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隔聲材料和結構淺說(shuō)

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    室內裝修已成為一項獨立的產(chǎn)業(yè) ， 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(fēng)格、新材料、新工藝給室內建筑裝修帶來(lái)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(xué)要求。不僅是各類(lèi)劇院、體育場(chǎng)館和歌舞廳以及與聲學(xué)有關(guān)的錄音室、演播室等專(zhuān)業(yè)用房本身有一定的聲學(xué)技術(shù)指標，而且凡是公共場(chǎng)所，一般都需要傳播語(yǔ)言或音樂(lè )，即使是家庭用房現在也需要有良好的音樂(lè )欣賞環(huán)境。所以室內裝修工程必須重視聲學(xué)要求。如果忽視這一點(diǎn)，極有可能造成不良后果。例如有一水上健身娛樂(lè )場(chǎng)所，地面基本上都是水面，上空是一大玻璃圓穹項，由于沒(méi)有聲學(xué)設計，致使廳內混響時(shí)間特別長(cháng)，當有文娛表演時(shí)連報幕的話(huà)也聽(tīng)不清。再如有的走廓或門(mén)廳，做得富麗堂皇、金碧輝煌，但即使是普通的談話(huà)聲或背景音樂(lè )，也在空間內久傳不衰，形成令人煩惱的干擾噪聲。


    造成音質(zhì)差的主要原因是沒(méi)有科學(xué)的聲學(xué)設計。不少裝飾工程公司本身沒(méi)有合格的聲學(xué)設計人員；有的一開(kāi)始邀請聲學(xué)專(zhuān)家做設計，以后自以為有了 “ 經(jīng)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(shí)際上沒(méi)有掌握真正的聲學(xué)要求；也不排除有的工程技術(shù)人員懂得一些聲學(xué)知識，但并不精于室內聲學(xué)的原理和實(shí)踐，做出了并不合格的聲學(xué)裝修設計。

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


    1.吸聲與隔聲的基本概念

    首先要明確吸聲與隔聲是完全不同的兩個(gè)聲學(xué)概念。吸聲是指聲波傳播到某一邊界面時(shí)，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(zhì)中傳播時(shí)被媒質(zhì)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(dòng)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(lái)說(shuō)，除了反射到原來(lái)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(chēng)為該邊界面的吸聲系數。例如室內聲波從開(kāi)著(zhù)的窗戶(hù)傳到室外，則開(kāi)窗面積可近似地認為百分之百地 “ 吸收”了室內傳來(lái)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(kāi)口面積的吸聲，而要靠材料本身的聲學(xué)特性來(lái)吸收聲波。


    對于兩個(gè)空間中間的界面隔層來(lái)說(shuō)，當聲波從一室入射到界面上時(shí)，聲波激發(fā)隔層的振動(dòng)，以振動(dòng)向另一面空間輻射聲波，此為透射聲波。通過(guò)一定面積的透射聲波能量與入射聲波能量之比稱(chēng)透射系數。對于開(kāi)啟的窗戶(hù)，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(zhì)量大，聲波入射時(shí)只能激發(fā)起此隔層的微小振動(dòng)，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(lái)空間而言，絕大部分能量被反射，所以吸聲系數很小。

    對于單一材料(不是專(zhuān)門(mén)設計的復合材料)來(lái)說(shuō)，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(guò)來(lái)，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(guò)該材料時(shí)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(chēng)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

    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(shí)，因細管中靠近管壁與管中間的聲波振動(dòng)速度不同，由媒質(zhì)間速度差引起的內摩擦，使聲波振動(dòng)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(chēng)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(lèi)。吸聲性能與材料的纖維空隙結構有關(guān)，如纖維的粗細(微米至幾十微米間為好)和材料密度(決定纖維之間 “ 毛細管 ” 的等效直徑)、材料內空氣容積與材料體積之比(稱(chēng)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(shí)驗結果即可。當然在選用時(shí)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(gè)基本吸聲特性，即低頻吸聲差，高頻吸聲好。定性的吸聲頻率特性見(jiàn)圖1。頻率高到一定值附近，見(jiàn)圖1中f0，吸聲系數 α 達到最大值，頻率繼續增大時(shí)，吸聲系數在高端有些波動(dòng)。這個(gè)f0的位置，大體上是f0對應的波長(cháng)為材料厚度t的4倍

