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1、第二篇噪声控制技术噪声按传播途径可分为固体声、气体声、液体声，但在噪声控制中主要涉及到气体声与固体声，特别是气体声。噪声控制的基本程序是从声源调查入手，通过传播途径分析、降噪量确定等一系列步骤再选定最佳方案，最后对噪声控制工程进行评价。本篇主要讲述声学控制技术。噪声控制的基本程序框图如下图所示：第一章吸声和室内声场1.1 室内声学的一些基本知识1.1.1 室内声场和扩散声场声在室内声场的传播规律要比自由声场复杂得多，除了声源发出的声音构成直达声场外，还存在室内壁面和各类物体、包括人员产生的反射声场。许多噪声控制问题，往往涉及的是室内声源形成的室内声场。解决这一类问题必须了解室内声学的一些基本知
2、识。1 .室内声场为便于研究，通常把房间内的声场分解成两部分：从声源直接到达受声的直达声形成的声场叫直达声场:经过房间壁面一次或多次反射后到达受声点的反射形成的声场叫混响声场由于壁面的声学性质不可能处处均匀，房间形状一般也不规则，室内人和物对声音的反射现象更是十分复杂，声音经过多次反射，室内声场中声音的传播规律和露天半自由声场强烈地依赖于房间的大小和房内各个表面的反射性质。2 .扩散声场扩散声场是指有声源的房间内，声能量密度处处相等,任何一点上，从各个方向传来的声波几率都相等的声场。在这种理想化的声场中，声波的相位是无规则的。一般情况下，对于所有内壁面均光滑、坚硬，并且天花板、四壁为一定不规则
3、形状的大房间，声源在室内产生的声场非常接近扩散声场。3 .平均自由程声波在房间内两次相邻反射间的路程称作自由程，对于一个房间，自由程的平均值叫平均自由程。理论和试验证明，在扩散声场中，平均自由程与房间形状、声源位置无关，可用下式表示：d=4VS,式中d为平均自由程，单位为米；V为房间容积，S为房间内表面总面积。当声速为C时，声波传播一个自由程所需时间T为：=dc=4VcS,故单位时间内平均反射次数n为：n=l=cS4V1.1.2 平均吸声系数与室内声音衰减1 .平均吸声系数声波在室内碰到壁面(包括天花板与地板)时，一部分入射声波要被壁面吸收，其他部分发生反射。被壁面吸收的能量与入射能量的比值称
4、为壁面的吸声系数怯。在扩散声场中，声能向各方向的传递几率相同，因此吸声系数应是对所有入射角的平均结果。可用下式表示:YSiiCSa+a=母一二o平均吸声系数实际上表示房间壁面单位面积的平均吸声能JsiS+S?+i=l力，也称单位面积的平均吸声量。由于反射声的存在，同样声源条件，室内声场要远高于自由声场。2 .室内声音的衰减及混响、混响时间的计算当声源开始向室内辐射声能时，声波在室内空间传播，当遇到壁面时，部分声能被吸收，部分被反射；在声波的继续传播中多次被吸收和反射，在空间就形成了一定的声能密度分布。随着声源不断供给能量,室内声能密度将随时间而增加,这就是室内声能的增长过程。4wf-竺C可用下
5、式表示：D(t)=1-e4vCAlJ当声场处于稳态时，若声源突然停止发声。室内受声点上的声能并不立即消失，而要有一个过程。首先是直达声消失，反射声将继续下去。每反射一次，声能吸收一部分，因此，室内声能密度逐渐减弱，直到完全消失，这一过程称为“混响过程”或“交混回响”，TSA、4WI用下式表示：D(t)=e4v,由上式可见，在衰减过程中，D(t)随t的增加而减小。室cA内总吸声量A越大，衰减越快，房间容积V越大，衰减越慢。1.1.3扩散声场中的声能密度和声压级1 .直达声场设点声源的声功率是W,在距点声源r处，直达声的声强为：Id=平，式中Q为4r指向性因子。据I=p2pc,D=p2pc?得距点
