[科普中国]-吸声

吸声原理

声波在传播过程中遇到各种固体材料时，一部分声能被反射，一部分声能进入到材料内部被吸收，还有很少一部分声能透射到另一侧。通常将入射声能Ei和反射声能Er的差值与入射声Ei之比值称为吸声系数，记为α，即

吸声系数α的取值在0~1之间。当α=0时，表示声能全部反射，材料不吸声；α=1时表示材料吸收全部声能，没有反射。吸声系数α的值越大，表明材料 （或结构）的吸声性能越好。一般地，α在0.2以上的材料被称为吸声材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸声材料。吸声系数α的值与入射声波的频率有关，同一材料对不同频率的声波，其吸声系数有不同的值。

由于入射角度对吸声系数有较大的影响，因此，规定了三种不同的吸声系数。即：垂直入射吸声系数 （驻波管法吸声系数），用α0表示，它多用于材料性质的鉴定与研究；斜入射吸声系数；无规入射吸声系数αT 。

材料的吸声性能不仅与材料本身的孔隙率、密度、厚度等结构参数有关，而且与入射声波的频率、环境的温度、湿度和气流等因素有关。实验表明，吸声材料 (主要指多孔材料)对中、高频声吸收较好，而对低频声吸收性能较差，若采用共振吸声结构则可以改善低频吸声性能。

在吸声降噪过程中，常采用多孔吸声材料、薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微穿孔板共振吸声结构等技术来实现减噪目的。虽然这些技术方法都能达到不同程度的减噪目标，并且各有特点，但其吸声原理有的是不相同的。2

常见吸声结构空腔共振吸声结构最简单的空腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器，它是一个封闭空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构，如右图（a）所示，这种结构，取材方便（穿孔石棉板、胶合板、铝板等均可用），制作容易（用上述板材制作很容易达到设计要求），且材料本身亦具有足够强度，因此，在建筑上使用很广泛。

亥姆霍兹共振器的吸声原理可用右图来说明，当孔深t和孔径d远小于声波波长时，孔颈中空气柱的弹性变形很小，可简化成一质量块来处理，其作用类似于一个活塞，空腔V中的空气起着空气弹簧的作用，它们的组合类似于一垂直悬挂的弹簧振子，如右图（b）所示，当外界入射波的频率等于系统的固有频率f0时，孔颈中的空气柱就由于共振而产生剧烈振动，克服摩擦阻力而消耗（吸收）声能。

多孔吸声材料的吸声原理多孔材料一直是主要的吸声材料。有玻璃棉、矿渣棉、无机纤维、合成高分子材料等。在这些材料中，气泡的状态有两种：一种是大部分气泡成为单个闭合的孤立气泡，没有通气性能;另一种气泡相互连接成为连续气泡。噪声控制中所用的吸声材料，是指有连续气泡的材料。

多孔吸声材料的结构特征是在材料中具有许许多多贯通的微小间隙，因而具有一定的通气性。吸声材料的固体部分，在空间组成骨架 (筋络)，保持材料的形状。在筋络间有大量的空隙，筋络的作用就是把较大的空隙分隔成许多微小的通路。当声波入射到多孔材料表面时，可以进入细孔中去，引起孔隙内的空气和材料本身振动，空气的摩擦和黏滞作用使振动能 (声能)不断转化为热能，从而使声能衰减，消耗一部分声能，即使有一部分声能透过材料到达壁面，也会在反射时再次经过吸声材料，声能又一次被吸收。

材料的吸声性能不仅与材料本身的种类有关，而且与入射声波的频率、环境的温度、湿度和气流等因素有关。实验表明，吸声材料 (主要指多孔材料)对中、高频声吸收较好，而对低频声吸收性能较差，若采用共振吸声结构则可以改善低频吸声性能。

穿孔板共振吸声结构薄的板材如钢板、铝板、胶合板、塑料板、草纸棉线、石膏板等按一定的孔径和穿孔率穿上孔，在背后留下一定厚度的空气层，就构成穿孔板共振吸声结构。如右图所示

穿孔板吸声结构实际上是由许多单个共振器并联而成的共振吸声结构，封闭空腔壁上开一个小孔与外部空气相通；由于孔径和孔长度小于声波波长，孔中的空气柱弹性形变很小，可以看成无形变的质量块；腔体中空气随声波做弹性振动，相当于弹簧。入射声波激发孔颈中空气柱（类似弹簧）往复运动，与颈壁摩擦，部分声能转化为热能而耗损，达到吸声目的。当入射声波的频率与共振器的固有频率相同时，发生共振，空气柱运动加剧，振幅和振速达最大，阻尼也最大，消耗声能最多，吸声性能最好。

不同频率的声波入射时，这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接近系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射声波的频率远离系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声系数出现在系统的共振频率处。目前广泛使用的微穿孔板吸声结构的吸声原理也属于这种类型。

薄板吸声结构将薄的塑料板、金属或胶合板等材料的周边固定在框架 (龙骨)上，并将框架与刚性板壁相结合，这种由薄板与板后的空气层构成的系统称为薄板共振吸声结构，如右图所示。

当声波入射到薄板上时，将激起板面振动，使板发生弯曲变形，由于板和固定支点之间的摩擦，以及板本身的内阻尼，使一部分声能转化为热能损耗，声波得到衰减。当入射声波频率f与薄板共振吸声结构的固有频率一致时，产生共振，消耗声能最大。3

吸声材料吸声材料最常用多孔性吸声材料，有时也可选用柔性材料及膜状材料等。在工程中，还常将多孔性吸声材料做成各种几何体来使用。常用的多孔吸声材料有玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、石棉绒、毛毡、木丝板、软质纤维以及微孔吸声砖等。

多孔材料一般有纤维类、泡沫类和颗粒类三大类型。纤维类分无机纤维和有机纤维二类。无机纤维类主要有玻璃棉、玻璃丝、矿渣棉、岩棉及其制品等。玻璃丝可制成各种玻璃丝毡。玻璃棉分短棉、超细棉和中级纤维三种。超细玻璃棉是最常用的吸声材料，具有不燃、防蛀、耐热、耐腐蚀、抗冻等优点。经过硅油处理的超细玻璃棉，具有防火、防水、防湿的特点。岩棉是一种较新的吸声材料，它价廉、隔热、耐高温 （700℃），易于加工成型。有机纤维类的吸声材料主要有棉麻下脚料、棉絮、稻草、海草、棕丝等，还有甘蔗渣、麻丝等经过加工加压而制成的各种软质纤维板。这类有机材料具有价廉、吸声性能好的特点。

泡沫类吸声材料主要有脲醛泡沫塑料、氨基甲酸酯泡沫塑料、海绵乳胶、泡沫橡胶等。这类材料的特点是容积密度小、导热系数小、质地软。其缺点是易老化、耐火性差。目前用得最多的是聚氨酯泡沫塑料。

颗粒类主要有膨胀珍珠岩、多孔陶土砖、矿渣水泥、木屑石灰水泥等。具有保温、防潮、不燃、耐热、耐腐蚀、抗冻等优点。