    當材料厚度增加時(shí)，可以改善低頻的吸聲特性。圖1中t2大于t1，相同頻率時(shí)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(gè)倍頻程。但并非可以一直增加厚度來(lái)提高低頻吸聲系數的，因為聲波在材料的空隙中傳播時(shí)有阻尼，使增加厚度來(lái)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(lèi)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(lèi)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(jìn)的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀，見(jiàn)圖2，當聲波傳播到尖劈狀材料時(shí)，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，最大吸聲系數的頻率f0對應的波長(cháng)大約為尖劈吸聲結構長(cháng)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(cháng)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(xué)實(shí)驗室或特殊的噪聲控制工程。

    3.共振吸聲結構


    利用不同的共振吸聲機理，設計各種類(lèi)型的共振吸聲結構，使吸收峰值選擇在所需頻率位置，滿(mǎn)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(wèn)題。

    3.1　薄層多孔性吸聲材料的共振吸聲

    薄層多孔性吸聲材料也包括各種透氣的織物，如棉、麻、絲、絨、人造纖維等織物。如圖3a，將材料掛在剛性面前距離d處，則當d=1/4(2n＋1) λ (1)時(shí)， λ 是空氣中聲波波長(cháng)，n為正整數，織物處于剛性面前駐波的聲壓波節位置，那里聲波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大，使在織物中消耗最大的聲能，形成共振吸聲。在(1)式中n分別等于0、1、2……時(shí)，對應的共振吸聲頻率fn為：fn=(2n+1)/4.co/d (2) 式中co為空氣中聲波傳播速度，一般以340m／s計算。例如，當織物與剛性壁距離為34cm時(shí)，n=0對應的最低共振頻率f0=250hz，n=1對應的f1=750hz，n=2對應f2=1250hz……。其共振吸聲的頻率特性見(jiàn)圖3b。吸聲峰值與織物性能有關(guān)，一般都比較大，但共振吸聲峰的寬度不大，在實(shí)際使用中往往將簾子增大折皺懸掛，即連續改變織物與剛性面的距離，并在不同距離處懸掛不止一層織物，以改善吸聲頻率特性。此外，將厚度為d的玻璃棉一類(lèi)材料離剛性面d處安裝，見(jiàn)圖4，則(1)式中的d→變成為d→(d＋t)連續變化，即有許多共振吸聲頻率，而最低共振頻率為f0=c0／4（d＋t）。

    3.2　薄膜共振吸聲結構


    如果剛性面前d處有一層不透氣的膜，見(jiàn)圖5，膜的單位面積質(zhì)量為m，則膜與厚度為d的空氣層構成質(zhì)量 ?? 彈簧的共振系統，其共振頻率為：
    fr=co/2 π √ ρ o/md （ 3）
    式中 ρo 為空氣密度。例如在 “ 軟包 ” 外表面蒙上不透氣的膜，則包在里面的多孔性吸聲材料就不能發(fā)揮原有的吸聲功能，而首先是膜的共振吸聲并通過(guò)膜振動(dòng)傳入材料內的吸聲作用，而此膜振動(dòng)又受到材料的阻尼抑制，吸聲效能受到限制。如果蒙皮用人造革一類(lèi)質(zhì)量較大的材料，如有的劇院中的座椅，那種吸聲性能就更差了。
    3.3　薄板共振吸聲結構


    薄板是兩維的振動(dòng)系統，其共振頻率除了與板的物理常數和幾何尺寸有關(guān)外，還和它的邊緣固定狀況有關(guān)。如果一塊邊長(cháng)為la、lb的矩形板，厚度為h，四邊都被牢固地鉗定，它的共振頻率fm，n為：
    fm,n= π/2[eh2/12ρ(1-σ2)]1/2.[m2/1n2+n2/1b2]1/2 (4)
    式中e、 ρ 、 σ 分別為板的楊氏模量、密度和泊松比，m、n為正整數。當n=0、m=1時(shí)，得到最低的共振頻率(設la>lb)。如果板為玻璃，將玻璃的物理常數代入：
    fm,n=2.5×10h3(m2/1n2+n2/1b2)1/2 (5)
    式中長(cháng)度單位為米。例如長(cháng)50cm、寬40cm、厚4mm的玻璃窗，四邊固定，則(m，n)為(1，0)的最低共振頻率為20hz，(m，n)為(0，1)的共振頻率為25hz，(m，n)為(1，1)的共振頻率為32hz。隨著(zhù)(m，n)漸次增大，共振頻率越來(lái)越大(間隔也越來(lái)越密)，在這些頻率上有較大的聲吸收和聲透射。

