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不透氣的固體材料,對(duì)于空氣中傳播的聲波都有隔聲效果,隔聲效果的好壞根本的一點(diǎn)是取決于材料單位面積的質(zhì)量。一個(gè)面積非常大的隔層,其單位面積質(zhì)量為ms,當(dāng)聲波從左面垂直入射時(shí),激發(fā)隔層作整體振動(dòng),此振動(dòng)再向右面空間輻射聲波。以單位面積考慮,透射到右面空間的聲能與入射到隔層上的聲能之比稱透射系數(shù) τ 。定義無(wú)限大隔層材料的傳遞損失(也稱透射損失)tl:tl=101g1/ г (7)上述簡(jiǎn)單情況下可計(jì)算得到傳遞損失近似為:tl=20lg ω ms/2 ρ oco (db) (8)式中 ω=2πf 為圓頻率, ρ0 、c0為空氣的密度和聲波傳播速度。tl的大小表示材料的隔聲能力。(8)式的一個(gè)重要特點(diǎn),即材料單位面積質(zhì)量增加一倍,則傳遞損失增加6db。這一隔聲的基本規(guī)律稱 “ 質(zhì)量定律 ” ,也就是說(shuō)隔聲靠重量。所以像磚墻、水泥墻或厚鋼板、鉛板等單位面積質(zhì)量大的材料,隔聲效果都比較好。(8)式也表明,單層隔聲的高頻隔聲好,低頻差。頻率每提高一倍,傳遞損失就增加6db。
需要說(shuō)明的是:傳遞損失tl是隔層面積為無(wú)限大時(shí)的理論 “ 隔聲量 ” ,作為一垛墻或樓板,它都有邊緣與其它建筑構(gòu)件連接,這時(shí)的 “ 隔聲量 ” 與(7)式所表示的傳遞損失有差別。既有因邊緣接近于固定而增大隔聲能力,也有作為邊緣固定的板振動(dòng)有一定的共振頻率,使某些共振頻率點(diǎn)上隔聲效果降低的現(xiàn)象。而當(dāng)作為兩相鄰房間之間的隔墻或樓板,因?yàn)閮墒抑g有多條傳聲(或振動(dòng))通道,這兩個(gè)房間之間的隔聲量(只能稱聲級(jí)差)更不能以該隔層的傳遞損失來(lái)代表。
隔聲材料在物理上有一定彈性,當(dāng)聲波入射時(shí)便激發(fā)振動(dòng)在隔層內(nèi)傳播。當(dāng)聲波不是垂直入射,而是與隔層呈一角度 θ 入射時(shí),聲波波前依次到達(dá)隔層表面,而先到隔層的聲波激發(fā)隔層內(nèi)彎曲振動(dòng)波沿隔層橫向傳播,若彎曲波傳播速度與空氣中聲波漸次到達(dá)隔層表面的行進(jìn)速度一致時(shí),聲波便加強(qiáng)彎曲波的振動(dòng),這一現(xiàn)象稱吻合效應(yīng)。這時(shí)彎曲波振動(dòng)的輻度特別大,并向另一面空氣中輻射聲波的能量也特別大,從而降低隔聲效果。產(chǎn)生吻合效應(yīng)的頻率fc為:fc=co2/2 π sin2 θ [12 ρ (1- σ 2)/eh2]1/2 (9)式中 ρ 、 σ 、e分別為隔層材料的密度、泊松比和楊氏模量,h是隔層厚度。任意吻合頻率fc與聲波入射角 θ 有關(guān)。在大多數(shù)房間中的聲場(chǎng)都接近于混響聲場(chǎng),到達(dá)隔層的入射角從0°到90°都有可能,因此吻合頻率出現(xiàn)在從掠入射( θ=90°) 的fc0開(kāi)始的一個(gè)頻率范圍,也就是說(shuō)吻合效應(yīng)使某一頻率范圍的隔聲效果變差。一般這一頻率范圍發(fā)生在中高頻。從質(zhì)量定律知道,中高頻隔聲量較大,除了內(nèi)阻尼很小的金屬板外,因吻合效應(yīng)使中高頻隔聲量降低的現(xiàn)象,不會(huì)引起很大的麻煩。
雙層隔聲結(jié)構(gòu):根據(jù)質(zhì)量定律,頻率降低一半,傳遞損失要降6db;而要提高隔聲效果時(shí),質(zhì)量增加一倍,傳遞損失增加6db。在這一定律支配下,若要顯著地提高隔聲能力,單靠增加隔層的質(zhì)量,例如增加墻的厚度,顯然不能行之有效,有時(shí)甚至是不可能的,如航空器上的隔聲結(jié)構(gòu)。這時(shí)解決的途徑主要是采用雙層以至多層隔聲結(jié)構(gòu)。雙層隔聲結(jié)構(gòu),單位面積質(zhì)量分別為m1、m2,中間空氣層厚度為l。雙層結(jié)構(gòu)的傳遞損失可以進(jìn)行理論計(jì)算,結(jié)果比較復(fù)雜,在不同頻率范圍可以得到不同的簡(jiǎn)化表示,這里只作定性介紹。兩個(gè)隔層與中間空氣層組成一個(gè)共振系統(tǒng),共振頻率為fr(m的單位為kg/m2,l的單位為m):fr=60/√m1m2l/(m1+m2) (10)
