噪聲與振動控制4

1、噪聲與振動控制主講：宋雷鳴北京交通大學(xué)聲學(xué)基本原理噪聲評價與測量噪聲控制技術(shù)第一部分、噪聲控制技術(shù)第四章、噪聲控制技術(shù)4.1、吸聲(absorption)降噪技術(shù) 聲音的產(chǎn)生必須具備聲源，介質(zhì)等條件，只有當(dāng)聲源、聲的傳播和接受者三者同時存在時才構(gòu)成對環(huán)境的污染。因此噪聲控制必須把聲源、聲的傳播途徑和接受者作為一個整體，從聲源控制，傳播途徑控制，接收者防護(hù)幾個方面來考慮。一般來講，噪聲控制技術(shù)主要包括吸聲、隔聲、消聲和阻尼減振降噪等。 吸聲處理是控制音質(zhì)和降低噪聲的重要方法之一。它是利用某些吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)吸收聲能來降低噪聲強(qiáng)度的。（一）吸聲材料(sound absorbing materia

2、l)1吸聲材料的工作原理 多孔吸聲材料是靠聲波入射進(jìn)入材料的孔隙中而發(fā)生作用吸收噪聲的。當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時，部分入射聲波與材料的纖維或顆粒之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，由于空氣分子的粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗掉，進(jìn)而達(dá)到降噪的目的。 一般常用的吸聲材料都指多孔吸聲材料好的吸聲材料必須具有好的“透氣性”，即要求材料內(nèi)部的孔隙要彼此相連。吸聲材料包括纖維類、泡沫類和顆粒類，其中纖維類最為常見如超細(xì)玻璃棉、礦渣棉、化纖棉等。泡沫類材料包括泡沫塑料、海綿等，顆粒類有膨脹珍珠巖，軟木制品、木屑制品等，2.種類3.多孔性吸聲材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 多孔材料必須具有大量微孔，各孔之間要連通并通到材料表面，

3、使空氣可以自由進(jìn)入。4.吸聲材料的性能A. 吸聲系數(shù) 吸聲系數(shù)等于被吸收的聲能(E)對入射聲能(E0)之比。即:0EE 入射聲能吸收聲能 完全反射材料的吸聲系數(shù)，完全吸收的材料，吸收系數(shù),一般材料的吸聲系數(shù)都在0到1之間。但只有材料的平均吸聲系數(shù)在0.1以上的材料，才能作為吸聲材料。實(shí)際中的平均吸聲吸聲系數(shù)定義為:6)(400020001000500250125aaaaaaam 常用國產(chǎn)吸聲材料的吸聲系數(shù)(駐波管法 0)各頻率的吸聲系數(shù)材料名稱容重kg/m3厚度125250500100020004000產(chǎn)地2.50.020.070.220.590.940.94上海50.050.240.720.

4、920.900.98上海15100.110.850.880.830.930.97上海50.100.350.850.850.860.86上海超細(xì)玻璃棉20100.250.600.850.870.870.85上海60.250.550.780.750.870.91北京24080.350.650.650.750.880.92北京礦渣棉15080.300.840.930.780.930.94北京50.110.300.500.500.500.52北京工業(yè)毛氈37070.180.350.430.500.530.54北京4040.100.190.360.700.750.80上海聚氨脂泡沫塑料4580.200.

5、400.950.900.980.85上海20.150.150.160.340.780.52北京40.190.200.480.780.420.70北京木絲板80.250.530.820.630.840.59北京50.160.460.640.480.560.56北京水泥膨脹珍珠巖板35080.340.470.400.300.480.55上海礦渣膨脹珍珠巖吸聲磚700-80011.50.380.540.600.690.700.72北京A=0.163V/T式中：V混響室體積(m3)；T混響時間(s)；A室內(nèi)總吸聲量(m2)。 吸聲系數(shù)隨入射角而改變，通常吸聲系數(shù)是指在混響室中測量而用賽賓混響公式算出的

6、吸聲系數(shù)。它包括了各種入射角，計算公式為：B.吸聲系數(shù)的測量b混響法室內(nèi)全空時測得的吸聲量為A0，面積為S(m2)的吸聲材料放入后所測得的吸聲量為A1，則吸聲系數(shù)為:=(A1-A0)/s=A/s式中A為該吸聲材料的吸聲量。a駐波管法)(cosxlktPpii )(cos xlktPpii則有合成的振幅為:2/122)(2cos2 xlkPPPPPriririPPP maxriPPP minSWRrrPPpp 11minmax進(jìn)而:有:irpPPSWRSWRr 11irpPPSWRSWRr 220) 1(41C.在選用吸聲材料時必須注意以下幾點(diǎn)：（1）吸聲材料的材料的容重。 材料的較大吸聲系數(shù)值

