七种共振吸声结构的吸声机理介绍

2019-12-5 13:06| 发布者: weixin| 查看: 1232| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 多孔吸声材料对低频声吸声性能比较差，因此往往采用共振吸声原理来解决低频声的吸收。

多孔吸声材料对低频声吸声性能比较差，因此往往采用共振吸声原理来解决低频声的吸收。由于它的装饰性强，并有足够的强度，声学性能易于控制，故在建筑物中得到广泛的应用。

一、单个共振器

1、结构形式
它是一个密闭的内部为硬表面的容器，通过一个小的开口与外面大气相联系的结构，称为核姆霍兹共振器。

单个共振器示意图

2、吸声原理
单个共振器可看成由几个声学作用不同的声学元件所组成，开口管内及管口附件空气随声波而振动，是一个声质量元件；空腔内的压力随空气的胀缩而变化，是一个声顺元件；而空腔内的空气在一定程度内随声波而振动，也具有一定的声质量。空气在开口壁面的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热的作用，会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻。当入射声波的频率接近共振器的固有频率时，孔颈的空气柱产生强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。反之，当入射声波频率远离共振器固有频率时，共振器振动很弱，因此声吸收作用很小，可见共振器吸声系数随频率而变化，最高吸声系数出现在共振频率处。

3、共振频率计算
单个共振器对频率有较强选择性，共振频率f0可由下式求得：

式中，c 为声速；S 为颈口面积，S=πr2；r 为颈口半径；V 为空腔体积；t 为颈的深度，即板厚；d 为圆孔直径。因为颈部空气柱两端附近的空气也参加振动，需要对t 进行修正，其修正值一般取0.8d。

二、穿孔板共振吸声结构

1、结构形式
在各种薄板上穿孔并在板后设置空气层，必要时在空腔中加衬多孔吸声材料，可以组成穿孔板共振吸声结构，由于每个开口背后均有对应空腔，这一穿孔板结构即为许多并联的核姆霍兹共振器。一般硬质纤维板、胶合板、石膏板、纤维水泥板以及钢板、铝板均可作为穿孔板结构的面板材料。

穿孔板共振吸声结构简图

2、吸声原理
由于它是核姆霍兹共振器的组合，因此可看作是由质量和弹簧组成的一个共振系统。当入射声波的频率和系统的共振频率一致时，穿孔板颈的空气产生激烈振动摩擦，加强了吸收效应，形成了吸收峰，使声能显著衰减；远离共振频率时，则吸收作用小。如果在穿孔板后放置多孔材料增加声阻，会使结构吸收频率带加宽。

3、共振频率计算
穿孔板的共振频率 (Hz) 可按下式计算：

式中，L 为板后空气层厚度；t 为板的厚度；d 为孔径；c 为声速；P 为穿孔率（穿孔面积/全面积×100%）。

三、微穿孔板共振吸声结构

1、结构形式
微穿孔板吸声结构是在普通穿孔板的基础上，为了加宽吸声频带，用板厚、孔径均在1mm以下、穿孔率为1%~5%的薄金属板与背后空气层组成共振吸声结构。由于穿孔细而密，因而比穿孔板的声阻大得多，而声质量要小得多，声阻与声质量之比大为提高，不用另加多孔材料就可以成为良好的吸声结构。

微穿孔板吸声结构的优点是，构造简单、易于清洗、耐高温，所以它适合于高速气流、高温或潮湿等特殊环境。为达到吸收不同频率声音的要求，常常作为双层或多层的组合结构。

微穿孔板吸声结构

2、吸声原理
与普通穿孔板结构相比较，微穿孔板结构在吸声原理和频率特性等方面具有共同性，只不过其穿孔的声阻抗需要考虑声波的粘滞效应。

3、共振频率计算
微穿孔板吸声结构的共振频率：

式中，PD/3 为末端修正，D 为腔深。

采用双层吸声结构，可以得到更宽的吸声频带，此时有两个共振吸收峰，其共振频率为：

式中，D1 为前腔腔深，P1 为前腔穿孔率，l1 为后腔板厚，D2 为后腔腔深，P2为后腔穿孔率。

四、狭缝共振吸声结构

1、结构形式
由圆形孔穿孔板结构发展而成，当圆形孔变为平行窄缝的形式，并且狭缝长度与声波波长相当或更长时，即为狭缝构造。它对于多孔吸声材料起护面作用，如果狭缝面积与整体面积比在15%~20%以下，就成为一种共振吸声结构。

