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噪声降噪控制技术—吸声材料

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                                    噪声降噪控制技术—吸声材料

吸声降噪是控制室内噪声常用的技术措施。通过吸声材料和吸声结构来降低噪声的技术称为吸声。一般情况下,吸声控制能使室内噪声降低约35dBA,使噪声严重的车间降噪610dBA

() 吸声系数

吸声材料:能吸收消耗一定声能的材料。

吸声系数:材料吸收的声能(   )与入射到材料上的总声能(    )之比,即

【讨论】:  表示材料吸声能力的大小, 值在01之间,  值愈大,材料的吸声性能愈好;  =0,声波完全反射,材料不吸声;  =1,声能全部被吸收。

【声波频率】

同种吸声材料对不同频率的声波具有不同的吸声系数。

平均吸声系数   :工程中通常采用125Hz250 Hz500 Hz1000 Hz2000 Hz4000 Hz六个频率的吸声系数的算术平均值表示某种材料的平均吸声系数。

通常,吸声材料   0.2以上,理想吸声材料   在0.5以上。

入射吸声系数】工程设计中常用的吸声系数有

 混响室法吸声系数(无规入射吸声系数)

 驻波管法吸声系数(垂直入射吸声系数)

 应用:测量材料的垂直入射吸声系数   ,按表,将    换算为无规入射吸声系数  

混响室:声学实验室

混响室法吸声系数(无规入射吸声系数) :                

在混响室中,使不同频率的声波以相等几率从各个角度入射到材料表面,测得的吸声系数。

测试较复杂,对仪器设备要求高,且数值往往偏差较大,但比较接近实际情况。

在吸声减噪设计中采用。

  驻波管法吸声系数(垂直入射吸声系数)

驻波管法简便、精确,但与一般实际声场不符。用于测试材料的声学性质和鉴定。设计消声器。

多孔吸声材料

多孔吸声材料是应用最广泛的吸声材料。

最初的多孔吸声材料以麻、棉、棕丝、毛发、甘蔗渣等天然动植物纤维为主;

目前则以玻璃棉、矿渣棉等无机纤维为主。

吸声材料可以是松散的,也可以加工成棉絮状或粘结成毡状或板状。

 () 多孔吸声材料

吸声材料构造特性

材料的孔隙率要高,一般在70%以上,多数达到90%左右;

孔隙应该尽可能细小,且均匀分布;

微孔应该是相互贯通,而不是封闭的;

微孔要向外敞开,使声波易于进入微孔内部。

1 吸声原理  

声波入射到多孔吸声材料的表面时,部分声波反射,部分声波透入材料内部微孔内,激发孔内空气与筋络发生振动,空气与筋络之间的摩擦阻力使声能不断转化为热能而消耗;空气与筋络之间的热交换也消耗部分声能,从而达到吸声的目的。

2.吸声特性及影响因素

特性:高频声吸收效果好,低频声吸收效果差。

原因:低频声波激发微孔内空气与筋络的相对运动少,摩擦损小,因而声能损失少,而高频声容易使振动加快,从而消耗声能较多。所以多孔吸收材料常用于高中频噪声的吸收。

 厚度对吸声性能的影响

同种材料,厚度增加一倍,吸声最佳频率向低频方向近似移动一个倍频程

厚度越大,低频时吸声系数越大;

2000Hz,吸声系数与材料厚度无关;增加厚度,可提高低频声的吸收效果,对高频声效果不大。

理论证明,若吸声材料层背后为刚性壁面,最佳吸声频率出现在材料的厚度等于该频率声波波长的1/4处。使用中,考虑经济及制作的方便,对于中、高频噪声,一般可采用25cm厚的成形吸声板;对低频吸声要求较高时,则采用厚度为510cm的吸声板。

孔隙率与密度

孔隙率:材料内部的孔洞体积占材料总体积的百分比。

一般多孔吸声材料的孔隙率>70%

孔隙率增大,密度减小,反之密度增大;

孔隙尺寸越大,孔隙越通畅,流阻越小。

【讨论】密度太大或太小都会影响材料的吸声性能。若厚度不变,增大多孔吸声材料密度,可提高低中频的吸声系数,但比增大厚度所引起的变化小,且高频吸收会有所下降。

一种多孔吸声材料对应存在一个最佳吸声性能的密度范围

空腔对吸声性能的影响

空腔:材料层与刚性壁之间一定距离的空气层;

