吸聲和室內(nèi)聲場課件

吸聲和室內(nèi)聲場室內(nèi)噪聲的來源：通過空氣傳來的直達聲室內(nèi)各墻壁面反射回來的混響聲室內(nèi)混響聲對環(huán)境的影響：混響使室內(nèi)噪聲級增加，如一列火車進入隧道以后的噪聲級比行駛在空曠的野外可高出5-10dB;混響對聽覺的干擾；一、吸聲材料多孔性吸聲材料（針對高頻噪聲控制）材料特征：內(nèi)部有許多小孔，并與材料表面相通，具有通氣性。吸聲機理：聲波投射到多孔材料表面時，部分投入的聲波與纖維或顆粒表面產(chǎn)生內(nèi)摩擦（摩擦力來自空氣的壓縮、膨脹），部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能，從而使聲音的能量減小。多孔性吸聲材料分類：無機纖維（如玻璃棉、巖棉等）有機纖維（如植物纖維、木質(zhì)纖維等）泡沫材料（如泡沫塑料、泡沫混凝土等）吸聲建筑材料（如微孔吸聲磚）共振吸聲結(jié)構(gòu)（針對低頻噪聲控制）材料特征：薄膜或薄板表面穿孔吸聲機理：應用共振原理

1）聲音與薄板（薄膜）固有頻率產(chǎn)生共振

2）聲音與板后空腔氣室空氣產(chǎn)生共振共振吸聲結(jié)構(gòu)的分類微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)（小于1mm微孔）穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)（共振腔結(jié)構(gòu)）薄板或薄膜吸聲結(jié)構(gòu)（材料本身產(chǎn)生共振）二、吸聲特性的描述1）吸聲系數(shù)：a代替τI當a＝0時，無吸聲當a＝1時，完全吸收，無聲能反射1）吸聲系數(shù)a是頻率的函數(shù)，為研究問題方便，常用中心頻率為125，250，500，1000，2000，4000Hz的吸聲系數(shù)的平均值，稱為平均吸聲系數(shù)2）吸聲量：A：材料的總吸聲量Si：材料i的吸聲表面積(m2)可推知，吸聲量A的單位是m22）駐波管法基于振幅合成,產(chǎn)生駐波時:駐波比n波腹：波節(jié)：三、吸聲系數(shù)的測量1)混響室法（第四節(jié)中詳細講）聲強系數(shù)與聲壓系數(shù)之間為平方關系，即：由于a代替τI得到：比較兩種吸聲測量方法可知：基于聲音傳播方向的無規(guī)則性，混響室法測得的吸聲系數(shù)更接近材料的實際應用環(huán)境；但測定吸聲系數(shù)較困難，兩種方法測定的吸聲系數(shù)可以進行換算（書中121頁，表7-1）。第二節(jié)多孔材料的吸聲機理和影響吸聲性能的因素一、吸聲機理由于當Zsm（材料聲阻抗率）與ρc相等時，a＝1，說明材料將聲音完全吸收，但在實際應用中不可能。理想吸聲材料要求其聲阻抗率接近于空氣的特性阻抗率。壓縮、膨脹、摩擦、產(chǎn)熱降低聲音能量二、影響吸聲性能的因素材料的厚度材料的密度材料層于剛性面間的空氣層護面層（多應用于多孔疏松材料）空間吸聲體（室內(nèi)懸掛吸聲體）A：材料厚度多孔材料對高頻率聲音吸聲效果明顯，即在高頻區(qū)吸聲系數(shù)較大；多孔材料對低頻率聲音吸聲效果差，即在低頻區(qū)吸聲系數(shù)較??；隨著材料厚度的增加，吸聲最佳頻率向低頻方向移動；厚度每增加1倍，最大吸收頻率向低頻方向移動一個倍頻程；材料厚度（最佳吸收頻率下的波長）當聲音頻率大于500Hz時，吸聲系數(shù)與厚度無關。B：材料密度（容重）隨著材料密度的增大，最大吸收系數(shù)amax向低頻方向移動.C：空氣層即：材料層與剛性面間的空氣層；當空氣層厚度d=1/4λ時，吸聲系數(shù)a最大；對于低頻率聲音來說，λ較大，空氣層厚度也要加大，在工程上增加空氣層厚度不太合適(對于房頂可適當增加空氣層的厚度)，一般5-10cm。D：護面層多孔材料疏松，無法固定，不美觀，需表面覆蓋護面層，如護面穿孔板，織物或網(wǎng)紗等；穿孔率（P），即穿孔總面積與未穿孔總面積的比值，穿孔率越大，對中高頻率聲音吸收效果越好，穿孔率越小，對低頻吸收效果越好。穿孔率的計算：1）當圓孔為正方形排列時2）當孔為等邊三角形排列時3）當孔為平行狹縫時穿孔率計算：E：空間吸聲體即：將吸聲體懸掛在室內(nèi)對聲音進行多方位吸收；吸聲體投影面積與懸掛平面投影面積的比值約等于40％時，對聲音的吸聲效率最高；該法節(jié)省吸聲材料，對工廠、企業(yè)的吸聲降噪比較適用。第二節(jié)共振吸聲結(jié)構(gòu)分類與吸聲原理一、共振吸聲結(jié)構(gòu)分類薄板或薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)單空腔共振吸聲體穿孔薄板共振吸聲體1）薄板（膜）共振吸聲結(jié)構(gòu)基于空氣的體積彈性量為ρc2

