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噪声振动第6章2

6.3.3噪声控制的基本技术

1.吸声（soundabsorption）

吸声处理是控制音质和降低噪声的重要方法之一。

它是利用某些吸声材料或吸声结构吸收声能来降低噪声强度的。

（1）吸声材料与吸声性能

吸声材料多是一些多孔材料，这类材料的吸声机理是：

当声波进入多孔材料的孔隙中时，引起空隙间的空气分子和纤维的振动，由于空气与孔壁的摩擦阻力、空气的粘滞阻力和热传导等作用，使相当一部分声能变为热能而耗散掉，从而起到吸声作用。

因此多孔材料必须具有大量微孔，各孔之间要连通并通到材料表面，使空气可以自由进入。

吸声材料的吸声性能可以用吸声系数来衡量。

吸声系数等于被吸收的声能（E）对入射声能（E0）之比。

即

吸声系数随入射角而改变，通常吸声系数是指在混响室中测量而用赛宾混响公式算出的吸声系数。

它包括了各种入射角，计算公式为：

A=0.163V/T（6-13）

式中：

V—混响室体积（m3）；

T—混响时间（s）；

A—室内总吸声量（m2）。

室内全空时测得的吸声量为A0，面积为S（m2）的吸声材料放入后所测得的吸声量为A1，则吸声系数为

=（A1-A0）/s=A/s（6-14）

式中A为该吸声材料的吸声量。

按照定义，向着自由空间开着的1m2的窗户引起的声吸收（声波传到窗口全部透出去）量为1m2（旧称1赛宾）。

如果某材料的吸声系数为0.4，则该材料的吸声量要达到1m2所需要的面积为2.5m2。

吸声系数与材料的性质有关。

一般说，密度小和空隙多的材料，吸声系数大，吸声性能好；而结构紧密、光滑、坚硬的材料吸声系数小，吸声性能差。

吸声系数还与声波的频率有关，通常用125、250、500、1000、2000、4000六个频率的吸声系数表示材料的吸声频率特性。

吸声系数可用混响室或驻波管法进行测定。

表6-7列出了几种常用国产材料的吸声系数。

表6-7常用国产吸声材料的吸声系数（驻波管法0）

材料名称

容重

kg/m3

厚度

各频率的吸声系数

产地

125

250

500

1000

2000

4000

超细玻璃棉

2.5

0.02

0.07

0.22

0.59

0.94

上海

0.05

0.24

0.72

0.92

0.90

0.98

上海

0.11

0.85

0.88

0.83

0.93

0.97

上海

0.10

0.35

0.85

0.86

上海

0.25

0.60

0.85

0.87

0.85

上海

矿渣棉

240

0.25

0.55

0.78

0.75

0.87

0.91

北京

0.35

0.65

0.75

0.88

0.92

北京

150

0.30

0.84

0.93

0.78

0.93

0.94

北京

工业毛毡

370

0.11

0.30

0.50

0.52

北京

0.18

0.35

0.43

0.50

0.53

0.54

北京

聚氨脂泡沫塑料

0.10

0.19

0.36

0.70

0.75

0.80

上海

0.20

0.40

0.95

0.90

0.98

0.85

上海

木丝板

0.15

0.16

0.34

0.78

0.52

北京

0.19

0.20

0.48