吸声系数随腔深D(空气层)增加而增加;

空腔结构节省材料,比单纯增加材料厚度更经济。

空腔对吸声性能的影响

多孔材料的吸声系数随空气层厚度增加而增加,但增加到一定厚度后,效果不再继续明显增加。

当腔深D近似等于入射声波的1/4波长或其奇数倍时,吸声系数最大。

当腔深为1/2波长或其整倍数时,吸声系数最小。

一般推荐取腔深为510cm

天花板上的腔深可视实际需要及空间大小选取较大的距离。

护面层对吸声性能的影响

实际使用中,为便于固定和美观,往往要对疏松材质的多孔材料作护面处理。

护面层的要求:

良好的透气性;

微穿孔护面板穿孔率应大于20%,否则会影响高频吸声效果;

透气性较好的纺织品对吸声特性几乎没有影响。

对成型多孔材料板表面粉饰时,应采用水质涂料喷涂,不宜用油漆涂刷,以防止涂料封闭孔隙。

   使用环境对吸声性能的影响

温度

温度引起声速、波长及空气粘滞性变化,影响材料吸声性能。温度升高,吸声性能向高频方向移动;温度降低则向低频方向移动。

湿度

空气湿度引起多孔材料含水率变化。湿度增大,孔隙吸水量增加,堵塞细孔,吸声系数下降,先从高频开始。湿度较大环境应选用耐潮吸声材料。

气流

通风管道和消声器内气流易吹散多孔材料,吸声效果下降;飞散的材料会堵塞管道,损坏风机叶片;应根据气流速度大小选择一层或多层不同的护面层。

()薄板共振吸声结构

机理:声波入射引起薄板振动,薄板振动克服自身阻尼和板-框架间的摩擦力,使部分声能转化为热能而耗损。当入射声波的频率与振动系统的固有频率相同时,发生共振,薄板弯曲变形最大,振动最剧烈,声能消耗最多。

结构

薄板共振吸声结构的共振频率

式中     ——板的面密度,kgm2,     ,其中m为板密    

            度,kg/m3t为板厚,m

          ——板后空气层厚度,㎝。

【讨论】    增大或   增加,共振频率下降。

 通常取薄板厚度36mm,空气层厚度310mm,共振频率多在80300Hz之间,故一般用于低频吸声;

 吸声频率范围窄,吸声系数不高,约为0.20.5

改善薄板共振吸声性能的措施:

在空腔中,沿框架四周放置多孔吸声材料,如矿棉、玻璃棉等。

采用组合不同单元或不同腔深的薄板结构,或直接采用木丝板、草纸板等可吸收中、高频声的板材,拓宽吸声频带。

在薄板结构边缘(板-龙骨交接处)填置能增加结构阻尼的软材料,如泡沫塑料条、软橡皮、海绵条、毛毡等,增大吸声系数。

()穿孔板共振吸声结构

特征:穿孔薄板与刚性壁面间留一定深度的空腔所组成的吸声结构。

分类:按薄板穿孔数分为单腔共振吸声结构多孔穿孔板共振吸声结构材料:轻质薄合金板、胶合板、塑料板、石膏板等

1.单腔共振吸声结构

又称“亥姆霍兹”共振吸声器或单孔共振吸声器

封闭空腔壁上开一个小孔与外部空气相通;腔体中空气具有弹性,相当于弹簧;孔颈中空气柱具有一定质量,相当于质量块。

原理:入射声波激发孔颈中空气柱往复运动,与颈壁摩擦,部分声能转化为热能而耗损,达到吸声目的。当入射声波的频率与共振器的固有频率相同时,发生共振,空气柱运动加剧,振幅和振速达最大,阻尼也最大,消耗声能最多,吸声性能最好。

2.多孔穿孔板共振吸声结构

简称穿孔板共振吸声结构。

结构:薄板上按一定排列钻很多小孔或狭缝,将穿孔板固定在框架上,框架安装在刚性壁上,板后留有一定厚度的空气层。实际是由多个单腔(孔)共振器并联而成。

 多孔穿孔板共振吸声结构

穿孔面积越大,吸声的频率越高;空腔越深或板越厚,吸声的频率越低。

工程设计中,穿孔率控制为1%10%,最高不超过20%,否则穿孔板就只起护面作用,吸声性能变差。

一般板厚213mm,孔径为210mm,孔间距为10100mm,板后空气层厚度为6100mm时,则共振频率为100400Hz,吸声系数为0.20.5。当产生共振时,吸声系数可达0.7以上。