假設空腔厚為L，則彈性系數(shù)根據(jù)彈簧振子共振頻率代入得到：其中：M：薄板面密度,Kg/m2L:空腔厚度，cmf:Hzρ:空氣密度薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的應用范圍：薄膜吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率通常在200-1000Hz范圍，最大吸聲系數(shù)約為0.3-0.4，一般作為中頻范圍的吸聲材料。當薄板固定在剛性面骨架上時，薄板和板后的封閉空氣層，也構(gòu)成振動系統(tǒng)，其共振頻率按書中P.128－7-8公式計算，其中K與板的彈性、骨架構(gòu)造、安裝情況有關。2）單腔共振吸聲體共振吸收頻率：其中：S：孔面積，m2V：空腔體積，m3t：孔深度，mδ：孔口修正量，mt+δ為有效頸長，對于直徑為d的圓孔，δ＝πd/43）穿孔薄板共振吸聲體（多腔共振吸聲體）假設：S：每各孔面積,m2A：共振單元薄板面積,m2D：空氣層厚度，m則穿孔率P＝S/A，每個共振腔體積V＝AD其共振頻率為第三節(jié)室內(nèi)聲場和吸聲降噪一、聲場的分類直達聲場：從聲源直接到達接受點的直達聲形成的聲場?；祉懧晥觯航?jīng)過房間面壁一次和多次反射后到達接受點的反射聲形成的聲場。擴散聲場：房間內(nèi)聲能密度處處相同，而且在任一受聲點上，聲波在各個傳播方向作無規(guī)則分布的聲場。（擴散聲場包含直達聲場和混響聲場，是由兩聲場疊加形成）二、擴散聲場的聲能密度和聲壓級1、直達聲場對于點聲源，直達聲的聲強為：因為：所以：所以直達聲聲能密度：又由于：所以直達聲聲壓級為：2、混響聲場自由程：在室內(nèi)聲場中，聲波每相鄰兩次反射所經(jīng)過的路程。平均自由程：聲波經(jīng)過相鄰兩次反射距離的平均值（d）。由理論和實驗均證實不論空間形狀如何，均有：其中：V為房間體積，S為房間總表面積。設聲音在1秒鐘內(nèi)傳播的距離為c米，則1秒鐘內(nèi)的平均反射次數(shù)為：設聲源單位時間發(fā)出的聲功率為W，則當聲波被房間壁面部分吸收后剩余的聲能量為:設混響聲平均聲能密度為，則單位時間被吸收的聲能量為：亦即：聲源提供的混響聲能量。當單位時間內(nèi)聲源貢獻的混響聲能與被吸收的混響聲能相等時，體系達到穩(wěn)定狀態(tài)，即：所以，室內(nèi)混響聲場平均聲能密度為：設：R：房間常數(shù)，m2則混響聲場平均聲能密度為：又由于直達聲聲能平均密度為：