0.78

0.42

0.70

北京

0.25

0.53

0.82

0.63

0.84

0.59

北京

水泥膨胀珍珠岩板

350

0.16

0.46

0.64

0.48

0.56

北京

0.34

0.47

0.40

0.30

0.48

0.55

上海

矿渣膨胀

珍珠岩吸声砖

700-800

11.5

0.38

0.54

0.60

0.69

0.70

0.72

北京

影响多孔材料吸声性能的主要因素有：

1）材料的空隙率q：

多孔材料中通气的孔隙体积与材料总体积之比称为空隙率。

一般多孔吸声材料的空隙率在70%以上。

2）吸声材料的结构特性：

材料吸声系数与材料的结构特性有关。

材料的结构特性在这里指材料的厚度和容重。

吸声材料的厚度关系到它的吸声频率特性。

一般说，低频声的吸声性能随材料厚度的增加而提高，但厚度增加对高频声的吸收影响不明显，因为高频声在吸声材料表面就被吸收。

图6-4给出了容重为15kg/m3的超细玻璃棉的吸声系数随厚度变化的情况。

图6-4超细玻璃棉的吸声特性

实验表明，某种吸声材料的容重一定时，吸声系数的大小取决于厚度D与频率f的乘积fD。

由图6-4可见，每一种厚度的材料的吸声系数有一个极大值，相应的频率称为吸声共振频率fr，此时frD=5kHzcm，共振吸声系数r=0.9~0.99。

当频率低于fr时，随f降低而逐渐减小，通常把减小到r/2时的频率称为下限频率fz，把fr到fz的频宽称为下半频带宽。

值通常在1~1

倍频程内，fr与fz的关系为：

fr=2fz。

材料容重增加时，空隙率相应降低，能改善低频吸声效果，但高频吸声效果降低。

容重过大，吸声效果会明显降低。

材料厚度一定的多孔材料，改变它背后空气层的厚度，对吸声性能有很大影响。

通常，在空气层厚度等于1/4波长的奇数倍时，可获得该频率最大吸声系数。

（2）吸声结构及其吸声材料

一般的吸声结构都是共振结构，利用共振的原理吸收声能，往往能获得较好的低频吸声效果。

常用的吸声结构有下列几种：

1）薄板共振吸声结构：

薄板共振吸声器是一种盒式吸声结构，如图6-5所示，它是用不透气的薄层（如胶合板、硬质纤维板等），四周固定，并在背后留有一定厚度的空气层组成。

板后的空气层相当于弹簧，当声波入射到薄板时，由于声压的作用，迫使薄板产生振动，使板发生弯曲变形，出现内摩擦，使部分振动能转变为热能而消耗掉。

当入射声波与振动系统的固有频率接近时，发生共振现象，此时振动最大，吸声最显著。

薄板共振吸声结构具有较强的频率选择特性，一般应使吸声结构的共振频率f0接近要吸收的声波的频率。

f0可由下式计算：

（Hz）（6-15）

式中：

m—单位面积板的重量（kg/m3）；

D—板后空气层的厚度（cm）。

由此可见，m和D越大，f0越低，对低频吸声有利。

f0一般在80~300Hz之间。

图6-5薄板共振吸声结构图6-6单个共振吸声器

一般薄板结构的共振吸声系数约为0.2~0.5。

若在空气层中填多孔吸声材料，则吸声效果更好。

2）穿孔板共振吸声结构：

穿孔板共振吸声结构可以看成是多个共振吸声器组合而成的。

单个共振吸声器又称为亥姆霍兹共振器，是一个具有开口的体积为V的空腔，如图6-6所示。

开口的直径为d，孔颈长为L，空腔中的空气相当于一个弹簧，当声波入射到颈中空气时，颈中的空气发生象活塞一样往返振动，它与颈壁的摩擦作用，使一部分声能转化为热能而消耗。