吸声带宽:设在共振频率  处的最大吸声系数为 ,则在  左右能保持吸声系数为  /2的频带宽度。

穿孔板吸声结构的吸声带宽较窄,通常仅几十Hz200300Hz

吸声系数>0.5的频带宽度可按式估算

改善多孔穿孔板板共振吸声性能的措施

为增大吸声系数与提高吸声带宽,可采取的办法:

①组合几种不同尺寸的共振吸声结构,分别吸收一小段频带,使总的吸声频带变宽;

②在穿孔板后面的空腔中填放一层多孔吸声材料,材料距板的距离视空腔深度而定;

③穿孔板孔径取偏小值,以提高孔内阻尼;

④采用不同穿孔率、不同腔深的多层穿孔板结构,以改善频谱特性;

⑤在穿孔板后蒙一薄层玻璃丝布等透声纺织品,以增加大孔颈摩擦。

 ()微穿孔板吸声结构  

结构特征:厚度小于1mm的金属薄板上穿孔,孔径小于1mm、穿孔率1%5%,安装方法同薄板共振吸声结构,后部留有一定厚度的空气层,起到共振薄板的作用。空气层内不填任何吸声材料。常用的是单层或双层微穿孔板。

薄板常用铝板或钢板制作,因板特别薄、孔特别小,为与一般穿孔板共振吸声结构相区别,故称作微穿孔板吸声结构。

优点:

克服了穿孔板共振吸声结构吸声频带较窄的缺点。

吸声系数大;吸声频带宽;

成本低、构造简单;

设计理论成熟。

耐高温、耐腐蚀,不怕潮湿和冲击,甚至可承受短暂的火焰,适用环境广泛,包括一般高速气流管道中。

缺点:孔径太小,易堵塞,宜用于清洁场所。

()室内声场

室内声场按声场性质分为:

直达声场:由声源直接到达听者,是自由声场;

混响声场:经过壁面一次或多次反射。

扩散声场:声能密度处处相等,声波在任一受声点上各个传播方向作无规分布的声场。是一种理想声场,为简化讨论,以下的基本概念和公式都建立在室内扩散声场的基础上。

1.室内声场的衰减

平均吸声系数

单位时间内,室内声波经相邻两次反射间的路程的平均值          

式中  ——平均自由程,m

       ——房间容积,m3

       ——室内总表面积,m2

声音在空气中的声速为c,则声波每秒平均反射次数n=c/d,即

 室内声场经12s即接近稳态(左侧曲线)

 若声源停止,声音消失需要一个过程:首先直达声消失,混响声逐渐减弱,直到完全消失(右侧曲线)

假设只考虑室内壁面与空气的吸收,则经t秒后,室内声能密度   为                      

  式中   ——初始声能密度,(w·s)m3

         ——吸声系数

         ——房间容积,m3

         ——室内总表面积,m2

         ——空气衰减系数,m-1;          ,

       为声波在空气中每传播100m衰减的分贝数。

2.混响时间

定义:室内声场达到稳态后,声源立即停止发声,室内声能密度衰减到原来的百万分之一,即声压级衰减60dB所需要的时间,记作   ,单位秒(s

计算公式——赛宾(W.C.Sabine)公式

意义:表示由于室内混响现象,室内声场的声能在声源停止发声后衰减的快慢。

()室内声压级

1.直达声场

在室内,当声源的声功率恒定时,单位时间内在某接收点处获得的直达声能是恒定的。

一个各向发射均匀的点声源,声强I=W/4πr2,声能密度与声强的关系为      所以对于指向性因数为  的声源,在距声源中心r米处的直达声声能密度为

()室内声压级

声源辐射的声能经第一次吸收后,剩者为混响声,单位时间内声源向室内提供的混响声能为 。因声功率恒定,故混响声能也恒定。

壁面吸声仅吸收混响声,设室内声场达稳态时,平均混响声能密度为,声波每碰撞壁面一次,吸收的混响声能则为 ,每秒钟内碰撞次n,吸收的则为。因室内声场达稳态时,每秒钟由声源提供的混响声能等于被吸收的混响声能,所以

