室内声学处理包括的主要内容

2．2　室内声学处理

1）声音的吸收

声波在传播中，通常由四个途径被吸收，从而减弱反射声。

（1）空气吸收

声能在传播过程中，由于空气质点振动摩擦的缘故而被吸收，这在低频虽可忽略，但当计算混响时间时，对声频在2　000Hz以上的必须估算在内。

（2）界面吸收

声波传播到室内墙面或其他表面，一部分声能被吸收的原理是：

①界面摩擦的粘滞阻力；

②有孔材料的透入，细小纤维的振动；

③弹性材料的质点摩擦；

④共振材料的质点摩擦；

⑤墙面传透共振；

⑥结构传导。

上述吸收是声能转化为热能实现的。

（3）设施吸收

挂毯、帘幕，因距墙面一定距离，恰如多孔材料背后设置的空腔，对中、高频具有较好的听声效果，地毯、人造毛等制品，吸声效果则限于高频。

（4）观众吸收

观众在室内是一个较大的吸声因素，尤其容纳很多观众的厅堂，观众的吸声量约占总吸声量的40%～50%，因此室内声能往往随观众人数多少发生变化，对混响特性有一定影响。

（5）吸声并非隔声

日常生活中常有人将吸声和隔声的概念混淆，其实只要从定义上比较一下便可分清楚。吸声是声波经过一种介质对声能转化为其他能量的一种物理现象，它与介质的物理性质（孔隙、流阻）、声波的频率、入射方向、材料厚度及装置方法等有关。

隔声指墙或其他构件一侧的入射声能与另一侧的透射声能相差的dB数，它与材料的质量、密度大小有关。通俗地说，吸声是声能量衰减的过程，而隔声则是声传播途径中被隔断或隔离。

（6）吸声材料和吸声结构

所谓吸声材料，通常是这样定义的：①相对地具有较大吸声能力的材料，通常平均吸声系数超过0．2以上的材料称为吸声材料；②由于材料的多孔性、薄膜作用或共振作用，而对入射声能具有吸收作用的材料。

吸声材料和吸声结构的种类很多，按其材料结构状况分为以下几大类：

①多孔吸声材料

材料从表到里具有大量的互相贯通的微孔，其特征为：（a）材料内部有大量的微孔或间隙；（b）材料微孔互相贯通而不密闭；（c）微孔向外敞开。这类材料有矿棉、玻璃棉、珍珠岩吸声块、木丝板、聚胺酯泡沫塑料等。

多孔材料的吸声性能影响因素较多，包括材料的流阻、孔隙率、结构形式、厚度、背后条件、面层装饰、湿度等等，但在实际运用中主要考虑影响较大的几项因素，本节作重点介绍。

（a）材料厚度　增加材料的厚度，低频吸收很快增加，对高频吸收的影响则很小。但增加到一定厚度时吸声系数的增加将逐渐减少，一般以5cm到10cm为宜。

（b）背后条件的影响　多孔材料布置在刚性墙面前一定距离，即材料背后具有一定深度的空腔或空气层，其作用相当于加大材料的有效厚度，可以改善低频的吸收。一般当空气层深度为入射声波1／4波长时，吸声系数最大，空气层深度为入射声波1／2波长时或整数倍时，吸声系数最小。

②共振吸声结构

共振吸声结构，主要解决低频声的吸收。其结构通常有如下几种形式：

（a）单个共振器（即亥姆霍兹共振器）　设计这种共振器时，要把衰减的频率先定下来，然后选择腔的容积、尺寸及通入共振器的孔和颈，使之在该频率下产生峰值吸收。单个共振器对频率有较强的选择性。

（b）穿孔板共振吸声结构　工程中常用的穿孔板共振吸声结构，其原理就是若干个亥姆霍兹共振器的组合，若是此种材料放置在刚性墙面上，穿孔板的共振频率可根据下式估算：

式中：L——板后空气层厚度（cm）；

t——板的厚度（cm）；

d——孔径（cm）；

C——声速（cm／s）；

p——穿孔率（穿孔面积／全面积×100%）。

若是此种材料用于室内吊顶时，背后空气层很大，厚度往往达到50cm以上，其共振频率可用下式近似计算：

由于空气层厚度大，在低频将出现共振吸收，若要在高频也要有较高的吸收，可在穿孔板后放置多孔吸声材料，从而获得较宽的吸声特性。

图2－7　穿孔板共振吸声结构

穿孔板穿孔率可由下式计算：

圆孔正方形排列

式中：p——穿孔率；

D——圆孔直径（cm）；

B——圆孔间的中心距离（cm）。

圆孔正三角形排列

（c）薄板共振吸声结构　薄板共振吸声结构多用于低频吸声，共振频率多在80～300Hz之间，吸声系数约0．2～0．5，结构比较简单，将薄的板材如三夹板、五夹板、木纤维板、塑料板或金属板等固定在框架上，板后留一定深度的空气层，就构成薄板共振吸声结构。