由木条或金属板条构成的狭缝吸声结构有丰富的竖线条，如与其他形式面板组合，可获得良好的室内装饰效果。只要控制好狭缝部分面积与总面积的比例，就可以形成不同吸声特性的狭缝共振吸声结构。

2、吸声原理
与穿孔板共振吸声结构相同，狭缝中相当于质量的空气柱与背后相当于弹簧的空腔组成一个振动系统，当入射声波频率接近系统的固有频率，即出现共振，出现吸收峰值。

3、共振频率计算

狭缝构造：

式中，c 为声速，P 为穿孔率 (%)，t 为板厚，L 为板后空气层厚度，le 为板厚的末端修正。

式中，b 为狭缝宽度，B 为狭缝间距。le 值可由下图查得：

短狭缝构造：

式中，c 为声速；t 为板厚；K 为狭缝长度为d 时，由d/b确定的值，可由下图求得：

五、薄板共振吸声结构

1、结构形式
在周边固定在框架上的薄板（如胶合板、金属板等）后，设置适当厚度的密封空气层，由板的弹性和空气层的弹性与板的质量形成一个共振系统，在系统共振频率附近具有较大的吸声作用。

2、吸声原理
当声波入射到薄板结构时，薄板在声波高变压力激发下而振动，使板发生弯曲变形（其边缘被嵌固），出现了板内部摩擦损耗，在共振频率时，消耗声能最大。

3、共振频率计算
影响薄板共振吸声结构吸收的主要因素与板是否容易振动和变形有关，且板材本身重量和弹性系数或刚度、结构的不同组成形式和尺寸、结构的安装方法、板后空气层厚度等，均对吸声特性有影响。

薄板共振结构的共振频率 (Hz) 可用下式计算：

式中，M0 为薄板单位面积重量 (kg/m2)；L 为薄板后空气层厚度 (m)；p 为空气密度 (0.12kg/m3)；c 为声速 (340m/s)；k 为结构的刚度因素[kg/(m2·s2)]，一般板材的k 值大约为1×10⁶~3×10⁶。

k 与板的弹性、骨架构造、安装情况有关，板越薄，龙骨间距越大，k 值就越小。

六、膜状材料

在刚度很小、受拉力而处于拉张状态的弹性膜（如塑料薄膜、金属膜）后，设置适当厚度的封闭空气层，形成一个膜和空气层组成的共振系统，在系统共振频率附近具有较大的吸声作用。可以认为，惯性取决于膜的质量，弹性则与膜张贴的拉力和背后空气层的弹性有关。薄膜厚度增加，高频范围内吸声系数下降的趋势更明显，因此需要适当选择薄膜的厚度。一般厚度小时，对高频的影响小。膜状材料的吸声特性还与薄膜铺贴方法有关，一般铺贴时尽量不对膜施加拉力。对于不施加拉力的膜，其共振频率可按下式计算：

式中，m 为膜的面密度 (kg/m2)，L 为膜后空气层的厚度(m)，p 为空气密度 (kg/m3)；c 为声速(m/s)。

七、特殊吸声结构

1、空间吸声体
空间吸声体是一种悬挂在室内空间中专为吸声目的而制作的吸声构造。它与一般吸声结构的区别在于，它不是与顶棚、墙体等壁面组成的吸声结构，而是自成体系，由于可以预先制作，并直接进行现场吊装，故便于装卸维修。空间吸声体由于吸声效率很高，有宽的吸声频带，充分发挥了材料的吸声作用，特别适合于已建成房间的声学处理，有利于节省材料和投资，所以目前在声学工程中也得到广泛采用。

2、吸声尖劈
这是用于消声室的特殊吸声结构。消声室是进行声学、电声试验和测量的声学实验室，它要求在一定范围内，室内各壁面都具有99%以上的吸收。采用吸声尖劈可以比使用多孔材料大大减少材料的尺度。为了表示这种吸声结构的声学特性，常用声压反射系数r 来代替吸声系数α：

尖劈垂直入射吸声系数0.99（声压反射系数为0.10）以上的频率下限称为尖劈截止频率，用它来表示尖劈的特性。

3、吸声原理
尖劈的吸声是由于它的端部吸声面积小，它的阻抗从接近空气特性阻抗逐步增大到接近多孔材料的阻抗，阻抗由小逐步增大，相对变化不显著，因此当声波从端部入射时，由于吸声层的逐渐过渡，材料的声阻抗与空气声阻抗能较好地匹配，使入射声波绝大部分进入材料内部而被高效地吸收。

来源：整理自《噪声与振动控制工程手册》，作者：马大猷。

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