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吸聲、隔聲材料和結構淺說

發布時間:2014/12/12 11:05:31 
室內裝修已成為一項獨立的產業,大大小小的裝飾裝璜公司像雨后春筍,遍地林立。不少裝璜公司,以新風格、新材料、新工藝給室內建筑裝修帶來新面貌,達到了新水平。

  在很多情況下,室內裝修有一定的聲學要求。不僅是各類劇院、體育場館和歌舞廳以及與聲學有關的錄音室、演播室等專業用房本身有一定的聲學技術指標,而且凡是公共場所,一般都需要傳播語言或音樂,即使是家庭用房現在也需要有良好的音樂欣賞環境。所以室內裝修工程必須重視聲學要求。如果忽視這一點,極有可能造成不良后果。例如有一水上健身娛樂場所,地面基本上都是水面,上空是一大玻璃圓穹項,由于沒有聲學設計,致使廳內混響時間特別長,當有文娛表演時連報幕的話也聽不清。再如有的走廓或門廳,做得富麗堂皇、金碧輝煌,但即使是普通的談話聲或背景音樂,也在空間內久傳不衰,形成令人煩惱的干擾噪聲。http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  造成音質差的主要原因是沒有科學的聲學設計。不少裝飾工程公司本身沒有合格的聲學設計人員;有的一開始邀請聲學專家做設計,以后自以為有了 “ 經驗 ” ,便大膽地把設計也承包了;有的是東抄西襲,以為找到了人家的奧秘,你做軟包,我也搞軟包,你用穿孔板,我也做穿孔板,實際上沒有掌握真正的聲學要求;也不排除有的工程技術人員懂得一些聲學知識,但并不精于室內聲學的原理和實踐,做出了并不合格的聲學裝修設計。

  室內聲學設計是一門系統學科,涉及面較廣,本文只就與室內裝飾有關的吸聲和隔聲的材料和結構方面的知識作簡單介紹,希望裝飾工程人員和業主對聲學材料和結構有所了解,能夠理解聲學設計為什么作這樣那樣的處理,從而使裝飾工程在美觀和聲學要求上達到完美的統一。

  1.吸聲與隔聲的基本概念http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  首先要明確吸聲與隔聲是完全不同的兩個聲學概念。吸聲是指聲波傳播到某一邊界面時,一部分聲能被邊界面反射(或散射),一部分聲能被邊界面吸收(這里不考慮在媒質中傳播時被媒質的吸收),這包括聲波在邊界材料內轉化為熱能被消耗掉或是轉化為振動能沿邊界構造傳遞轉移,或是直接透射到邊界另一面空間。對于入射聲波來說,除了反射到原來空間的反射(散射)聲能外,其余能量都被看作被邊界面吸收。在一定面積上被吸收的聲能與入射聲能之比稱為該邊界面的吸聲系數。例如室內聲波從開著的窗戶傳到室外,則開窗面積可近似地認為百分之百地 “ 吸收 ” 了室內傳來的聲波,吸聲系數為1。當然,我們所要考慮的吸聲材料,主要不是靠開口面積的吸聲,而要靠材料本身的聲學特性來吸收聲波。

  對于兩個空間中間的界面隔層來說,當聲波從一室入射到界面上時,聲波激發隔層的振動,以振動向另一面空間輻射聲波,此為透射聲波。通過一定面積的透射聲波能量與入射聲波能量之比稱透射系數。對于開啟的窗戶,透射系數可近似為1(吸聲系數也為1),其隔聲效果為0,即隔聲量為0dB。對于又重又厚的磚墻或厚鋼板,單位面積質量大,聲波入射時只能激發起此隔層的微小振動,使對另一空間輻射的聲波能量(透射聲能)很小,所以隔聲量大,隔聲效果好。但對于原來空間而言,絕大部分能量被反射,所以吸聲系數很小。http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  對于單一材料(不是專門設計的復合材料)來說,吸聲能力與隔聲效果往往是不能兼顧的。如上述磚墻或鋼板可以作為好的隔聲材料,但吸聲效果極差;反過來,如果拿吸聲性能好的材料(如玻璃棉)做隔聲材料,即使聲波透過該材料時聲能被吸收99%(這是很難達到的),只有1%的聲能傳播到另一空間,則此材料的隔聲量也只有20dB,并非好的隔聲材料。有人把吸聲材料誤稱為 “ 隔音材料 ” 是不對的。如果有人介紹某種單一材料吸聲好隔聲也好,那他不是不懂就是在騙人了。

  2.吸聲材料http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  吸聲材料是指吸聲系數比較大的建筑裝修材料。如果材料內部有很多互相連通的細微空隙,由空隙形成的空氣通道,可模擬為由固體框架間形成許多細管或毛細管組成的管道構造。當聲波傳入時,因細管中靠近管壁與管中間的聲波振動速度不同,由媒質間速度差引起的內摩擦,使聲波振動能量轉化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料,稱多孔性吸聲材料,如玻璃棉、巖棉、礦碴棉、棉麻和人造纖維棉、特制的金屬纖維棉等等,也包括空隙連通的泡沫塑料之類。吸聲性能與材料的纖維空隙結構有關,如纖維的粗細(微米至幾十微米間為好)和材料密度、材料內空氣容積與材料體積之比(稱空隙率,玻璃棉的空隙率在90%以上)、材料內空隙的形狀結構等。從使用的角度,可以不管吸聲的機理,只要查閱材料吸聲系數的實驗結果即可。當然在選用時還要注意材料的防潮、防火以及可裝飾性等其他要求。