7、向低頻移動，當(dāng)吸聲材料的容重過大時，吸聲系數(shù)降低，因此各種吸聲材料有最佳的容重值。 為了改善吸聲材料的低頻吸聲性能，可在材料層和剛性壁面之間留出一定厚度的空腔，這相當(dāng)于增加了材料層的有效厚度，即可以使吸聲材料結(jié)構(gòu)的低頻性能增加。（2）空氣層 多孔材料的低頻吸聲系數(shù)一般較低，當(dāng)材料的厚度增加時，最佳吸聲頻率向低頻方向移動。對同種材料而言，材料厚度加倍，吸聲系數(shù)的最大值向低頻移動一個倍頻程，若材料的背后為剛性壁面，則材料的最佳吸聲系數(shù)的頻率出現(xiàn)在波長為牧系暮穸鵲4倍的頻率處。材料的厚度越大，低頻的吸聲系數(shù)越大，但在中高頻處的吸聲系數(shù)變化不大（3）吸聲層的厚度超細(xì)玻璃棉的吸聲特性 吸聲體是一種懸掛式

8、的高效的吸聲結(jié)構(gòu)，同粘貼在墻面的吸聲材料相比，由于聲波可以撞擊在空間吸聲體的各個表面，使得材料的利用率大大提高，吸聲效果要好得多?？臻g吸聲體用穿孔板（鋼、鋁等材料）作成各種形狀，如板形，棱柱形，球形等，通常填充或襯貼礦渣棉、超細(xì)玻璃棉等吸聲材料。（4）空間吸聲體。空間吸聲體的布放應(yīng)注意如下的幾條原則：（1）在車間或建筑物的天花板上，適宜采用分散式布置空間吸聲體。（2）吸聲體的面積與天花板的面積比值對降噪效果影響很大，吸聲體的面積增加一倍，噪聲的降低值為 2-3dB。當(dāng)面積比超過 50%時，天花板上已很難在布置吸聲體，如面積更大則將改變吸聲體的特性，而使吸聲系數(shù)下降。最佳面積比。建議為1/2-1

9、/3 為宜。（3）安裝的高度以 75cm 效果最好，排列方式采用以條形方案最好。（4）吸聲降噪值一般最大為 10.5dB，高頻時可達(dá) 12.5dB。 空間吸聲體，特別使用于降低大車間的噪聲以及地下建筑，對其混響時間的控制和吸聲降噪，都可達(dá)到較好的效果。 吸聲材料在使用時，由于吸聲材料一般很疏松，無法直接使用，因此需要增加護(hù)面層。護(hù)面層一般有護(hù)面穿孔板和紗網(wǎng)。護(hù)面穿孔板可以金屬板塑料板膠合板等制成，一般情況下，穿孔率不應(yīng)低于20%，穿孔率越大，中高頻的吸聲性能越好，穿孔率越小，中高頻的吸聲性能越差，但對提高低頻的吸聲性能有利。（5）.護(hù)面層（二）、吸聲結(jié)構(gòu) 一般的吸聲結(jié)構(gòu)都是共振結(jié)構(gòu)，利用共振的

10、原理吸收聲能，往往能獲得較好的低頻吸聲效果。常用的吸聲結(jié)構(gòu)有下列幾種：1.板狀（或薄板）吸聲結(jié)構(gòu)2.穿孔板與微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)1.板狀（或薄板）吸聲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：板狀吸聲結(jié)構(gòu)是一種有效頻率很低的吸聲結(jié)構(gòu)。任何一種不透氣的材料裝在墻壁上，并保持一定的空氣層，就成為板狀吸聲結(jié)構(gòu)。原理：當(dāng)聲波入射到材料表面時，激起 由于板具有勁度和質(zhì)量，同時板本身和板與周圍的連接處有阻尼存在，進(jìn)而將振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到吸聲的目的。當(dāng)聲波的入射頻率接近于振動系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)將發(fā)生共振，此時吸收的聲能最大，即此頻率處系統(tǒng)的吸聲系數(shù)達(dá)到最大值。壁板的振動。由于薄板和其后面的空氣曾組成振動系統(tǒng)，相當(dāng)于質(zhì)量彈簧塊，薄