江蘇波形護(hù)欄
材料吸聲和材料隔聲的區(qū)別在于,材料吸聲著眼于聲源一側(cè)反射聲能的大小,目標(biāo)是反射聲能要小。吸聲材料對(duì)入射聲能的衰減吸收,一般只有十分之幾,因此,其吸聲能力即吸聲系數(shù)可以用小數(shù)表示;材料隔聲著眼于入射聲源另一側(cè)的透射聲能的大小,目標(biāo)是透射聲能要小。隔聲材料可使透射聲能衰減到入射聲能的10-3~10-4或更小,為方便表達(dá),其隔聲量用分貝的計(jì)量方法表示。
這兩種材料在材質(zhì)上的差異是:吸聲材料對(duì)入射聲能的反射很小,這意味著聲能容易進(jìn)入和透過(guò)這種材料;這種材料的材質(zhì)應(yīng)該是多孔、疏松和透氣,這就是典型的多孔性吸聲材料,在工藝上通常是用纖維狀、顆粒狀或發(fā)泡材料以形成多孔性結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)特征是:材料中具有大量的、互相貫通的、從表到里的孔,也即具有一定的透氣性。當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí),引起孔中的空氣振動(dòng),由于摩擦阻力和空氣的黏滯阻力以及熱傳導(dǎo)作用,將相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能,從而起吸聲作用。隔聲材料對(duì)減弱透射聲能,阻擋聲音的傳播,就不能如同吸聲材料那樣多孔、疏松、透氣,相反它的材質(zhì)應(yīng)該是重而密實(shí),如鋼板、鉛板、磚墻等一類材料。隔聲材料材質(zhì)的要求是密實(shí)無(wú)孔隙或縫隙;有較大的重量。由于這類隔聲材料密實(shí),難于吸收和透過(guò)聲能而反射能強(qiáng),所以它的吸聲性能差。
在工程上,吸聲處理和隔聲處理所解決的目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)不同,吸聲處理所解決的目標(biāo)是減弱聲音在室內(nèi)的反復(fù)反射,也即減弱室內(nèi)的混響聲,縮短混響聲的延續(xù)時(shí)間即混響時(shí)間;在連續(xù)噪聲的情況下,這種減弱表現(xiàn)為室內(nèi)噪聲級(jí)的降低,此點(diǎn)是對(duì)聲源與吸聲材料同處一個(gè)建筑空間而言。而對(duì)相鄰房間傳過(guò)來(lái)的聲音,吸聲材料也起吸收作用,從而相當(dāng)于提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲量。隔聲處理則著眼于隔絕噪聲自聲源房間向相鄰房間的傳播,以使相鄰房間免受噪聲的干擾??梢钥闯?,利用隔聲材料或隔聲構(gòu)造隔絕噪聲的效果比采用吸聲材料的降噪效果要高得多。這說(shuō)明,當(dāng)一個(gè)房間內(nèi)的噪聲源可以被分隔時(shí),應(yīng)首先采用隔聲措施;當(dāng)聲源無(wú)法隔開(kāi)又需要降低室內(nèi)噪聲時(shí)才采用吸聲措施。
吸聲材料的特有作用更多地表現(xiàn)在縮短、調(diào)整室內(nèi)混響時(shí)間的能力上,這是任何別的材料代替不了的。由于房間的體積與混響時(shí)間成正比的關(guān)系,體積大的建筑空間混響時(shí)間長(zhǎng),從而影響了室內(nèi)的聽(tīng)聞條件,此時(shí)往往離不開(kāi)吸聲材料對(duì)混響時(shí)間的調(diào)節(jié)。對(duì)諸如院、會(huì)堂、音樂(lè)廳等大型廳堂,可按其不同聽(tīng)音要求,選用適當(dāng)?shù)奈暡牧?結(jié)合體型調(diào)整混響時(shí)間,達(dá)到聽(tīng)音清晰、等不同主觀感覺(jué)的要求。從這點(diǎn)上說(shuō),吸聲材料顯示了它特有的重要性,所以通常說(shuō)的聲學(xué)材料往往指的就是吸聲材料。
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