    在室內裝修中經(jīng)常用到板材，它們都有一定的共振吸聲效應，其共振頻率大體上如(4)式所示，與板的幾何尺寸和物理常數有關(guān)，同時(shí)與邊緣固定狀況有關(guān)，例如釘子釘多少，釘緊的程度，是否用膠固定等等。因此這類(lèi)共振吸聲往往不被主動(dòng)采用在設計方案內，只有有經(jīng)驗的設計師才謹慎地使用。但有一點(diǎn)非常重要，即當用薄板作表面裝飾處理時(shí)，為避免共振頻率過(guò)多的一致，在設計和施工中注意將固定薄板的木筋之間給予不同的間距尺寸，使共振頻率得以分散。對于不希望有薄板共振吸聲作用的聲學(xué)空間，表面處理就采用貼實(shí)的厚板。


    3.4　穿孔板共振吸聲結構

    經(jīng)常利用穿孔板共振吸聲結構來(lái)補足低頻所需的吸聲量。穿孔板吸聲結構如圖6a所示，板厚t，離剛性面距離d，如板上鉆圓孔(也可開(kāi)狹縫)，孔的半徑為a，穿孔面積占板面積的比率(穿孔率)為p，則此穿孔共振結構的共振頻率fr為
    fr=co/2 π √ p/(t+16a)d (6)
    式中表示共振頻率有好幾個(gè)參數可以調節，如板厚t，孔的半徑a，穿孔率p以及板與剛性面的距離d?，F在市場(chǎng)上有做好的不同穿孔率的穿孔板，可以選擇不同的穿孔率和改變板與剛性面間距離d，來(lái)得到所需的共振頻率。

    需要注意的是穿孔板共振吸聲峰的形狀，它與共振結構系統的阻尼有關(guān)。見(jiàn)圖6b，阻尼小時(shí)，共振峰較尖銳,阻尼大時(shí)共振峰較為平緩。一般寧可選擇較為平緩的吸聲特性，以避免過(guò)強的吸聲頻率選擇性。板厚、孔徑小，阻尼較大。微穿孔板的穿孔直徑為0?8～1mm左右，所以阻尼大，吸收峰較為平緩，但因易積灰和不耐腐蝕，所以不少地方不宜采用。

    一般穿孔板厚度不大于5mm，穿孔直徑在6～10mm左右，這種情況下阻尼嫌小。要增加共振結構的阻尼，需要在穿孔附近增加吸聲材料。參看圖6c，當聲波傳播經(jīng)過(guò)穿孔時(shí)， “ 聲線(xiàn) ” 像流線(xiàn)那樣在孔中和孔附近比較密集，那里的 “ 流速 ” 大，即聲波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度大，吸聲材料產(chǎn)生最大的阻尼作用。我們很難將吸聲材料填塞到一個(gè)個(gè)孔中，所以往往在板的前面或后面貼一層吸聲材料(厚度為一個(gè)孔直徑時(shí)效率最高)來(lái)增加共振吸聲系統的阻尼，使吸收峰比較平緩。吸聲材料在穿孔板后面時(shí)，只起到共振吸聲的阻尼作用；若放在穿孔板前面，則同時(shí)兼有多孔性吸聲材料的吸聲功能。穿孔率p大于0?2時(shí)，一般不是共振吸聲結構，僅僅作為多孔性吸聲材料的 “ 護面板 ” 。
    4.隔聲材料

    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(diǎn)是取決于材料單位面積的質(zhì)量。
    參看圖7，一個(gè)面積非常大的隔層，其單位面積質(zhì)量為ms，當聲波從左面垂直入射時(shí)，激發(fā)隔層作整體振動(dòng)，此振動(dòng)再向右面空間輻射聲波。以單位面積考慮，透射到右面空間的聲能與入射到隔層上的聲能之比稱(chēng)透射系數 τ 。定義無(wú)限大隔層材料的傳遞損失(也稱(chēng)透射損失)tl：
    tl=101g1/ г (7)
    上述簡(jiǎn)單情況下可計算得到傳遞損失近似為：
    tl=20lg ω ms/2 ρ oco (db) (8)
    式中 ω=2πf 為圓頻率， ρ0 、c0為空氣的密度和聲波傳播速度。tl的大小表示材料的隔聲能力。(8)式的一個(gè)重要特點(diǎn)，即材料單位面積質(zhì)量增加一倍，則傳遞損失增加6db。這一隔聲的基本規律稱(chēng) “ 質(zhì)量定律 ” ，也就是說(shuō)隔聲靠重量。所以像磚墻、水泥墻或厚鋼板、鉛板等單位面積質(zhì)量大的材料，隔聲效果都比較好。