11、板相當(dāng)于質(zhì)量塊，空氣相當(dāng)于彈簧。薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率可按下式計算：)(60020HzDMDMcf 其中：M為薄板的面密度（kg/m3），D為空氣層厚度(m)，空氣密度（kg/m3），C為聲速(m/s)。注意：實(shí)用中，板的厚度通常取3-6cm，空氣層的厚度一般取3-10cm，其共振處的吸聲系數(shù)可達(dá)0.5以上，當(dāng)空氣層中填充多孔吸聲材料，又在板與龍骨之間墊襯一些阻尼材料時，可使吸聲頻帶變寬，吸聲量也有所增加。 2穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)： 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)可以看成是多個共振吸聲器組合而成的。單個共振吸聲器又稱為亥姆霍茲共振器，是一個具有開口的體積為V的空腔，如圖所示。1)亥姆霍茲共振器:結(jié)構(gòu):原

12、理:開口的直徑為d，孔頸長為L，空腔中的空氣相當(dāng)于一個彈簧，當(dāng)聲波入射到頸中空氣時，頸中的空氣發(fā)生象活塞一樣往返振動，它與頸壁的摩擦作用，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。當(dāng)外來聲波的頻率與共振器的固有頻率相同時，就發(fā)生共振，此時的吸聲效果更好。亥姆霍茲共振器的共振頻率可由下式求出：VGCf20 式中：C空氣中聲速，取340m/s；V共振腔體積(m3)；G傳導(dǎo)率(m)， ；d共振腔開口直徑(m)；L共振腔孔頸長度(m)。dLdG 42 單個共振吸聲器頻率選擇性很強(qiáng)，吸聲頻帶很窄，f0一般在幾十至幾百 Hz，往往用于低頻吸聲。在工程實(shí)踐中，常把多個共振吸聲器組合起來形成組合共振吸聲器，以改善其頻率特

13、性。 組合共振吸聲器實(shí)際上是一塊打了許多孔的穿孔板，其后設(shè)置空腔，因此又稱為穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。它的共振頻率f0可用下式計算：DLPCfk20 式中：P穿孔率，即穿孔面積占總面積的百分比；D穿孔板后空氣層厚度(m)；Lk頸的有效長度(m)。當(dāng)穿孔孔徑dt，t為板厚(m)時，Lk由下式求得：Lk=t+0.8d 2)穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)：當(dāng)空腔內(nèi)壁貼吸聲材料時：Lk=t+1.2d當(dāng)0.5時，吸聲結(jié)構(gòu)的頻帶寬度f為：Dff004 3).孔的排列方式3.微穿孔板的吸聲結(jié)構(gòu) 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是一種由板厚和孔徑都在1mm以下、孔隙率為1%-3%的金屬穿孔板和一個空腔或兩個腔組成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu):殼壁空腔空腔

14、氣流通道原理:這種結(jié)構(gòu)主要時利用聲波傳播時，引起空氣在小孔中振動，由于小孔具有阻尼的作用，進(jìn)而在振動時將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，從而達(dá)到消聲的目的。空腔的大小控制吸聲峰值的固有頻率，腔越大，共振頻率越低。使用的原則: a 板的厚度小于 1mm，常取 0.8 b 穿孔板孔徑小于 1mm，常取 0.5-0.8 c 空隙率小于 3% d 雙腔的總深度為 100-300mm，低頻常取 300mm，中頻取 100mm，高頻取 50mm。 e 板材取鋁板或合金鋁板，在有空調(diào)系統(tǒng)或比較干燥地區(qū)，也可以選用鍍鋅鐵板或普通鋼板。（三）、室內(nèi)吸聲降噪1.室內(nèi)聲場的組成2.擴(kuò)散聲場中的聲能密度與聲壓級3.室內(nèi)聲場