当外来声波的频率与共振器的固有频率相同时，就发生共振，此时的吸声效果更好。

亥姆霍兹共振器的共振频率可由下式求出：

（Hz）（6-16）

式中：

C—空气中声速，取340m/s；

V—共振腔体积（m3）；

G—传导率（m），

；

d—共振腔开口直径（m）；

L—共振腔孔颈长度（m）。

单个共振吸声器频率选择性很强，吸声频带很窄，f0一般在几十至几百Hz，往往用于低频吸声。

在工程实践中，常把多个共振吸声器组合起来形成组合共振吸声器，以改善其频率特性。

组合共振吸声器实际上是一块打了许多孔的穿孔板，其后设置空腔，因此又称为穿孔板吸声结构。

它的共振频率f0可用下式计算：

（6-17）

式中：

P—穿孔率，即穿孔面积占总面积的百分比；

D—穿孔板后空气层厚度（m）；

Lk—颈的有效长度（m）。

当穿孔孔径d>t，t为板厚（m）时，Lk由下式求得：

Lk=t+0.8d（6-18）

当空腔内壁贴吸声材料时：

Lk=t+1.2d（6-19）

穿孔板吸声结构的吸声系数可由实验测得，当>0.5时，吸声结构的频带宽度f为：

（6-20）

式中：

0—共振波长（m）。

式（6-20）和实验研究结果说明，当穿孔率一定时，穿孔板吸声结构的吸声系数和吸声频带宽度f与颈的有效长度Lk有关：

Lk越小，和f数值越大，而Lk又与板厚t和孔径d有关，t和d越小，Lk也越小。

因此，近年来有人研究出一种新型的吸声结构，即微穿孔板吸声结构。

它是在厚度小于1mm的薄金属板上面钻孔径小于1mm的微孔，穿孔率1~5%，后面留一定厚度空气层，其吸声系数大，吸声频带宽，远优于穿孔板吸声结构。

由于它使用金属板，特别适用于高温、高速和潮湿条件下的吸声处理。

（3）空间吸声体

前面介绍的吸声材料或吸声结构一般安装在墙面或屋顶上，只有一个表面起吸声作用，吸声系数均小于1。

如果把它们单独一块块地吊在天花板上或悬挂在墙上，则声波既可以被向着声源的一面吸收，由于绕射和墙面的反射作用，还可被背着声源的一面吸收，有效扩大了吸收面积。

这种吸声结构叫空间吸声体。

实验证明，空间吸声体悬挂的面积取房间天花板面积的35~40%（或房间内表面的20%）为最佳，过大、过小吸声效果不显著。

悬挂的高度以房间净空的1/7~1/5为好。

空间吸声体可以根据需要作成各种形状和尺寸。

一般是在钢制或木制的框架内填进吸声材料（如超细玻璃棉、泡沫塑料、矿棉等），再用塑料纱、玻璃纤维布、金属丝网或穿孔板罩面。

2.隔声（soundisolation）

用屏蔽物使入射声反射而隔断声波的传播，或者用围护结构把噪声控制在一定范围内，这种方法叫做隔声。

隔声罩和屏障是工厂控制噪声的最有效的方法之一。

隔声处理可分为空气声的隔绝和固体声的隔绝两类。

本章仅介绍前者。

（1）隔声原理

声音在传播的途径上，遇到屏障时，声能E0的一部分E1被屏障反射，一部分E2被吸收，剩余部分E3则透过屏障，传到屏障的另一面。

隔声结构的隔声性能可用隔声量R（或称传声损失、透射损失TL）衡量，单位是分贝。

隔声量用下式表示：

（dB）（6-21）

式中：

Ii、It—分别为入射声和透射声声强（W/m2）。

透射声强与入射声强的比称为透声系数：

（6-22）

所以

（6-23）

可以看出值越小，R值越大，隔声性能越好。

隔声结构的隔声性能与入射声的频率有关，常用125、250、500、1000、2000、4000Hz六个频率的R值表示隔声结构的性能。

为简便起见，也可用500Hz一个频率的R值表示它的隔声量。

R值一般是在标准的隔声试验室测得。

（2）单层均匀结构的隔声性能

单层均匀结构的隔声性能是由它的面密度、劲度和阻尼决定的。

图6-7是理论计算求得的典型单层均匀结构的隔声频率特性曲线。

随频率的升高分为四个区：

劲度控制区（Ⅰ）；阻尼控制区（Ⅱ）；质量控制区（Ⅲ）和吻合效应和质量控制延续区（Ⅳ）。

频率很低时，劲度起控制作用，隔声量随频率升高而降低；在第Ⅱ区，随频率升高，质量效应增大，在某些频率处产生共振，隔声量出现数个低谷，结构振幅的大小决定于它的阻尼，隔声量的降低与阻尼有关，阻尼大，隔声量降低就小；频率继续升高就进入第Ⅲ区，构件的质量起主要作用，结构的面密度（kg/m2）越大，其惯性阻力越大，越不易发生振动，隔声量越大。

而密度与隔声量的这一关系叫“隔声质量定律”。

在这一区，当结构的面密度一定时，声音的频率越高，隔声量越大，这就是我们听隔墙那边的声音时，总感到沉闷不清的原因；频率再升高，便进入第Ⅳ区，在此区的临界频率f0处，出现隔声的低谷。