6、声源r处直达声的声压及声能密度分别为：P；=PCId=竽rDd=国=篝，相应的声压级为LPd=LW+104rpc-4rc4r)2 .混响声场在混响声场中，单位时间声源向室内贡献的混响声为W(Ia),设混响声能密度为Dr,则总混响声能为DN,每反射一次，吸收DrVa,每秒反射cS4V次，则单位时间吸收的混响声能为DVacS/4v,当单位时间声源贡献的混响声能与被吸收的混响声能相等时，达到稳态，即：W(l-a)=DrVacS4v,因此，达到稳态时，室内的混响声能密度为：4w(a),设房间常数R=包,由此得到，混响声场中的声压p：=生空，,cSa1-arR相应的声压级为LPr=LW+10lg1O3
7、.总声场把直达声场和混响声场叠加，就得到总声场。总声场地的声能密度D为：总声场的声压平方值为p2=p；+p；=PCWj土+百Q4r,贝IJ混响声场中的声压级为LP=LW+10Ig(4/R)或LP=LW10IgR+6。例题：某机器其指向特性为I,在2000Hz倍频中声功率级为120dB(A),机器在一小房间内运转，此房间在2000Hz倍频带中的房间常数为9.29n求：(1) 在该混响声场中的声压级；(2) 高于混响声声压级IdB(A)的空间点距机器多远？解：(1)由Lp=Lw-101gR+6得LP=I20-101g929+6=116dB(2)由LP=LW+10Ig(W+、)再依已知条件对唯一的未
8、知数r求解，得1/2r=Q代入已知条件求得r=1.06米4l0(Lp-Lj10-4ILrJ.2 .混响时间混响的理论是赛宾在1900年提出的，混响时间的定量计算，迄今为止在厅堂音质设计中仍是重要的音质参量，虽然后来有几位声学专家导出了另外的混响时间的理论公式，但在实际工程中仍应用赛宾的公式。当室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声能密度衰减到原来的百万之一，即声压级衰减60dB所需要的时间，记作T,单位为秒。计算公式为:T60=I6=J，V式中V一房间容积，m3；A-室内总吸声量，m2,A=So适用条ASa件：室内声音频率低于2000Hz,a0.21.1.5吸声降噪量在混响声场中，改变房
9、间常数可改变室内某点的声压级，设Ri、R2分别为室内设置吸声装置前后的房间常数，则距声源中心r处相应的声压级Lpi、Lp2分别为：Lp1=Lw10lg-%+Lp2=Lw101gf-14rR1)(4rR2J吸声前后的声压级之差，即为吸声降噪量，为:Ln=Lnl -L0 =IOIg PPlPZO.H4rr2R2当受声点离声源很近，即在混响半径以内的位置上，Q4r2远大于4/R时，ALP的值很小，也就是说在靠近噪声源的地方，声压级的贡献以直达声为主，吸声装置只能降低混响声的声压级，所以吸声降噪的方法对靠近声源的位置，其降噪量是不大的。对于离声源较远的受声点，即处于混响半径以外的区域，如果Q4r2远小
10、于4/R,且吸声处理前后的面积不变的条件，则上式可简化为：R=Iolg坛=IOlg:一）昌Rl0a2）1此式适用于远离声源处的吸声降噪时的估算，对于一般室内稳态声场，如工厂厂房，都是破及混凝土砌墙、水泥地面与天花板，吸声系数都很少，因此有瓦京2远小于心或瓦2,则上式又可简化为：L=IOlg-,一般的室内吸声降噪处理可用此式计算，利用此式%的困难在于求取平均吸声系数麻烦，利用吸声系数和混响时间的关系，上式又可简化为ALP=K）Ign，式中Tl和T2分别为吸声处理前后的混响时间，由于混响时间可以用专门*T,2的仪器测得，所以用上式计算吸声降噪时，就免降了计算吸声系数的麻烦和不准确。例题：某房间几何
11、尺寸为25mX10mX4m,室内中央设置一无指向性声源，测得】OoOHZ时室内混响时间为2秒，距声源IOm的接收点处该频率的声压级为87dB,仿拟彩吸声处理，使该噪声降为81dB。试问该房间IOOOHz的混响时间降为多少？并估算室内应达到的平均吸声系数。解：（1）依题意，噪声降低量为AL=LDl-LM=87-81=6dBP1由ALP=I（Hg得T?=鼻=焉=05（s）%K）而10JE0.161V0.161V句（2） 由=-=-得ASa_0.161V0.16125104”2ST2（2510+254+104）20.5-,1.2吸声材料一般将能够吸收较多声能的材料称为吸声材料，将能够吸收较多声能的结
