聲學(xué)知識第一期——吸音材料你懂多少

一、吸音原理

吸音是指吸收音的能量，亦即音能變?yōu)闊崮芏?Dissipation)。吸音材料與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換入射音能為熱能，由于音波所具有之能量極小，所轉(zhuǎn)換的熱能極小，能量轉(zhuǎn)換為熱能損失包含二個機構(gòu)：（1）黏滯流動損失（Viscous Flow Losses）及（2）內(nèi)部摩擦（Internal Friction）。

1.黏滯流動損失：有效之吸音材料結(jié)構(gòu)系含有很多互相連接的孔隙，音波傳入孔隙內(nèi)時，音波之空氣分子速度與孔隙內(nèi)之吸音材料造成相對速度，因此在孔隙內(nèi)吸音材料表面產(chǎn)生邊界層損失（Boundary LayerLosses）。

2.內(nèi)部摩擦：部分吸音材料具有彈性的纖維狀結(jié)構(gòu)或彈性的多孔性結(jié)構(gòu)，由于音波的傳入而造成纖維狀結(jié)構(gòu)被壓縮、彈回，或造成多孔性結(jié)構(gòu)的伸縮、松緊，因此在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)，能量的損失除了黏滯流動損失外，尚含有吸音材料本身內(nèi)部摩擦損失。吸音材料之特性廣泛決定于孔隙的大小、孔隙互相連接程度、材料厚度等。

吸音能力大的材料則稱為吸音材料（Absorptive Material）。

吸音系數(shù)α的定義：吸音材料之作用多為將聲音能量予以吸收，減少其反射、折射，故一般吸音材料為多孔(Porous)性物質(zhì)(孔隙度大)，主要乃利用其表面多孔之特性，使音波(Sound Wave)進入后，能在各孔隙內(nèi)形成較多次的折射、反射將能量相互抵消，以減少離開材質(zhì)表面的能量，而達降音之效果。聲波在傳播過程中遇到各種材料時，一部份音能被反射，一部份音能進入到材料內(nèi)部被吸收，還有很少一部分音能透射到材料另一側(cè)。我們常將Ii(w/m2)入射波強度，Ir(w/m2)反射波的強度之比值稱為吸音系數(shù)，記為α。

多孔性吸音材料之特性是以吸音α系數(shù)(率)來表示，α吸音系數(shù)愈大表示吸音效果愈好，吸音系數(shù)α的值在0~1之間。當(dāng)α= 0時，表示音能全部反射，材料不吸音；α= 1時表示材料吸收全部音能，沒有反射。吸音系數(shù)α的值愈大，表明材料(或結(jié)構(gòu))的吸音性能愈好。一般α在0.2以上的材料被稱為吸音材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸音材料。

1多孔(Porous)吸音材料（Absorptive Material）的吸音原理

多孔材料一直是主要的吸音材料，有玻璃棉、礦渣棉、無機纖維、合成高分子材料等，把玻璃纖維等作成棉狀，成形為板狀的玻璃棉、巖棉等高分子物質(zhì)發(fā)泡物中，氣泡互連的連續(xù)氣泡材等稱為多孔質(zhì)吸音材料，在這些材料中，氣泡的狀態(tài)有兩種；一種是大部分氣泡成為單個閉合的孤立氣泡，沒有通氣性能；另一種氣泡相互連接成為連續(xù)氣泡，噪音控制(Noise Control)中所用的吸音材料，是指有連續(xù)氣泡的材料，而多孔質(zhì)吸音材料為最廣用的代表性吸音材料。

2開孔板共振吸音(板模振動吸音Membraneous)結(jié)構(gòu)的吸音原理

薄的板材如鋼板、鋁板、膠合板、塑料板、草紙棉線、石膏板等按一定的孔徑和穿孔率，在背后留下一定厚度的空氣層，就構(gòu)成開孔板共振吸音(板模振動吸音Membraneous)結(jié)構(gòu)。薄的板狀材料或膜狀材料，如合板、石膏板、甘蔗板、鉆泥板或帆布等，藉由音能量入射至材料，引起板或膜的振動，消耗能量而吸音。其吸音特性以低頻音為主，對高頻音的吸音則必須仰賴與多孔質(zhì)型的材料合用才有效果。