    (8)式也表明，單層隔聲的高頻隔聲好，低頻差。頻率每提高一倍，傳遞損失就增加6db。
    需要說(shuō)明的是：傳遞損失tl是隔層面積為無(wú)限大時(shí)的理論 “ 隔聲量 ” ，作為一垛墻或樓板，它都有邊緣與其它建筑構件連接，這時(shí)的 “ 隔聲量 ” 與(7)式所表示的傳遞損失有差別。既有因邊緣接近于固定而增大隔聲能力，也有作為邊緣固定的板振動(dòng)有一定的共振頻率，使某些共振頻率點(diǎn)上隔聲效果降低的現象。而當作為兩相鄰房間之間的隔墻或樓板，因為兩室之間有多條傳聲(或振動(dòng))通道，這兩個(gè)房間之間的隔聲量(只能稱(chēng)聲級差)更不能以該隔層的傳遞損失來(lái)代表。

    隔層材料在物理上有一定彈性，當聲波入射時(shí)便激發(fā)振動(dòng)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(shí)，聲波波前依次到達隔層表面，而先到隔層的聲波激發(fā)隔層內彎曲振動(dòng)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(jìn)速度一致時(shí)，聲波便加強彎曲波的振動(dòng)，這一現象稱(chēng)吻合效應。這時(shí)彎曲波振動(dòng)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。產(chǎn)生吻合效應的頻率fc為：
    fc=co2/2 π sin2 θ [12 ρ (1- σ 2)/eh2]1/2 (9)
    式中 ρ 、 σ 、e分別為隔層材料的密度、泊松比和楊氏模量，h是隔層厚度。任意吻合頻率fc與聲波入射角 θ 有關(guān)。在大多數房間中的聲場(chǎng)都接近于混響聲場(chǎng)，到達隔層的入射角從0°到90°都有可能，因此吻合頻率出現在從掠入射( θ=90°) 的fc0開(kāi)始的一個(gè)頻率范圍，也就是說(shuō)吻合效應使某一頻率范圍的隔聲效果變差。一般這一頻率范圍發(fā)生在中高頻。從質(zhì)量定律知道，中高頻隔聲量較大，除了內阻尼很小的金屬板外，因吻合效應使中高頻隔聲量降低的現象，不會(huì )引起很大的麻煩。


    5.雙層隔聲結構

    根據質(zhì)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(shí)，質(zhì)量增加一倍，傳遞損失增加6db。在這一定律支配下，若要顯著(zhù)地提高隔聲能力，單靠增加隔層的質(zhì)量，例如增加墻的厚度，顯然不能行之有效，有時(shí)甚至是不可能的，如航空器上的隔聲結構。這時(shí)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(jiàn)圖8，單位面積質(zhì)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(jìn)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(jiǎn)化表示，這里只作定性介紹。

    兩個(gè)隔層與中間空氣層組成一個(gè)共振系統，共振頻率為fr(m的單位為kg／m2，l的單位為m)：
    fr=60/√m1m2l/(m1+m2) (10)
    在此共振頻率附近，隔聲效果大為降低。不過(guò)對于重墻來(lái)說(shuō)，此頻率已低于可聞頻率范圍。例如m1為半磚墻250kg／m2，m2為一磚墻500kg／m2，空氣層厚度0?5m，這時(shí)共振頻率在7hz左右。

    對于輕結構雙層隔聲，共振頻率可能落在可聞頻率范圍內，例如兩層鋁板分別為5?2kg／m2和2?6kg／m2，中間空氣層5cm，可計算出共振頻率約為200hz。這時(shí)應在兩板間填塞阻尼材料，以抑制板的振動(dòng)。一般若用薄鋼板做雙層隔聲結構時(shí)，鋼板上都涂好阻尼層來(lái)抑制鋼板的振動(dòng)。

    在共振頻率fr以下，雙層隔聲的效果如同沒(méi)有空氣層的一層(m1＋m2)的隔聲效果；在fr以上一段頻率范圍，雙層隔聲效果接近于兩個(gè)單層隔聲的傳遞損失之和；在更高的頻率，當空氣層厚度l為四分之一波長(cháng)的奇數倍時(shí)，雙層隔聲效果相當于兩個(gè)單層的傳遞損失之和再加6db，l為波長(cháng)的偶數倍時(shí)，雙層隔聲效果相當于兩個(gè)單層合在一起的傳遞損失再增加6db，在其它頻率，傳聲損失在這兩個(gè)值之間。所以在總體上，當頻率大于fr時(shí)，雙層隔聲結構顯著(zhù)地提高了隔聲效能。


    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(gè)隔層的振動(dòng)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(shí)，一定要用彈性構件支撐或懸吊，同時(shí)注意需要分割的兩個(gè)空間之間，不能有縫或孔相通。 “ 漏氣 ” 就要漏聲，這是隔聲的實(shí)際問(wèn)題。
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