噪聲與振動(dòng)控制4

噪聲與振動(dòng)控制主講：宋雷鳴北京交通大學(xué)１聲學(xué)基本原理２噪聲評(píng)價(jià)與測量３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)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(soundabsorbingmaterial)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(shí)，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，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(duì)入射聲能(E0)之比。即: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:A=0.163V/T式中：V—混響室體積(m3)；T—混響時(shí)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吸聲系數(shù)。它包括了各種入射角，計(jì)算公式為：B.吸聲系數(shù)的測量b混響法室內(nèi)全空時(shí)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駐波管法則有合成的振幅為:進(jìn)而:有:C.在選用吸聲材料時(shí)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)值向低頻移動(dòng)，當(dāng)吸聲材料的容重過大時(shí)，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(shí)，最佳吸聲頻率向低頻方向移動(dòng)。對(duì)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(dòng)一個(gè)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（4）空間吸聲體?？臻g吸聲體的布放應(yīng)注意如下的幾條原則：吸聲材料在使用時(shí)，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(duì)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(shí)，激起由于板具有勁度和質(zhì)量，同時(shí)板本身和板與周圍的連接處有阻尼存在，進(jìn)而將振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生共振，此時(shí)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(dòng)。由于薄板和其后面的空氣曾組成振動(dòng)系統(tǒng)，相當(dāng)于質(zhì)量彈簧塊，薄板相當(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(jì)算：其中：M為薄板的面密度（kg/m3），D為空氣層厚度(m)，ρ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(shí)，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(gè)共振吸聲器組合而成的。單個(gè)共振吸聲器又稱為亥姆霍茲共振器，是一個(gè)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(gè)彈簧，當(dāng)聲波入射到頸中空氣時(shí)，頸中的空氣發(fā)生象活塞一樣往返振動(dòng)，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(shí)，就發(fā)生共振，此時(shí)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：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(jì)算：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d>t，t為板厚(m)時(shí)，Lk由下式求得：Lk=t+0.8d2)穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)：當(dāng)空腔內(nèi)壁貼吸聲材料時(shí)：Lk=t+1.2d當(dāng)>0.5時(shí)，吸聲結(jié)構(gòu)的頻帶寬度f為：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(gè)空腔或兩個(gè)腔組成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu):原理:這種結(jié)構(gòu)主要時(shí)利用聲波傳播時(shí)，引起空氣在小孔中振動(dòng)，由于小孔具有阻尼的作用，進(jìn)而在振動(dòng)時(shí)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?？涨坏拇笮】刂莆暦逯档墓逃蓄l率，腔越大，共振頻率越低。使用的原則:（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(jí)3.室內(nèi)聲場的衰變和混響時(shí)間4.吸聲對(duì)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(jí)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：每秒的平均反射次數(shù)：當(dāng)直達(dá)聲的聲功率為W時(shí)，提供的混響聲能為：每次砰撞吸收的聲能量為：則有，每秒吸收的聲能量為：進(jìn)而有：其中：直達(dá)聲的聲能密度：總的聲能密度為：而：則有：可得聲壓級(jí)與聲功率級(jí)之間的關(guān)系為：當(dāng)直達(dá)聲與混響聲聲能密度相等時(shí)的R，稱為混響半徑。此時(shí)：則有：3.室內(nèi)聲場的衰變和混響時(shí)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：考慮空氣傳聲的衰減應(yīng)有：則有，混響時(shí)間T60：4.吸聲對(duì)室內(nèi)降噪的作用室內(nèi)一點(diǎn)的聲壓級(jí)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(jí)為：當(dāng)遠(yuǎn)離聲源時(shí)有：4.2.隔聲(isolatingsound)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(shí)，遇到障礙物（如墻壁）時(shí)，聲波激障礙物的振動(dòng)，由障礙物的振動(dòng)將噪聲傳播出去，（3）聲源的振動(dòng)直接激起相連的物體的振動(dòng)，在由振動(dòng)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(duì)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：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)系可描述為透射系數(shù)的倒數(shù)取對(duì)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ⅠⅠⅡabD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：空氣中的反射波聲壓和質(zhì)點(diǎn)的速度為：ⅠⅠⅡabD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：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：在交界面b處有：求解得：聲強(qiáng)透射系數(shù)：當(dāng)：可簡化為：令M=D為固體媒質(zhì)的面密度：則有隔聲量為：當(dāng)時(shí)有：

“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，上式的計(jì)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(jì)算得到：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(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)，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(gè)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(dòng)方式相符，產(chǎn)生大幅振動(dòng)，使板材的隔聲性能變壞。板材的臨界頻率可以按下式計(jì)算:由上式可以看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(shí)，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ⅠⅠⅡabD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5~10dB；當(dāng)隔聲量相同時(shí)，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(duì)聲波引起的第一層的振動(dòng)具有彈性緩沖作用和吸聲作用，使振動(dòng)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(gè)彈簧，使整個(gè)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(shí)的共振頻率稱為基本共振頻率f0：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增加，隔聲增量增加。實(shí)踐證明，當(dāng)d>10cm時(shí)，R增加趨于緩慢，因此，工程實(shí)踐中一般取d=8~10cm。B、雙層間若有剛性連接，將顯著降低隔聲量，下降的多少與連接情況有關(guān)，因此在實(shí)踐中應(yīng)盡量避免剛性連接，而宜采用柔性連接。C、雙層結(jié)構(gòu)中空氣層內(nèi)填充吸聲材料，在結(jié)構(gòu)的受聲側(cè)附加一薄層彈性面層，或采取其它增加阻尼的措施，可以使吻合效應(yīng)顯著減弱，從而明顯提高隔聲量。四、隔聲結(jié)構(gòu)1.輕質(zhì)復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)輕質(zhì)復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)：是指由幾層輕薄以及密度不同的材料組成的隔聲構(gòu)件。常用的輕質(zhì)附和板是用金屬或非金屬的堅(jiān)實(shí)薄板作面層，內(nèi)側(cè)覆蓋阻尼層或夾入吸聲材料或空氣層等組成。雙層隔聲結(jié)構(gòu)也屬于這類型。該結(jié)構(gòu)的隔聲量可達(dá)到40多分貝。2.隔聲罩和隔聲間隔聲罩是在產(chǎn)生噪聲的設(shè)備周圍用隔聲結(jié)構(gòu)制成的罩子，它能使傳出的噪聲顯著減弱。因此隔聲罩是目前抑制機(jī)械噪聲較好的辦法，是應(yīng)優(yōu)先考慮采用的降噪措施。隔聲罩要取得較好的降噪效果，應(yīng)滿足一定的條件：1）一般機(jī)器的隔聲罩是由罩板、阻尼涂料和吸聲層構(gòu)成。2）小型設(shè)備一般采用1~3mm厚的鋼板作罩板，當(dāng)厚度為1，2，3