15、的衰變和混響時間4.吸聲對室內(nèi)降噪的作用1.室內(nèi)聲場的組成自由聲混響聲2.擴(kuò)散聲場中的聲能密度與聲壓級自由程：在室內(nèi)，聲波經(jīng)兩次反射距離的平均值定義為平均自由程：SVd4 每秒的平均反射次數(shù)：Vcn4 當(dāng)直達(dá)聲的聲功率為W時，提供的混響聲能為：)1 ( WR每次砰撞吸收的聲能量為：VR 1則有，每秒吸收的聲能量為：)1 (4 WVcSVR進(jìn)而有：cRWScWR4)1 (4 1SR iiiSSSSSSSS3211332211其中：直達(dá)聲的聲能密度：crWQD24 總的聲能密度為：RD 而：cPe/2 則有：)44(22RrQcWPe 可得聲壓級與聲功率級之間的關(guān)系為：)44lg(102RrQLL

16、Wp 當(dāng)直達(dá)聲與混響聲聲能密度相等時的R，稱為混響半徑。RrQ442 此時：則有：QRre41 3.室內(nèi)聲場的衰變和混響時間 當(dāng)聲源關(guān)閉后，聲波在空間內(nèi)進(jìn)行反射，在T秒內(nèi)室內(nèi)平均聲能密度為：tVcS 41)1 (考慮空氣傳聲的衰減應(yīng)有：mcttVcSe 41)1 (則有，混響時間T60：mVSVT4)1ln(161. 060 4.吸聲對室內(nèi)降噪的作用)44lg(102RrQLLWp 室內(nèi)一點(diǎn)的聲壓級為：假設(shè)室內(nèi)在吸聲處理前后的房間常數(shù)為R1、R2，則有相應(yīng)的聲壓級為：)44lg(10121RrQLLWp )44lg(10222RrQLLWp 當(dāng)遠(yuǎn)離聲源時有：)1 ()1 (lg10)lg(10

17、211212 RRLp4.2.隔聲(isolating sound) 噪聲在環(huán)境中的傳播主要有以下的幾種途徑：（1）是聲源產(chǎn)生的噪聲在空中通過縫隙、窗戶等直接傳播到環(huán)境中，（2）是聲波在空氣中傳播時，遇到障礙物（如墻壁）時，聲波激障礙物的振動，由障礙物的振動將噪聲傳播出去，（3）聲源的振動直接激起相連的物體的振動，在由振動的物體向外輻射噪聲。一、概述前兩種傳播噪聲的方式稱為“空氣傳聲”，而后一種噪聲的傳播方式稱為“固體傳聲”。空氣傳聲：一般可以采用隔聲的方法進(jìn)行噪聲控制，所謂的隔聲是指通過采用一些結(jié)構(gòu)將噪聲區(qū)和安靜區(qū)隔離開的一種噪聲控制方法。隔聲是噪聲控制中行之有效的技術(shù)措施之一。固體傳聲：一

18、般可采用減振隔振的方法進(jìn)行降噪二、 隔聲性能的度量 對結(jié)構(gòu)隔聲性能一般可采用，透射聲功率與入射聲功率的比值來衡量，即聲透射系數(shù)，其定義為：12WW 式中：W2-透射聲功率，W1-入射聲功率。 在實(shí)際的工程中習(xí)慣上常采用隔聲量來表示，其透射系數(shù)之間有如下的關(guān)系1lg10 R可描述為透射系數(shù)的倒數(shù)取對數(shù)乘以10，單位為分貝。三、隔聲原理1.單層均質(zhì)構(gòu)件的隔聲原理iPtPrP1rP2iP2abD設(shè)空氣的特征阻抗率為 ，介質(zhì)的特征阻抗率為 ，入射聲波的聲壓和質(zhì)點(diǎn)的速度分別為：11c22c)cos(1xktPpii )cos(111xktcPuii 空氣中的反射波聲壓和質(zhì)點(diǎn)的速度為：)cos(1xktP

19、prr )cos(111xktcPurr iPtPrP1rP2iP2abD在第二介質(zhì)中的透射波及反射波的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度分別為：)cos(222xktPpii )cos(22222xktcPuii )cos(22222xktcPurr )cos(222xktPprr )cos(1xktPptt )cos(111xktcPutt 透射聲波在隔層的另一側(cè)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度為：在交界面a處有：ririPPPP22 2222221111cPcPcPcPriri 0 x在交界面b處有：)cos()cos()cos(12222DktPDktPDktPtri )cos()cos()cos(111222222Dk

