一、 吸聲
1.1 吸聲係數與降噪係數
吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現象,吸聲可以降低室內聲壓級。描述吸聲的指標是吸聲係數a,代表被材料吸收的聲能與入射聲能的比值。理論上,如果某種材料完全反射聲音,那麼它的a=0;如果某種材料將入射聲能全部吸收,那麼它的a=1。事實上,所有材料的a介於0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。
不同頻率上會有不同的吸聲係數。人們使用吸聲係數頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標準和國家標準,吸聲測試報告中吸聲係數的頻率範圍是100-5KHz。將 100-5KHz的吸聲係數取平均得到的數值是平均吸聲係數,平均吸聲係數反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪係數NRC粗略地評價在語言頻率範圍內的吸聲性能,這一數值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲係數的算術平均值,四捨五入取整到0.05。一般認為NRC小於0.2的材料是反射材料,NRC大於等0.2的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內混響及噪聲時,常常需要使用高吸聲係數的材料。如離心玻璃棉、岩棉等屬於高NRC吸聲材料,5cm厚的24kg/m³的離心玻璃棉的NRC可達到0.95。
測量材料吸聲係數的方法有兩種,一種是混響室法,一種是駐波管法。混響室法測量聲音無規入射時的吸聲係數,即聲音由四面八方射入材料時能量損失的比例,而駐波管法測量聲音正入射時的吸聲係數,聲音入射角度僅為90度。兩種方法測量的吸聲係數是不同的,工程上最常使用的是混響室法測量的吸聲係數,因為建築實際應用中聲音入射都是無規的。在某些測量報告中會出現吸聲係數大於1的情況,這是由於測量的實驗室條件等造成的,理論上任何材料吸收的聲能不可能大於入射聲能,吸聲係數永遠小於1。任何大於1的測量吸聲係數值在實際聲學工程計算中都不能按大於1使用,最多按1進行計算。
在房間中,聲音會很快充滿各個角落,因此,將吸聲材料放置在房間任何錶面都有吸聲效果。吸聲材料吸聲係數越大,吸聲面積越多,吸聲效果越明顯。可以利用吸聲天花、吸聲牆板、空間吸聲體等進行吸聲降噪。
1.2吸聲原理
纖維多孔吸聲材料,如聚酯纖維吸音板,離心玻璃棉、岩棉、礦棉、植物纖維素噴塗等,吸聲機理是材料內部有大量微小的連通的孔隙,聲波沿着這些孔隙可以深入材料內部,與材料發生摩擦作用將聲能轉化為熱能。多孔吸聲材料的吸聲特性是隨着頻率的增高吸聲係數逐漸增大,這意味着低頻吸收沒有高頻吸收好。多孔材料吸聲的必要條件是 :材料有大量空隙,空隙之間互相連通,孔隙深入材料內部。錯誤認識之一是認為表面粗糙的材料具有吸聲性能,其實不然,例如拉毛水泥、表面凸凹的石才基本不具有吸聲能力。錯誤認識之二是認為材料內部具有大量孔洞的材料,如聚苯、聚乙烯、閉孔聚氨脂等,具有良好的吸聲性能,事實上,這些材料由於內部孔洞沒有連通性,聲波不能深入材料內部振動摩擦,因此吸聲係數很小。
與牆面或天花存在空氣層的穿孔板,即使材料本身吸聲性能很差,這種結構也具有吸聲性能,如穿孔的石膏板、木板、金屬板、甚至是狹縫吸聲磚等。這類吸聲被稱為亥姆霍茲共振吸聲,吸聲原理類似於暖水瓶的聲共振,材料外部空間與內部腔體通過窄的瓶頸連接,聲波入射時,在共振頻率上,頸部的空氣和內部空間之間產生劇烈的共振作用損耗了聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點是只有在共振頻率上具有較大的吸聲係數。
薄膜或薄板與牆體或頂棚存在空腔時也能吸聲,如木板、金屬板做成的天花板或牆板等,這種結構的吸聲機理是薄板共振吸聲。在共振頻率上,由於薄板劇烈振動而大量吸收聲能。薄板共振吸收大多在低頻具有較好的吸聲性能。
二、吸聲降噪效果的計算
3.1 吸聲降噪的計算
吸聲降噪降低反射聲的聲能,若忽略直達聲的影響,吸聲量增加1倍,噪聲降低3dB。計算公式為:
,其中=L為降噪量,A1、T1和A2、T2分別為加入吸聲材料前後的房間吸聲量、混響時間,V為房間體積。
如果房間未做吸聲處理,反射較嚴重,吸聲量少,混響時間長,那麼吸聲降噪的效果比較好。如果原房間已經有大量的吸聲,混響時間短,那麼吸聲效果比較差。
例:一房間體積V=400m3,混響時間為6s,加入100m2的吸聲係數0.9吸聲吊頂,請問降噪量為多少?根據降噪公式,L=10lg[890(0.161400)]=9.2dB。
3.2 室內聲源情況對吸聲降噪效果的影響
如果室內分佈多個聲源,室內各處的直達聲都很強,吸聲效果就比較差,往往只能降低3-4dB。儘管降低量有限,但減少了混響聲,室內工作人員的主觀上消除了噪聲來自四面八方的混亂感,反映較好。吸聲處理對於聲源距離近的位置效果差,對於聲源距離遠的位置效果好,對傳到室外的噪聲降低效果也很明顯。
3.3 吸聲降噪效果與房間形狀、尺寸、吸聲位置有關
如果房間容積很大,人們的活動區域靠近聲源,直達聲佔主導地位,此時吸聲效果差。容積較小的房間,聲音在天花和牆壁上反射多次后與直達聲混合,反射聲多,此時吸聲處理效果就明顯。經驗表明,3000m3以下的房間吸聲降噪效果好,更大的房間,吸聲效果不理想。不過,若房間體型瘦長,頂棚低,房間長度大於高寬的5倍以上,由於聲音的反射類似與在管道中爬行,吸聲處理的降噪效果也較好。
3.4 吸聲材料的頻譜特性應與噪聲源的頻譜特性相適應
應針對聲源的頻譜特性選擇吸聲材料,吸聲材料的頻譜應與噪聲源的頻譜特性匹配。高頻噪聲大用高頻吸聲多的材料,低頻噪聲大用低頻吸聲多的材料。如使用穿孔共振吸聲材料,最好使吸聲頻率峰值與噪聲頻率最大值相對應,若噪聲在中高頻存在峰值,這樣處理的降噪效果就非常顯著。
3.5 建築應用的考慮
在建築中應用時,吸聲材料與吸聲結構的吸聲性能應穩定,防火,耐久,無毒,價格要適中,施工應方便,無二次污染,美觀實用。