()室内声压级

指向性因数取决于声源的指向性和在室内的位置

 Q=1,点声源放置在房间中心;

 Q=2,声源放在地面或墙面中间;

 Q=4,声源放在两墙面或墙面与地面的交线上;

 Q=8,在三面墙的交点上。

括号内第一项来自直达声。表达了直达声场对该点声压级的影响,r愈大,  

 该项值愈小,即距声源愈远,直达声愈小;

第二项来自混响声。当r较小,即接受点离声源很近时,室内声 场以直达声为主,混响声可忽略;反之,则以混响声为主,直达声忽略不计,此时声压  与r无关。

当时,直达声与混响声声能密度相等,r称为临界半径(Q=1时的临界半径又称为混响半径),记为   。

【例】设在室内地面中心处有一声源,已知500Hz的声功率级为90dB,同频带下的房间常数为50m2,求距声源10m处之声压级。

将式中各参量绘制成图,可以简便地确定出室内距声源 r处的某点稳态声压级 Lp

【例】设在室内地面中心处有一声源,已知500Hz的声功率级为90dB,同频带下的房间常数为50m2,求距声源10m处之声压级。

 解: (1)由声源位置可得其室内指向性因数Q=2

     (2)由图Q2r10m两线的交点A做垂线(虚线) ,与   =50m2的曲线交于B点,由B向左方做水平线与纵轴相交,从而确定相对声压级     

         ,即                 ≈-11dB

    (3)计算距声源10m处之声压级为

                                (dB)

① 记录控制室尺寸、体积、总表面积、噪声源的种类和位置等;

② 记录噪声的倍频程声压级测量值;

③ 记录NR-50的各个倍频程声压级;

④ 计算需要降噪量;

⑤ 处理前混响时间的测量值,并计算出处理前平均吸声系数;

⑥ 计算出处理后平均吸声系数;

⑦ 参考各种材料的吸声系数,然后选材确定控制室各部分的装修。

解:设计计算步骤见表

次序

项目

倍频程中心频率/Hz

说明

125

250

500

1000

2000

4000

距噪声源7m处倍频程声压级/dB

60

62

63

59

57

54

测量

噪声容许值/dB NR-50

67

58

54

50

47

45

设计目标值

需要减噪量ΔL

0

4

9

9

10

9

①-②

处理前房间混响时间/s

2.6

2.4

2.0

1.8

1.6

1.2

测量

处理前平均吸声系数 

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.13

计算

所需平均吸声系数 

0.06

0.16

0.41

0.47

0.53

0.54

    计算

某厂冲床车间为钢筋混凝土砖混结构,槽形混凝土板平顶,混凝土地面,墙面为水泥石灰粉刷砖墙。车间内配置有860t冲床40台,80t160t冲床各1台。在车间内中央一点测定的噪声频率特性如图中曲线A所示,噪声频带较宽广,车间内总声压级达到95dB,干扰严重,试设计降噪方案。

【分析】:冲床噪声是断续脉冲声,车间内冲床台数较多,操作人员相互受其它冲床的干扰,采用吸声处理降低混响声,可大大减少人员每天的噪声暴露强度。

1)由图可知,200Hz 以上的频带噪声超过允许标准NR85曲线,其中以2505001000Hz 最为严重,因此,这些频带的噪声为吸声处理的重点,并取吸声峰值在500Hz附近。

2)经测量,穿孔板共振吸声结构的吸声峰值位于500Hz附近,与设计要求基本相符。

3)采用穿孔板共振吸声结构,吸声材料布置方式和结构如图所示

护面层为孔径6mm、孔距6mm、穿孔率11%的穿孔硬质纤维板,内填厚50mm的超细玻璃棉,外包棉花纸,容积密度为20/m3,空腔厚度为0.5m。穿孔板共振吸声结构悬挂在平顶下,面积约为510m2,周围侧墙采用软质纤维板(半穿孔)吸声材料,面积约为170m2

4)现场测定吸声处理前、后车间总吸声量,计算,得各频率噪声降低量如表。总噪声降低量为5dB,降噪效果明显。

对高声级车间吸声减噪只是控制噪声的手段之一,对操作人员近旁的噪声还应采用其他措施,如改革冲击结构、应用围蔽结构或个人防护等,才能达到噪声标准规定允许的要求