20、tPccDktPDktPtri tDktDktDkPPrccccccccirpsinsin)(coscos2sinsin)(2222211112222111122 求解得：聲強(qiáng)透射系數(shù)：DkDkrccccpl222222sin)(cos44122111122 當(dāng)：12Dk可簡化為：22)(441122DkccI 令M=D2為固體媒質(zhì)的面密度：22)(1111cMI )2(1lg101lg10211cMR 則有隔聲量為：1)2(211 cM當(dāng) 時有：42lg20lg202lg201lg1011 MfcMR “質(zhì)量定律”： 當(dāng)頻率或面密度增加一倍，隔聲量增加6分貝。際中的聲波一般是無規(guī)入射的，上式

21、的計算值與實(shí)際值之間存在著較大的差別，一般采用下面經(jīng)驗(yàn)公式計算得到：)(26lg5 .14lg5 .14dBMfR 2.單層均質(zhì)隔聲墻的影響因素： 單層均質(zhì)板的隔聲性能除與板的面密度、入射聲波的頻率及入射角度有關(guān)外，實(shí)際上還與板的阻尼、剛度等因素有關(guān)。對單層均質(zhì)墻的隔聲性能從理論上和工程實(shí)踐中可以采用如圖所示的隔聲頻率特性曲線進(jìn)行更為細(xì)致的描述。一般隔聲頻率特性曲線，可分為三個區(qū)域： 1）區(qū)域?yàn)閯哦群妥枘峥刂茀^(qū)，2）區(qū)域?yàn)橘|(zhì)量控制區(qū)，3）區(qū)域?yàn)槲呛闲?yīng)和質(zhì)量定律延伸區(qū)。勁度:此時隔聲量隨頻率的增加每倍頻程下降6分貝共振區(qū):有一系列共振頻率，這些共振頻率取決于板的性質(zhì)及邊界條件，共振區(qū)的大小與墻

22、的性質(zhì)、大小、及厚度等因素有關(guān)，常見的建筑結(jié)構(gòu)的共振頻率一般低于100赫茲。在此區(qū)域內(nèi)板的隔聲性能遵循隔聲的質(zhì)量定律，板的面密度越大，入射聲波的頻率越高，板的隔聲量越大吻合效應(yīng): 指某一頻率的聲波以一定的角度投射到板材上，使入射聲波的波長在板材上的投射正好與板的固有彎曲波長相等，從而激發(fā)板材固有振動，向另一側(cè)輻射強(qiáng)度很大的聲波。臨界頻率: 發(fā)生吻合效應(yīng)的最低頻率稱為臨界頻率 ，它決定了板材的使用頻率范圍的上限，在此頻率以上，每一頻率都有一個特殊的入射角，使得聲波的頻率與板材結(jié)構(gòu)的簡諧振動方式相符，產(chǎn)生大幅振動，使板材的隔聲性能變壞。板材的臨界頻率可以按下式計算:Etcfc1222 由上式可以看

23、出臨界頻率的大小與材料的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，同一種材料，臨界頻率與面密度成反比。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生吻合效應(yīng)時，可以通過減低材料的厚度，提高材料的結(jié)構(gòu)的臨界頻率的方法，擴(kuò)大結(jié)構(gòu)的有效隔聲頻率范圍，或提高結(jié)構(gòu)的阻尼的方法來提高結(jié)構(gòu)的隔聲量。3.雙層結(jié)構(gòu)的隔聲iPtPrP1rP2iP2abD注意：一般說，雙層隔聲結(jié)構(gòu)比同樣重量的單層結(jié)構(gòu)隔聲量大510dB；當(dāng)隔聲量相同時，雙層結(jié)構(gòu)的重量要比單層結(jié)構(gòu)減少2/3到3/4。雙層結(jié)構(gòu)隔聲性能好的主要原因是：中間的空氣層(或填有吸聲材料的空氣層)對聲波引起的第一層的振動具有彈性緩沖作用和吸聲作用，使振動得到較大衰減后才傳到第二層，因而提高了整體的隔聲量。1）原理：2）共振頻率雙層結(jié)構(gòu)中間的封閉空氣層相當(dāng)于一個彈簧，使整個結(jié)構(gòu)的性能類似于“質(zhì)量彈簧質(zhì)量”組成的共振系統(tǒng)。聲波以法向入射時的共振頻率稱為基本共振頻率f0：dmmmmCf2121200)(21 式中：m1、m2分別為兩層的面密度(kg/m2)；d空氣層厚度(cm)；0空氣密度(kg/m3)。3）應(yīng)注意的問題3）應(yīng)注意的問題A、雙層結(jié)構(gòu)的隔聲量與空氣層厚度d有關(guān)，厚度d增