图6-7隔声量与频率关系示意图图6-8波的吻合效应

当声波以入射角入射到板面时，声波的波长在板面上的投影恰等于板的自由弯曲波的波长时，即会发生共振，使投射声波显著增大，这称为“吻合效应”，如图6-8所示。

这时的频率称为吻合频率fθ，产生吻合效应的最低频率称为临界频率fc。

用下式计算：

（6-24）

式中：

C—声速（m/s）；

—板的厚度（m）；

m—构件的密度（kg/m3）；

E—板的弹性模量（N/m2）。

隔声结构设计时，为避免吻合效应的发生，工程上可以采取在结构表面涂加阻尼层的办法。

例如可以在钢板的表面涂贴沥青加纤维、毛毡类组成的阻尼层（厚度不小于钢板厚的3倍）。

质量控制区是研究的重要区域。

在正入射条件下，隔声量可用下式估算：

R=20lgf+20lgm-42.5（dB）（6-25）

在实际工作中，声波为无规则入射时，隔声量要比质量定律预计的小4~5dB，故可用下式计算：

R=20lgf+20lgm-48（dB）（6-26）

式中：

f—声波频率（Hz）；

m—单层结构的面密度（kg/m2）。

（3）双层结构的隔声

从隔声定律知，增加密度或厚度可以提高单层结构的隔声量。

但是，当对隔声量要求很高时，单层结构就显得笨重而不经济。

研究发现，若在两个单层结构（如砖墙、木板墙等）中间留出空气间隙，或在间隙中填充一些吸声材料，组成双层隔声结构，就能大幅度提高它的隔声量。

一般说，双层隔声结构比同样重量的单层结构隔声量大5~10dB；当隔声量相同时，双层结构的重量要比单层结构减少2/3到3/4。

双层结构隔声性能好的主要原因是：

中间的空气层（或填有吸声材料的空气层）对声波引起的第一层的振动具有弹性缓冲作用和吸声作用，使振动得到较大衰减后才传到第二层，因而提高了整体的隔声量。

双层结构中间的封闭空气层相当于一个弹簧，使整个结构的性能类似于“质量—弹簧—质量”组成的共振系统。

声波以法向入射时的共振频率称为基本共振频率f0：

（Hz）（6-27）

式中：

m1、m2—分别为两层的面密度（kg/m2）；

d—空气层厚度（cm）；

0—空气密度（kg/m3）。

在共振频率f0下，隔声量几乎为零。

低于f0时，双层结构将做整体振动，隔声量很快提高。

只有当入射声波的频率为

f0时，隔声量才开始超过按质量定律所得的数值，双层结构的隔声性能才得以充分发挥。

双层结构的隔声量可用下面近似公式计算：

（6-28）

式中：

R—混响场隔声量（dB）；

R1、R2—组成双层结构的每一单层的隔声量；

M—与双层结构等重的单层结构的面密度；

fi—频率，

（Hz）；

C0—标准状态下空气中的声速，C0=340m/s。

当f>fc时，双层结构的隔声量比等重单层结构隔声量提高一个隔声增量R：

（6-29）

式中：

—损耗因子，它是指共振时每振动一弧度所损失的能量与总振动能的比值。

双层结构的隔声量与空气层厚度d有关，厚度d增加，隔声增量增加。

实践证明，当d>10cm时，R增加趋于缓慢，因此，工程实践中一般取d=8~10cm。

双层间若有刚性连接，将显著降低隔声量，下降的多少与连接情况有关，因此在实践中应尽量避免刚性连接，而宜采用柔性连接。

双层结构中空气层内填充吸声材料，在结构的受声侧附加一薄层弹性面层，或采取其它增加阻尼的措施，可以使吻合效应显著减弱，从而明显提高隔声量。

（4）隔声罩和隔声间

隔声罩是在产生噪声的设备周围用隔声结构制成的罩子，它能使传出的噪声显著减弱。

因此隔声罩是目前抑制机械噪声较好的办法，是应优先考虑采用的降噪措施。

隔声罩要取得较好的降噪效果，必须满足一定的条件。

一般机器的隔声罩是由罩板、阻尼涂料和吸声层构成。

小型设备一般采用1~3mm厚的钢板作罩板，当厚度为1，2，3mm时，隔声量分别为25，29，32分贝。

其形状与声源设备轮廓相似，最好为曲面形体，尽量少用方形，以防止驻波效应，使隔声量降低。