12、构称为吸声结构。吸声处理可使一般室内噪声降低约为3-5dB,使混响声很重的车间降噪6-10dB.在隔声和消声等其他噪声处理技术中，吸声材料或吸声结构也得到广泛应用，所以吸声是一种最基本的降低噪声的技术措施。1.2.1 吸声基本知识1 .吸声系数a（画图说明）吸声系数是指材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，可用吸声系数来描述吸声EE-E材料或吸声结构的吸声特性，计算式为：a=U=r=l,式中Ei-入射声能;EiEiEl被材料或结构吸收的声能；EL被材料或结构反射的声能；r反射系数。由上式可见，当入射声波被完全反射时，a=0,表示无吸声作用；当入射声波完全没有被反射时，a=1,表示完全吸收；
13、一般材料的吸声系数a都在0和1之间，即0a200kgm2）.j2.公式推导条件：画图说明，因为声波在空气中传播的途径上，当遇到墙状固体障碍物是地，由于空气与固体介质特性阻抗的差异，在两分层界面上将产生两次反射与透射。上述质量定律是以下列假设下及利用边界条件，即边界处声压连续,质点速度的法向分量连续,得出的。（1）声波垂直入射到墙上；（2）隔墙为单层匀质墙；（3）墙把空间分成两个半无限空间，而且墙的两侧均为通常状况下的空气；（4）墙为无限大，即不考虑边界的影响；（5）把墙自成一个质量系统，即不考虑墙的刚性、阻尼；（6）墙上各点以相同的速度振动。从透声系数定义及平面声波理论来推导的。2.2.2 单
14、层匀质墙隔声的频率特性实践证明，单层匀质墙的隔声量与入射声波的频率关系很大，其变化规律如图所示，可分为四个区，劲度控制区、阻尼控制区，又称为共振区、质量控制区、吻合效应区。2.2.3 吻合效应1 .弯曲波声波在空气中传播时，只存在压缩波，即纵波，而声音在固体介质中传播时，固体质元既有纵向的弹性压缩，也有横向的弹性切变，两者结合作用，会在介质中产生一种曲波。设弯曲波的波长为b2 .产生的条件（上课时以图来说明）对墙面上某一点，当入射波两个相邻同位相波陈面经过该点的时间，正好和弯曲波在墙内沿横向传播的周期相同时,即当b时声波对墙体的作用与墙体的弯曲波相吻合。bsin由于SinOWI,所以只有在,的
15、情况下才能发生吻合效应。因一定构件的就是一定的,因此，发生吻合效应的频率就不是一个，而是符合f2cb的多个频率。3 .定义当入射声波满足声波吻合效应的条件时，则墙体的弯曲扰动达到极大值，此时，墙体振动向墙的另一侧辐射的声能也达到最大值，从而使隔声量大大降低。这种因声波入射角度造成的声波作用与隔墙中弯曲波传播速度相吻合而使隔声量降低的现象，叫做吻合效应在。4.吻合效应的频率与临界频率固体隔墙中弯曲波长由固体本身的弹性性质所决定，因此引起吻合效应的条件由声波的频率与入射角决定。产生吻合效应的频率fc为=由3得知，当二l,时相应的频率fco是产生吻合效应的最低频率，称为吻合效应的临界频率，用公式表5
16、 .吻合效应的防止隔声构件的吻合效应发生在对人耳不敏感的频率段，可以减少对隔声构件性能的不利影响。一般砖墙、混凝土墙厚度都很大，吻合频率都在低频段且不太明显。对于嫉顺而轻薄的隔声构件，如金属板，木板等，吻合频率都出现在高频段且比较明显。在噪声控制工程中，通过选择轻型构件吻合频率高于人耳敏感频率,或采取增加阻尼提高吻合效应段隔声量的办法，减轻吻合效应的影响。2.3多层墙的隔声2.3.1 双层墙的隔声实践与理论证明，单纯依靠增加结构的重量来提高隔声效果既浪费材料，隔声效果也不理想。若在两层墙间夹以一定厚度的空气层，其隔声效果会优于单层实心结构，从而突破质量定律的限制。我们把两层匀质墙与中间所夹一定
