[科普中国]-吸声结构

应用背景

噪声污染已成为当代世界性问题，在危害人群健康的环境污染中，噪声仅次于空气污染而位列第二。噪声污染对人们的听力、睡眠、生理、心理及周围环境等方面造成很大的影响和危害。随着我国环保事业的发展以及人们环保意识的增强，人们在工作、学习和生活中，对声环境质量的要求已经越来越高，噪声控制已显得尤为重要，而解决噪声污染问题的主要方法之一就是使用吸声材料和吸声结构。1

分类吸声结构可以分为三类。多孔吸声结构、共振吸声结构和特殊吸声结构。其中多孔吸声结构包括纤维，颗粒，泡沫吸声结构；共振吸声结构包括单个共振器吸声结构，穿孔板共振吸声结构；特殊吸声结构包括空间吸声器，吸声劈尖，吸声屏。1

多孔吸声结构材料分类和特征（1）多孔吸声材料的类型包括：有机纤维材料、麻棉毛毡、无机纤维材料、玻璃棉、岩棉、矿棉，脲醛泡沫塑料，氨基甲酸脂泡沫塑料等。聚氯乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料不属于多孔材料，用于防震，隔热材料较适宜。2

（2）构造特征：材料内部应有大量的微孔和间隙，而且这些微孔应尽可能细小并在材料内部是均匀分布的。材料内部的微孔应该是互相贯通的，而不是密闭的，单独的气泡和 密闭间隙不起吸声作用。微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内。2

（3）吸声特性主要是高频，影响吸声性能的因素主要是材料的流阻，孔隙 ，结构因素、厚度、容重、背后条件的影响。2

材料结构1、穿孔板共振吸声结构

采用穿孔的石棉水泥、石膏板、硬质纤维板、胶合板以及钢板、铝板，都可作为穿孔板共振吸声结构，在其结构共振频率附近，有较大的吸收，适于中频。2

2、薄膜吸声结构

包括皮革、人造革、塑料薄膜等材料，具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特性，吸收共振频率附近的入射声能，共振频率通常在200～1000HZ范围，最大吸声系数约为0.3～0.4，一般把它作为中频范围的吸声材料。如果在薄膜的背后空腔内填放多孔材料,这时的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及薄膜的装置方法。2

3、薄板吸声结构

把胶合板、硬质纤维板、石膏板、石棉水泥板等板材周边固定在框架上，连同板后的封闭空气层，构成振动系统，其共振频率多在80～300HZ，其吸声系数约为0.2～0.5，可以作为低频吸声结构。决定薄板吸声结构的吸声性能的主要因素有:2

（1）薄板质量的影响

增加板的单位面积重量，一般可以使其共振频率向低频移动。而选用质量小的，不透气的材料如皮革，有利于共振频率向高频方向移动。2

（2）背后空气层厚度的影响

改变空气层的厚度和改变板的质量一样，共振频率也会发生变化。在空气层中填充多孔材料，可使共振频率附近的吸声系数有所提高。2

（3）板后龙骨构造及板的安装方式的影响

由于薄板吸声结构有一定的低频吸声能力,而对中高频吸声差，因此在中高频时就具有较强的反射能力。能增加室内声能的扩散。通过改变龙骨构造何不同的安装方法，设计出各种形式的反射面，扩散面和吸声---扩散结构。2

5、特殊吸声结构

（1）帘幕

帘幕是具有通气性能的纺织品，具有多孔材料的吸声特性，由于较薄本身作为吸声材料使用是得不到大的吸声效果的。如果将它作为帘幕，离开墙面或窗洞一定距离安装，恰如多孔材料的背后设置了空气层，因而在中高频就能够具有一定的吸声效果。当它离墙面1/4波长的奇数倍距离悬挂时就可获得相应频率的高吸声量。1

（2）空间吸声体

将吸声材料作成空间的立方体如：平板形，球形，圆锥形棱锥形或柱形，使其多面吸收声波，在投影面积相同的情况下，相当于增加了有效的吸声面积和边缘效应，再加上声波的衍射作用，大大提高了实际的吸声效果，其高频吸声系数可达1.40.在实际使用时，根据不同的使用地点和要求，可设计各种形式的从顶棚吊挂下来的吸声体。1

共振吸声结构自中国著名的声学家马大猷在20世纪70年代提出穿孔板、微穿孔板理论并构建了其吸声机制模型及其精确解以来，微穿孔板得到了广泛的应用。后续研究工作者从优化设计和工程应用的角度出发，发展了穿孔板及其微穿孔理论，对其实际应用进行了理论方面的深入研究，获得了丰硕的研究成果。2

穿孔板与微穿孔板是充分利用其与后部空腔内的空气层形成共振作用而有效吸声，一般只在特定频段具有良好的吸声性能。这一特定频段与空腔深度密切相关，为使结构在低频段具有良好的吸声性能，空腔深度必须很深; 由于这种结构的吸声性能只发生在较窄的频段，为了拓宽吸声频段，提出了双层微穿孔板理论，但实际运用中存在安装问题。为了解决这个问题，在穿孔板的空腔中加入多孔材料，以改变微穿孔板末端的辐射阻抗以及孔腔的声阻抗，从而在较宽的频段内获得较好的吸声性能，有利于实际应用。目前，综合性能优异的高分子吸声材料获得了广泛应用。高分子聚合物由于具有优良的黏弹性和内阻尼特性，有利于将阻尼与其他吸声机制融于一体，从而改善材料的吸声性能。2

复合材料后的穿孔板充当了空气层的作用; 随穿孔板的孔隙率增加，复合结构的共振频率没有发生变化，只是在共振作用区域的吸声系数有了增大，说明共振频率与膜后的孔腔深度有关，而与孔腔内空气量无关; 在这种结构中，穿孔板的孔隙率越大，则复合材料后空气与孔壁作用的表面积越大，这样在共振作用频率附近的空气黏滞作用越大，从而在共振作用频域的吸声系数越大。2