3薄板（板狀）共振(共鳴Resonator)吸音結(jié)構(gòu)的吸音原理將薄的塑料板、金屬或膠合板等材料的周邊固定在框架(龍骨)上，并將框架與剛性板壁相結(jié)合，這種由薄板與板后的空氣層構(gòu)成的系統(tǒng)稱為薄板共振吸音結(jié)構(gòu)。

當(dāng)聲波入射到薄板上時，將激起板面振動，使板發(fā)生彎曲變形，由于板和固定支點之間的摩擦，以及板本身的內(nèi)阻尼(Damping)，做一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能損耗，聲波得到衰減。此種構(gòu)造是板的質(zhì)量、背后空氣層、關(guān)連板剛性的彈簧組成振動系，有共鳴周波數(shù)。此共鳴周波數(shù)也關(guān)連板的安裝方法，安裝部的構(gòu)造等，通常無法簡單求得，若有周波數(shù)與此一致的音入射，板會引起共鳴振動，其振動顯著增大，此周波數(shù)附近的能量損失增大，亦即與開孔板構(gòu)造同樣，藉共鳴吸收使音被吸收。當(dāng)入射聲波頻率與薄板共振(共鳴Resonator)吸音結(jié)構(gòu)的固有頻率一致時，產(chǎn)生共振(共鳴Resonator)，消耗聲能最大。

設(shè)計者在使用上，活用三種材料之特性，可達到理想的吸音目的；對于高頻音使用多孔質(zhì)型的材料，若對象頻率中某頻率特別突出，則使用共鳴吸音楔型材料或開孔板，而低頻率的聲音應(yīng)使用板模振動型材料。吸音材料最常用多孔(Porous)性吸音材料，有時也可選用柔性材料及膜狀材料等。在工程中，我們還常將多孔性吸音材枓做成各種幾何形狀來使用，吸音材料依吸音機構(gòu)分為若干種類，表14-3常用的吸音材料。

三、吸音設(shè)計

（一）設(shè)計原則

應(yīng)盡量先對音源進行隔音、消音等處理，當(dāng)噪聲源不宜采用隔音措施，或采用隔音措施后仍達不到噪音標(biāo)準(zhǔn)時，可用吸音處理做為輔助手段。只有當(dāng)房間內(nèi)平均吸音系數(shù)α很小時，吸音處理才能取得良好的效果，單獨的風(fēng)機房、控制室等房間面積較小，所需降低噪音量較高，宜對天花板、墻面同時作吸音處理；車間面積較大時，宜采用空間吸音體，平頂吸音處理；音源集中在局部區(qū)域時，宜采用局部吸音處理，并同時設(shè)置隔音墻障；噪聲源比較多而且較分散的生產(chǎn)車間宜做吸音處理。

1. 對于中、高頻噪音，可采用20~50mm厚的常規(guī)成型吸音板，當(dāng)吸音要求較高時可采用50~80mm厚的超細玻璃棉等多孔(Porous)吸音材料，并加適當(dāng)?shù)淖o面層；對于寬帶帶噪音，可在多孔材料后留50~100mm的空氣層，或采用80~150mm厚的吸音層；對于低頻帶噪音，可采用開孔板共振吸音結(jié)構(gòu)，其板厚通常可取2~5mm，孔徑可取3~6mm，穿孔率小于5％。

2. 對于濕度較高的環(huán)境，或有清潔要求的吸音設(shè)計，可采用薄膜復(fù)面的多孔材料或單、雙層微開孔板共振吸音結(jié)構(gòu)，開孔板的板厚及孔徑均不大于1mm，穿孔率可取0.5％~3％，空氣層深度可取50~200mm。