17、厚度的空气层所组成的结构,称作双层墙。1.隔声的原理（画图来说明）当声波透过第1层墙时，由于墙外及夹层中空气与墙板特性阻抗的差异，造成声波的两次反射，形成衰减，并且由于空气层的弹性和附加吸收作用，使振动的能量衰减较大，然后再传给第2层墙，又发生声波的两次反射，使透射声能再次减小，因而总的透射损失更多。2.隔声特性A）当入射声波频率（D低于共振频率时，TL=IOlg1+1I与前面单层墙的隔声量比较得出，上式就是单位质量为2mIPOCJ的单层墙的质量定律，也就是说，这时候的双层墙的隔声效果，相当于把两个单层隔墙合并在一起，中间没有空气层一样，说明隔声性能没有改善。B）当ffo到波长接近空气层厚度时
18、TL=IOIgf1（2kD）2=TL1TL0+20lg（2kD）WJ相当于两个隔墙单独的隔声量之和再加上一个值。这表明，如果把一个隔层一分为二，分开一定距离时，总的隔声量将大为增加。C）当f大于与空气层厚度相当波长的频率段时，不能满足kD200kgm2）TL=13.51g（m1+m2）+14+TL,（m+m2200kgm2）上两式中TL为空气层的附加隔声量。5 .声桥对双层墙的隔声性能影响我们在上面的讨论是假设双层墙之间没有固定连接。如果两层墙之间存在某种连接，部分声能可经声桥自一墙板传至另一墙板，使双层墙的隔声性能会明显降低。连接物在这里起的作用是在墙板之间传递振动，这种连接物就叫声桥。典型
19、的声桥可以分成两类：刚性声桥，如双层墙之间的砖头和双层板之间的木龙骨；弹性声桥，如具有相当大弹性的钢龙骨。在实际问题中，人们更关心如何减轻声桥的不利影响，实践表明采取以下措施可以有交减轻声桥的影响：（1）设计和施工时尽可能减小声桥数量，在保证双墙的机械性能要求前提下尽可能少用龙骨等构件；（2）尽可能彩弹性构件，（3）在声桥与墙面之间最好插入适当的弹性材料或阻尼材料。6 .3.2多层复合墙的隔声在噪声控制工程中，常用轻质多层复合板，它是由几层面密度或性质不同的板材组成的复合隔声结构，通常是用金属或非金属的坚实薄板做护面层，内部覆盖阻尼材料，或填入多孔吸声材料，或空气层等组成。多层复合板的隔声性能
20、较组成它的同等重量的单层或双层有明显的改善，这主要是由于：（1）分层材料的阻抗各不相同，使声波在各层界面上产生多次反射，阻抗相差越大，反射声能越多，透射能量就越小；（2）夹层材料的阻尼和吸声作用，致使声能衰减，并减弱共振与吻合效应；（3）使用厚度和材质不同的多层结构，可以错开共振与临界的吻合效应，改善共振区与吻合区的隔声低谷效应，因而总的透射声能大为减小。由理论计算多层复合墙的隔声量不仅复杂也难以准确，故一般通过实测求得。2.4隔声间在吵闹的环境中建造一个具有良好的隔声性能的小房间，供工作人员有一安静的环境,或者将多个强声源（或单台大型噪声源）置于上述房间中，以保护周围环境的安静，这些由隔声构
21、件组成的具有良好隔声性能的房间统称为隔声间或隔声室。通常多用于对声源难作处理的情况。隔声间有封闭与半封闭之分。一般多用封闭式。隔声间除需要有足够隔声量的墙体外，还需设置具有一定隔声性能的门、窗或观察孔等，如果门、窗设计不好或孔隙漏声严重，都会大大影响隔声的效果。2.4.1 隔声间的降噪量隔声间通常包括隔声、吸声、消声器、阻尼和减振等几种噪声控制措施的综合治理装置，它是多种声学构件的组合，因此，衡量一个隔声间的效果，不能只看其中一个声学构件的降噪效果，而要看它的综合降噪指标。用于评价隔声间综合降噪效果的一个物理量是插入损失IL,它是被保护者所在处安装隔声间前后的声压级之差，即：AIL=L1-L2=TL+101g-STL为隔声间的平均隔声量，即:7T=10lgS,ZSJ(F。.也上式中S为第I个构件的面积，a?;TLi