罩体应有一定厚度的阻尼层，厚度不小于罩壁厚度的2~4倍，以有效抑制共振的不利影响。

隔声罩内应衬吸声材料，平均吸声系数

不应低于0.5，否则罩内混响声会使实际隔声效果受影响。

隔声罩要密封，缝隙和孔洞将严重影响其隔声性能。

由于操作、维护、检修的要求，需开孔或穿过管道等，要采取必要的密封、减振及消音措施。

隔声罩与发声设备之间不能有刚性连接。

隔声罩的隔声性能采用插入损失进行衡量。

设未加隔声罩的噪声源向周围辐射噪声的声功率为W1，加罩后透过隔声罩向周围辐射噪声的声功率为W2，则隔声罩的插入损失为：

D=W1-W2（dB）

若加罩前后罩外声场分布情况大致不变，则D也就是罩外给定位置上声压级之差。

当罩内壁作吸声处理后，在

时，D可用下式计算：

（6-30）

式中：

—隔声罩壁面的平均隔声量（dB）；

—隔声罩内表面的平均吸声系数；

A—隔声罩内表面的吸声总量，

；

S—隔声罩内表面积（m2）；

Si、i——不同吸声材料的内表面积和相应的吸声系数。

当车间内噪声源很多时，若对每个噪声源都设置隔声罩，则工作量大且很不经济。

这时可以在车间内建造一个隔音间，即用隔声围护结构建造一个安静的小环境，人在里面操纵、观察和控制，防止外面噪声传入。

因此隔声间的形式与隔声罩正好相反，但在隔声原理上和隔声量计算方法上是相同的，只是变换了声源和受声点的相对位置。

隔声间可以用金属板建造，也可用土木结构建造。

由于人在里面操作，除了满足隔声要求外，还需要满足人对温度、通风、照明的要求，并要有一定的装饰，特别是要采用特制的隔声门、隔声窗。

隔声间各面的墙、门窗、天花板等有不同的透声系数，计算隔声间的隔声量时应先计算平均透声系数

（6-31）

然后计算隔声间的平均隔声量

：

（6-32）

式中i和Si为隔声间各表面的透射系数和相应的面积。

当墙有孔洞时，可用=1估计孔洞的透声。

隔声间的插入损失仍按式（6-30）计算。

（5）隔声屏

在某些场合，由于实际条件所限，例如由于机器操作、维护等要求，或交通噪声的控制，不宜采用全封闭性的隔声措施，这时可采用隔声屏来降低某区域的噪声。

所谓隔声屏就是放在噪声源和受声点间的用隔声结构制成的屏障，它能使屏障后形成一个声影区，使噪声降低。

隔声屏的隔声效果与声波的频率高低、屏障的大小有关。

声波具有绕射的特性，高频噪声因波长短，绕射能力差，隔声屏效果好；低频噪声波长长，隔声屏效果较差。

隔声屏宜用厚而重的材料制成，而面向声源一侧也可贴吸声材料。

3.消声器

消声器是一种能使噪声衰减而气流能顺利通过的装置，因此它是控制气流噪声通过管道向外传播的有效工具，一般装在空气动力设备的气流通道或进气、排气口上。

消声器种类很多，根据声能衰减原理，基本上可分为四类：

阻性消声器、抗性消声器、复合式消声器和微穿孔板消声器。

（1）阻性消声器

阻性消声器是用吸声材料按一定排列方式固定在气流通道（或管道）内壁构成的，它通过吸声材料吸收声能而使噪声衰减。

阻性消声器对中、高频噪声消声效果好，结构简单，在实际中被广泛用于消除风机、燃气轮机等的进气噪声。

阻性消声器结构形式很多，主要有管式、片式、蜂窝式、折板式、迷宫式和声流式，其结构、特性、适用范围见表6-8。

表6-8阻性消声器的结构及性能

名称

图例

消声频率

阻力

流速（m/s）

适用范围

管式

中

小

<15

中小型风机进排气消声

片式

中

小

<15

大中型风机进排气消声

蜂窝式

中

小

<15

中型风机进排气消声

折板式

中高

中

<10

大中型风机进排气消声

迷宫式

中高

大

小型风机进排气消声

声流式

中高

大

<20

大中型风机进排气消声

管式阻性消声器消声量（声衰减量）L按下式计算：

（dB）（6-33）

式中：

