材料的吸声特性与声波什么有关

第三节　吸声与隔声材料

一、材料吸声的原理及其技术指标

声音起源于物体的振动，它迫使邻近的空气跟着振动而成为声波，并在空气介质中向四周传播。声音沿发射的方向最响，称为声音的方向性。

声音在传播过程中，一部分由于声能随着距离的增大而扩散，另一部分则因空气分子的吸收而减弱。声能的这种减弱现象，在室外空旷处颇为明显，但在室内如果房间的体积并不太大，上述的这种声能减弱就不起主要作用，而重要的是室内墙壁、天花板、地板等材料表面对声能的吸收。

当声波遇到材料表面时，一部分被反射，另一部分穿透材料，其余的部分则传递给材料，在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和黏滞阻力，其间相当一部分声能转化为热能而被吸收掉。这些被吸收的能量（E）（包括部分穿透材料的声能在内）与传递给材料的全部声能（E₀）之比，是评定材料吸声性能好坏的主要指标，称为吸声系数（α），用公式表示为

吸声系数与声音的频率及声音的入射方向有关。因此吸声系数用声音从各方向入射的吸收平均值表示，并应指出是对哪一频率的吸收。通常采用六个频率（单位：Hz）：125、250、500、1000、2000、4000。任何材料对声音都能吸收，只是吸收程度有很大的不同。通常是将对上述六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料，列为吸声材料。

吸声材料按吸声机理的不同可分为两类。一类是疏松多孔的材料；另一类是柔性材料、膜状材料、板状材料、穿孔板。多孔性吸声材料如矿渣棉、毯子等，其吸声机理是声波深入材料的孔隙，且孔隙多为内部互相贯通的开口孔，受到空气分子摩擦和黏滞阻力，以及使细小纤维作机械振动，从而使声能转变为热能。这类多孔性吸声材料的吸声系数，一般从低频到高频逐渐增大，故对高频和中频的声音吸收效果较好。而柔性材料、膜状材料、板状材料和穿孔板，在声波作用下发生共振作用，使声能转变为机械能被吸收。它们对于不同频率有择优倾向，柔性材料和穿孔板以吸收中频声波为主，膜状材料以吸收低中频声波为主，而板状材料以吸收低频声波为主。

二、多孔性吸声材料

多孔性吸声材料是比较常用的一种吸声材料。其吸声性能与下列因素有关：

1.材料的表观密度。对同一种多孔材料（例如超细玻璃纤维）而言，当其表观密度增大时（即孔隙率减小时），对低频的吸声效果有所提高，而对高频的吸声效果则有所降低。

2.材料的孔隙特征。孔隙愈多愈细小，吸声效果愈好。如果孔隙太大，则效果就差。如果材料中的孔隙大部分为单独的封闭的气泡（如聚氯乙烯泡沫塑料），则因声波不能进入，从吸声机理上来讲，就不属多孔性吸声材料。当多孔材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，则因材料的孔隙被水分或涂料所堵塞，其吸声效果亦将大大降低。

3.材料的厚度。增加多孔材料的厚度，可提高对低频的吸声效果，而对高频则没有多大的影响。材料的厚度增加到一定程度后，吸收效果的变化则不再明显。

4.背后空气层的影响。大部分吸声材料都是固定在龙骨上，安装在离墙面5～15 mm处。材料背后空气层的作用相当于增加了材料的厚度，吸声效能一般随空气层厚度增加而提高。当材料离墙面的安装距离（即空气层厚度）等于1／4波长的奇数倍时，可获得最大的吸声系数。根据这个原理，通过调整材料背后空气层厚度的办法，可达到提高吸声效果的目的。

许多多孔吸声材料与多孔保温隔热材质相同（参见上一节“保温隔热材料”），但对气孔特征的要求不同。保温隔热要求气孔封闭，不相连通，可以有效地阻止热对流的进行；这种气孔越多，绝热性能越好。而吸声材料则要求气孔开放，互相连通，且气孔越多，吸声性能越好。这种材质相同而气孔结构不同的多孔材料的制得，主要取决于原料组分的某些差别以及生产工艺中的热工制度和压力不同等来实现。

三、共振吸声结构

除了采用多孔吸声材料吸声外，还可将材料组成不同的吸声结构，达到更好的吸声效果。常用的吸声结构形式有薄板共振吸声结构和穿孔板吸声结构。

薄板共振吸声结构系采用胶合板、木纤维板、塑料板、金属板等薄板固定在框架上，薄板与板后的空气层构成了薄板共振吸声结构。其原理是利用薄板在声波交变压力作用下振动，使板弯曲变形，将机械能转变为热能而消耗声能。

穿孔板吸声结构是用穿孔的胶合板、纤维板、金属板或石膏板等为结构主体，与板后的墙面之间的空气层（空气层中有时可填充多孔材料）构成吸声结构。当入射声波的频率和系统的共振频率一致时，孔板颈处的空气产生激烈振动摩擦，使声能减弱。该结构吸声的频带较宽，对中频的吸声能力最强。

建筑吸声材料的品种很多，目前我国生产使用比较多的主要有石膏装饰吸声板、软质纤维装饰吸声板、硬质纤维装饰吸声板、钙塑及铝塑装饰吸声板、聚苯乙烯泡沫塑料装饰吸声板、硅钙装饰吸声板、珍珠岩装饰吸声板、岩（矿）棉装饰吸声板、玻璃棉装饰吸声板、金属装饰吸声板、水泥木丝板、水泥刨花板等。

常用吸声材料的吸声系数见表12－4。

表12－4　常用吸声材料的吸声系数

续　表

四、隔声材料

声波传播到材料或结构时，因材料或结构的吸收会失去一部分声能，透过材料的声能总是小于入射声能，这样，材料或结构起到了隔声作用，材料的隔声能力可通过材料对声波的透射系数（τ）来衡量。

式中　τ——声波透射系数；

　E_τ——透过材料的声能；

　E₀——入射总声能。

材料对声波的透射系数越小，隔声性能越好。工程上常用构件的隔声量R（dB）来表示构件对空气声隔绝能力，它与透射系数的关系是：R＝－10 lgτ。

人们要隔绝的声音按传播的途径可分为空气声（由于空气的振动）和固体声（由于固体的撞击或振动）两种。对空气声的隔声，根据声学中的“质量定律”，墙或板传声的大小，主要取决于其单位面积质量，质量越大，越不易振动，则隔声效果越好，故对此必须选用密实、沉重的材料（如黏土砖、钢板、钢筋混凝土）作为隔声材料。对固体声的隔声，最有效的措施是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和隔墙及楼板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料，或在楼板上加弹性地毯。