當室內(nèi)存在混響時，室內(nèi)某點的平均聲能密度應等于直達聲和混響聲能密度之和，即：3）總聲場把直達聲場和混響聲場疊加形成總聲場。又因為聲能密度與有效聲壓是平方正比關系，即：則：所以混響聲壓級為：從混響聲壓級公式可看出：公式中第一項Lw為直達聲，第二項為混響聲。當時，即r很小，聲場以直達聲為主；當時，即r很大，聲場以混響聲為主；當時，直達聲聲能密度與混響聲聲能密度相等，這時r稱為臨界半徑，即：當Q＝1時的臨界半徑又稱為混響半徑。當接受點與聲源距離大于臨界半徑時，即混響聲占主導地位，則吸聲降噪處理效果明顯；當接受點與聲源距離小于臨界半徑時，即直達聲占主導地位，則吸聲降噪處理效果不明顯。三、室內(nèi)聲音的衰減和混響半徑混響聲：由于室內(nèi)存在混響，聲音發(fā)出后，不會立即消失，要持續(xù)一段時間，這一段時間內(nèi)持續(xù)的聲音成為“混響聲”。當聲音經(jīng)過第1次反射后，平均聲能密度降低為：當聲音經(jīng)過第2次反射后，平均聲能密度降低為：當聲音經(jīng)過第n次反射后，平均聲能密度降低為：由于在t秒內(nèi)總反射次數(shù)為：則t秒后的平均聲能密度為：又由于聲能密度與有效聲壓是平方正比關系，所以有：當聲能密度衰減到原來的百萬分之一時所需要的時間，即聲壓級衰減60dB所需要的時間，稱為混響時間所以有：

當聲音為高頻區(qū)聲音，聲音傳播過程中空氣吸聲不能不考慮，t秒內(nèi)傳播距離為ct，經(jīng)空氣吸收后聲能密度降為原來的e-mct，其中m為聲音衰減常數(shù)，單位為m-1（即書中第140頁，7-43公式），則t秒后平均聲能密度衰減為：則：1）當聲音頻率低于2000Hz時，m可忽略，也即：2）當聲音頻率低于2000Hz，且平均吸聲系數(shù)小于0.2時，有：此時混響時間為：無吸聲材料時：有吸聲材料時：由于：所以：混響室法測吸聲系數(shù)四、吸聲降噪量設吸聲前的聲壓級為：吸聲后的聲壓級為：則：當某接受點遠離聲源時，即：則：一般情況下，平均吸聲系數(shù)都比1小得多，所以有：

由于平均吸聲系數(shù)通常是按實測混響時間T60得到，如果T1和T2分別為吸聲前后的混響時間，則：

一般地面和壁面（墻面）平均吸聲系數(shù)為0.03左右，吸聲處理后平均吸聲系數(shù)約為0.3左右，則聲壓級衰減10dB左右。一般吸聲處理降噪10-12dB，如果平均吸聲系數(shù)要求0.5以上，則降噪處理所需要的成本增加。第四節(jié)室內(nèi)簡正方式理想聲場是完全擴散聲場；實際聲場是不完全擴散聲場，而是由室內(nèi)各壁面反射聲形成的駐波聲場；只有當房間體積很大和聲波頻率很高時，才能達到近似的擴散聲場。房間是一個復雜的多自由度振動系統(tǒng)，任一振動狀態(tài)都是由單個振動以一定的組合疊加而成，每個獨立的振動稱簡正振動，相應的振動頻率叫簡正頻率；在連續(xù)介質(zhì)中，簡正振動實際是一種駐波，也稱簡正波，其變化情況與邊界條件有關。1）聲波的一維空間簡振（聲波沿軸相方向傳播）入射簡諧振動聲波：反射簡諧振動聲波：兩列聲波進行合成（疊加），其合成聲波：其中：合成波振幅為Pcoskx，P＝2PiA：當（nx=0,1,2,3……..）時，振幅有最大值（即波腹），此時有：B：當（nx=0,1,2,3……..）時，振幅有最小值（即波節(jié)），此時有：由于這兩列波頻率相同，所以它們之間的相位差為：設x2-x1=Lx，則：所以：當體系滿足時，形成駐波。對應的共振頻率為：

即在一維空間（一個頻率的聲波），每個n對應一個簡振頻率，共有n個簡正振動方式。2）聲波的二維空間簡振（聲波沿х-у平面切向傳播）類似地可導出兩平面聲波在兩維空間疊加后聲壓方程為：該方程形成駐波條件為：由于：所以：其中：nx=0,1,2,3……nny=0,1,2,3……n

即在二維空間，每個nx和ny對應一個簡振頻率，共有nx×ny個簡正振動方式。3）聲波的三維空間簡振（斜向波）同樣類推，有：則簡振方式個數(shù):其中：Lx、Ly、Lz分別為房間長、寬和高（m）V＝Lx·Ly·Lz（即房間體積