（）—消声系数，与吸声系数有关，详见表6-9；

P—通道截面周长（m）；

S—气流通道截面积（m2）；

L—通道吸声材料的长度（m）。

表6-9（）与的关系

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60~1.00

（）

0.11

0.24

0.39

0.55

0.75

1.00~1.50

管式消声器截面积不宜过大，否则以窄声束形式传播的频率很高的声波几乎不接触吸声材料，使消声量大大降低。

消声性能下降的频率称为高频失效频率fm，由下式确定：

（Hz）（6-34）

式中：

C—管道中声速（m/s）

D—消声通道截面平均边长（或直径）（m）。

阻性消声器的缺点是对低频噪声的效果很差，不适用于高温、高湿条件。

（2）抗性消声器

抗性消声器是通过管道截面的突变或者旁接共振腔的方法，利用声波的反射、干涉等来达到消声的目的。

抗性消声器具有中、低频消声性能，能在高温、高速、脉动气流下工作，适用于消除空压机、内燃机和汽车排气噪声。

常见的抗性消声器有扩张室式和共振腔式两种。

1）扩张室式：

扩张室式消声器是由扩张室和连接管接起来组成的，它是利用管道截面的突然扩大和缩小，造成通道内声阻抗的突变，使某些频率的声波因反射与干涉而不能通过，从而达到消声的目的。

图6-9是最典型的单节扩张室消声器，它的消声量L可用下式计算：

图6-9单节扩张室消声器

（dB）（6-35）

式中：

m—扩张比，

；

l—消声器的长度（m）；

k—波数，

。

因为sinkl为周期函数，消声量L也随之做周期变化，kl为

的奇数倍时，sinkl=1，消声量最大；当kl为的整数倍时，sinkl=0，消声量L=0，此时相应的频率叫通过频率fmin，即

（n=0,1,2,…）（6-36）

通过频率的声波可以完全无衰减地通过，不起消声作用。

为了克服这个缺点，通常作法是将扩张室入口管和出口管分别插入扩张室内；或者用多节扩张室消声器串联起来，各节的长度不等，使通过频率互相错开。

与阻性消声器一样，扩张室消声器也存在高频失效现象，其有效消声的上限频率f上可用下式计算：

（Hz）（6-37）

式中：

C—声速（m/s）；

D—扩张部分的几何尺寸（圆形截面为直径，矩形截面为其面积的平方根）（m）。

由上式可知，D越大，f上越小，即消声频带越窄，因此应用上选择扩张比m时，应兼顾消声量与频率范围。

扩张室消声器对很低频率的声波不仅不能起消声作用，反而起放大作用，因此它还有一个消声的下限频率f下：

（Hz）（6-38）

式中：

S—连接管截面积（m2）；

V—扩张室的容积（m3）；

l—连接管的长度（m）。

图6-10共振腔消声器

2）共振腔消声器：

共振腔消声器实际上是共振吸声结构的一种应用。

它是在一段气流通道壁上开孔，并与外面密闭空腔相通而构成的，主要有同心式和旁支式两种，如图6-10所示。

共振腔消声器的消声原理和亥姆霍兹共振吸声结构相同。

当外界的声波频率与共振腔消声器的共振频率相同时，整个系统发生共振，这时消声量最大。

它的共振频率f0可用式6-17计算，对频率为f的声音，其消声量D一般用下式估算：

（dB）（6-39）

式中：

G—传导率（m），它是颈孔的截面积S与颈的有效长度之比，

（n为孔数）；

V—共振腔容积（m3）；

A—通道截面积（m2）。

当频率f=f0时，共振腔消声器的声阻抗最大，消耗的能量最多，此时的消声量Dr为：

（dB）（6-40）

式中：

，R为共振腔消声器在开口处的声阻。

当频率f偏离f0时，共振腔消声器的消声量D迅速降低。

D降低的快慢与

（记作K）的大小有关，K越小，当频率f偏离f0时，D下降的速度越快。

实际工程中遇到的是

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