常用的吸声结构还有微穿孔板、狭缝等共振吸声结构、空间吸声体、吸声尖劈等，这里就不一一介绍，但值得一提的是吸声材料和吸声结构的选用，不仅要考虑自身的吸声性能，还要考虑使用场所的情况，如油污、湿度、烟尘、高温等必须选择相适应的材料。

（7）隔声

大家都知道，声波的传播模型是：声源→传播途径→接受者，很显然，隔声就是声源与接受者之间采取的隔离措施，是噪声控制范畴的技术，也是目前工程实践中噪声处理最常用、效果最好的办法，常用的隔声措施有隔声墙体、隔声罩、隔声门、隔声窗、隔声屏障等等。

（8）噪声评价标准曲线

由于处理工程问题时，往往要了解其被治理噪声、允许噪声的频带和声压级，这就需要按频带和声压级定出标准。为了使用方便，用频带声压级曲线及其代号来规定。目前通用的有两组频带声压级曲线，一组叫NC评价曲线（Noise Criterion　Curves），见图2－8，它包括后来修改过的PNC评价曲线（Preferred　Noise　Criteria Curves），见图2－9；另一组叫NR评价曲线（Noise　Rating　Curves），见图2－10。前者在美国通用，后者在欧洲通用，并列入ISO推荐方法。

图2－8　NC噪声评价曲线

图2－9　PNC噪声评价曲线

图2－10　NR噪声评价曲线

表2－3　各类建筑物室内允许噪声值

表2－4　NC曲线允许不同的倍频带声压级

2）噪声的传播途径

噪声的传播途径可概括为两大类：空气传声和固体传声。(www.xing528.com)

空气传声是指声源直接激发空气振动产生的声波，并通过空气作为传声媒质，例如汽车喇叭声、发动机排气声、通风机的进、排风噪声以及各种振动机器表面向空气中辐射的声波。当然空气声也可以经墙壁、楼板、门窗等建筑物构件振动的传递，再以空气声的形式辐射出去。

固体传声是声源直接激发结构振动所产生的噪声，因此也称“结构声”，结构振动以弹性波形式在墙壁、楼板、梁、柱等构件中传播，同时在传播途径中向周围空气辐射噪声，如在墙上敲击、楼板上拖动物体、砰击门窗等激起固体媒质振动而辐射的噪声。

但是，实际的传声途径是错综复杂的，它们往往是两种声音的组合，例如安装在楼板上的机器，运转的机器产生空气声，然后通过墙壁、楼板等构件向相邻空间辐射噪声，同时机器运转直接激发了楼板的弯曲振动，通过邻近各种构件的传递，最后辐射出空气声，人们所感受到的噪声是两种噪声的组合。

（1）隔声构件

通过上面的讨论，我们发现，辨明两种不同特征的噪声将有助于采取不同的隔声措施，重而密实的构件对隔离空气声效果较好，地毯、橡皮、泡沫塑料等对固体声隔声效果很好，若上述两类构件相反使用，效果就不理想，甚至毫无隔声效果。下面我们重点了解一下几种构件的隔声性能以及在实际工程中要灵活掌握的问题。

①均匀密实的单一构件

为了简化问题，我们这里假定构件为无限大，且不考虑构件本身因声波激振所耗损的能量。于是构件的透射损失在某一频率声波激发下，将随构件单位面积重量增加而变大，我们习惯称它为隔声的“质量定律”，当声波正入射于构件时，透射损失的估算式为：

TL＝20lg　Mf－42．2

式中：TL——正入射时构件的透射损失（dB）；

M——构件的面密度（kg／m2）；

f——声波激发频率（Hz）。

实践中，声波入射于构件不可能都是正入射，而是无规入射，我们可以按下列经验公式近似估算：

TL＝14．5lg　Mf－26

②双层复合构件

在较高隔声量要求的场合，若采用上述单一构件就会使构件十分笨重，设计时我们把一层构件分成两层，层与层之间增加一空气层，只要中间无刚性连接（声桥），可望得到双层构件单一隔声量之和，一般用下式估算其平均隔声量：

TL＝16lg（m₁＋m₂）＋8＋ΔR　　（当m₁＋m₂＞200kg／m²）

TL＝13．5lg（m₁＋m₂）＋14＋ΔR（当m₁＋m₂≤200kg／m²）

式中：m₁、m₂——双层复合构件单层面密度（kg／m²）；

ΔR——空气层附加隔声量，见表2－5。

表2－5　不同墙结构的隔声量

上述两类隔声构件，在使用时有两个直接影响隔声效果的因素不可忽视：（a）吻合效应，应尽量设法使之不出现在声频的重要频段；（b）双层复合构件杜绝“声桥”，否则会使隔声量大大降低。

③双层内填吸声材料构件

这种构件通常用于构件荷载要轻，隔声量要大的场合，为了提高隔声量，我们在双层轻板空腔内填放纤维性吸声材料，消除空腔中驻波共振和降低空腔中的声压，隔声量在全频带范围内有显著提高。