  多孔性吸聲材料有一個基本吸聲特性,即低頻吸聲差,高頻吸聲好。頻率高到一定值附近,見圖1中f0,吸聲系數 α 達到****值,頻率繼續增大時,吸聲系數在高端有些波動。這個f0的位置,大體上是f0對應的波長為材料厚度t的4倍。http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  當材料厚度增加時,可以改善低頻的吸聲特性。相同頻率時t2的吸聲系數大于t1的吸聲系數。如果t2=2t1,則相同吸聲系數對應的頻率大約為f2=f1,即厚度增加一倍,低頻吸聲系數的頻率特性向低頻移一個倍頻程。但并非可以一直增加厚度來提高低頻吸聲系數的,因為聲波在材料的空隙中傳播時有阻尼,使增加厚度來改善低頻吸聲受到限制。不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一類好的吸聲材料,一般用5cm左右的厚度,很少用到10cm以上。而像纖維板一類較微密的材料,其材料纖維間空隙非常小,聲波傳播的阻尼非常大,不僅吸聲系數小,而且有效厚度也非常小。

  一般平板狀吸聲材料的低頻吸聲性能差是普遍規律。一種改進的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀,見圖2,當聲波傳播到尖劈狀材料時,從尖部到基部,空氣與材料的比例逐漸變化,也即聲阻抗逐漸變化,聲波傳播就超出平板狀材料有效厚度的限制,達到材料的基部,從而可改善低頻吸聲性能。吸聲頻率特性仍與圖1相似,****吸聲系數的頻率f0對應的波長大約為尖劈吸聲結構長度t的4倍。例如要使100Hz以上頻率都有很高的吸聲系數,吸聲尖劈的長度約為87cm左右。當然這樣的吸聲結構一般不宜用于室內裝修,主要用于聲學實驗室或特殊的噪聲控制工程。

  3.共振吸聲結構http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  利用不同的共振吸聲機理,設計各種類型的共振吸聲結構,使吸收峰值選擇在所需頻率位置,滿足不同頻率吸聲量的要求,特別是解決低頻吸聲量不足的問題。

  主要利用一下幾種專業結構衣達到吸聲效果:薄層多孔性吸聲材料的共振吸聲,薄膜共振吸聲,薄板共振吸聲,穿孔板共振吸聲結構。

  4.隔聲材料http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  不透氣的固體材料,對于空氣中傳播的聲波都有隔聲效果,隔聲效果的好壞最根本的一點是取決于材料單位面積的質量。

  隔層材料在物理上有一定彈性,當聲波入射時便激發振動在隔層內傳播。當聲波不是垂直入射,而是與隔層呈一角度 θ 入射時,聲波波前依次到達隔層表面,而先到隔層的聲波激發隔層內彎曲振動波沿隔層橫向傳播,若彎曲波傳播速度與空氣中聲波漸次到達隔層表面的行進速度一致時,聲波便加強彎曲波的振動,這一現象稱吻合效應。這時彎曲波振動的輻度特別大,并向另一面空氣中輻射聲波的能量也特別大,從而降低隔聲效果。

  5.雙層隔聲結構http://www.k-13.cc http://www.zszs.cc

  根據質量定律,頻率降低一半,傳遞損失要降6dB;而要提高隔聲效果時,質量增加一倍,傳遞損失增加6dB。在這一定律支配下,若要顯著地提高隔聲能力,單靠增加隔層的質量,例如增加墻的厚度,顯然不能行之有效,有時甚至是不可能的,如航空器上的隔聲結構。這時解決的途徑主要是采用雙層以至多層隔聲結構。

  雙層隔聲結構模型見圖8,單位面積質量分別為m1、m2,中間空氣層厚度為L。雙層結構的傳遞損失可以進行理論計算,結果比較復雜,在不同頻率范圍可以得到不同的簡化表示,這里只作定性介紹。

  一般雙層隔聲結構的兩層,不用相同厚度的同一種材料,以避免這兩層出現相同的吻合頻率。

  在設計和施工中要特別注意,兩層之間不能有剛性連接。破壞了固體 —— 空氣 —— 固體的雙層結構,把兩層固體隔層由剛性構件相連,使兩個隔層的振動連在一起,隔聲量便大為降低。尤其是雙層輕結構隔聲,相互之間必須相互支撐或連接時,一定要用彈性構件支撐或懸吊,同時注意需要分割的兩個空間之間,不能有縫或孔相通。 “ 漏氣 ” 就要漏聲,這是隔聲的實際問題。

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