) E& b$ K# j3 T
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, E7 O- T! {3 [, {, r实际设计使用中,各种制约因素很多,就要综合考虑厚度与容重。如厚度受限,要达到同样的性能,就要提高容重。如购不到高容重的材料就要增加厚度。
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6 k" A* r- f4 r( O如压力区陷阱的设计中,就是用高容重换来了低厚度。由于驻波在墙面处声压最大但振动速度最小,而低频吸声性能与材料中空气流速有关,振动速度小流速就小,同样的材料,由于低频流速低,因此低频吸声性能较差。要解决这个问题有两种选择:一是增加厚度,因为厚度越大流阻越大,但厚度太大则压力区陷阱的优势便不复存在。第二是提高容重,在厚度不大的情况下提高流阻,方法是将普通的玻璃棉压缩10倍制成玻璃棉板。
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多孔吸声材料的吸声系数可以用实验方法测得,也可以通过复杂的数学计算得到,已不在我们讨论之列。我们只要掌握了它的基本规律就能进行定性分析,然后就可以作出合理的设计。 |