（2）固体声隔声材料与做法

固体声是通过楼板、墙或地基传播开去的，隔声措施也必须有其针对性：（a）设法减弱可能被撞击面的撞击能量，采用弹性材料作面层，如楼面铺设橡胶垫、地毯；（b）在受撞击面层与结构基层之间加一弹性垫层，使撞击面层产生的振动只有很小部分传到基层；（c）楼板下面设置弹性吊顶，减弱基层楼板振动时向下辐射的声能；（d）采用不连续结构，切断传声途径；（e）结构与设备管道穿过接触部位均采用软性材料嵌实。

（3）隔声设计

设计时只要掌握下列公式便可确定方案：

式中：TL——需要构件的隔声量（dB）；

L_P1、L_P2——分别表示室外噪声级和室内允许噪声级（dB）；

S——隔声构件透声面积（m2）；

A——需要设计房间吸声量（m2）。

根据上式计算结果，选择合适的隔声构件（如隔声墙体、隔声门、窗等）。

（4）隔振

利用弹性材料或阻尼材料减少设备振动传播的措施叫隔振。机理就是利用弹性支撑使一振动系统降低其对外干扰的能力。在稳定状态下，隔振能力用传递比的倒数表示。单自由度隔振系统的传递比T为：

式中：F_r0——通过弹性支撑传递给基础的传递力幅值；

F₀——物体本身驱动力（或激振力）幅值；

X₀——弹性支撑上物体的振幅；

U₀——基础本身的振幅；

——阻尼比（阻尼系数／临界阻尼系数）；

——频率比；

f——机器设备的驱动频率（Hz）；

f₀——隔振系统的固有频率（Hz）。

从上式我们不难看出：

①不论阻尼比有多大，仅当频率比大于时，传递比才会小于1，因此弹性支撑固有频率的选择必须满足频率比大于的条件。

②当频率比大于时，随着频率比不断增大，传递比也越来越小，但频率比过大，要有很大的静态压缩量，而且机器设备的稳定性也较差，容易产生摇摆；当频率比≥5后，传递比的变化已经很小，不能指望隔振效果再有显著改善，所以适用的频率比常在2～4之间。

③当无阻尼时，即＝0，

④隔振效率η＝（1－T）×100%

积极隔振与消极隔振：

对产生振动系统的振动源进行隔振处理以减少其对外界的影响叫积极隔振，如对机械动力设备的基础隔振。消极隔振指当仪器或设备受到外界振动干扰时用隔振方法对其底座采取措施以减少振动的干扰。使仪器设备与振动源隔离的弹性支撑叫隔振器。

常用的隔振器和隔振材料有：金属弹簧隔振器；橡胶隔振器、垫；空气弹簧隔振器；玻璃纤维板、软木、毛毡等，为使读者在选择隔振器时有个基本的依据，特将隔振器材的选择原则推荐于后，见表2－6。

表2－6　隔振器材选择准则

▲优　　○良　　△中　　╳差

（5）消声

在设计演播室、录音室、播音室时，必须考虑空调系统，否则特别是在严寒的冬天和炎热的夏天，将无法工作。我们前面已经指出，噪声可以通过固体传播，也可以通过空气传播，“无孔不入”。因此，我们如果在设计空调系统时，只注意到吸声、隔声、隔振，而忽略消声，则是一大失误。

消声器是阻碍噪声传播而允许气流通过的设备，在管道中装置各种形式的消声器是降低沿管道传播噪声的主要方法。

消声器的种类繁多，要视噪声的特性进行设计。消声器主要有以下两种：

阻性消声器是利用吸声材料消声的。把吸声材料固定在气流流动的管道内壁，或按一定的方式在管道中排列起来，就构成了阻性消声器。这种消声器能在较宽的中高频范围内消声，特别是对刺耳的高频噪声有突出的消声作用。

抗性消声器并不直接吸收声能，而是借助管道截面的突然扩张或收缩或旁接共振腔，使沿管道传播的噪声在突变处向声源反射回去或不通过消声器，从而达到消声的目的。这种消声器具有良好的中低频消声性能，构造简单。

技术人员在进行消声设计时，常综合采用阻、抗性消声器，以便在一个较宽的频率范围内得到良好的消声效果。

设计、安装消声器时，对风道气流速的限制，一般大于8m／s。安装的位置要与噪声源隔开。

（6）扩散

为了使室内声场中声能密度分布均匀，声音在室内应该有良好的扩散，否则，较难选择安放传声器的最佳位置。

我们坐在电影院、剧场里可以看到，墙壁凹凸不平，实际上主要是凸面，因为凸面有助于声音的扩散（而凹面会使声音会聚，所以应当尽量避免）。为了达到良好扩散，必须做到：

①房间形状最好避免有平行表面，特别是面积较小的录音室更应如此；

②墙面和天花板可做成不规则的形状，并要避免凹面；

③安装凸面结构，例如圆柱形吸声结构；

④不对称地布置吸声材料和吸声结构。