(一)吸声降噪
吸声降噪是一种在传播途径上控制噪声强度的方法。当声波入射到物体表面时,部分入射声能被物体表面吸收而转化成其他能量,这种现象叫做吸声。物体的吸声作用是普遍存在的,吸声的效果不仅与吸声材料有关,还与所选的吸声结构有关。
相同的机器,在室内运转与在室外运转相比,其噪声更强。这是因为在室内,我们除了能听到通过空气介质传来的直达声外,还能听到从室内各种物体表面反射而来的混响声。混响声的强弱取决于室内各种物体表面的吸声能力。光滑坚硬的物体表面能很好地反射声波,增强混响声;而像玻璃棉、矿渣棉、棉絮、海草、毛毡、泡沫塑料、木丝板、甘蔗板、吸声砖等材料,能把入射到其上的声能吸收掉一部分,当室内物体表面由这些材料制成时,可有效地降低室内的混响声强度。这种利用吸声材料来降低室内噪声强度的方法称为吸声降噪。它是一种广泛应用的降噪方法,试验证明,一般可将室内噪声降低5~8dB。
1.吸声材料
吸声材料之所以具有吸声降噪的能力是与它们的结构密切相关的。吸声材料的表面具有丰富的细孔,其内部松软多孔,孔和孔之间互相连通,并深入到材料的内层。当声波透过吸声材料的表面进入内部孔隙后,能引起孔隙中的空气和材料的细小纤维发生振动,由于空气分子之间的黏滞阻力作用和空气与吸声材料的筋络纤维之间的摩擦作用,使振动的动能变为热能而使声能衰减。此外,由于空气在绝热压缩中升温,而在绝热膨胀中温度下降,使热量发生传导作用,在空气与吸声材料之间不断发生热交换,结果使声能转变为热能而使声能衰减。这样就使反射声减少,总的声音强度也就降低了。
优良的吸声材料要求表面和内部均应具有多孔性,孔隙微小,孔与孔之间互相沟通,并且要与外界连通,以使声波容易传到材料内部。常用的吸声材料分三种类型,即纤维型、泡沫型和颗粒型。纤维型多孔吸声材料有玻璃纤维、矿渣棉、毛毡、甘蔗纤维、木丝板等;泡沫型吸声材料有聚氨基甲酯酸泡沫塑料等;颗粒型吸声材料有膨胀珍珠岩和微孔吸声砖等。
2.吸声结构
多孔吸声材料对高频声有较好的吸声能力,但对低频声的吸声能力较差。为了解决这一矛盾,人们利用共振吸声的原理设计了各种共振吸声结构,取得了较好的效果,从而弥补了多孔材料低频吸声性能的不足。常用的共振吸声结构有共振吸声器(单个空腔共振结构)、穿孔板(槽孔板)、微穿孔板、膜状和板状等共振吸声结构及空间吸声体。
(1)共振吸声器共振吸声器是由腔体和颈口组成的共振结构,又称亥姆霍兹共振器。如图7-2所示。
腔体通过颈部与大气相通,在声波的作用下,孔径中的空气柱就像活塞一样往复运动,由于颈壁对空气的阻尼作用,使部分声能转化为热能,当入射声波的频率与共振器的固有频率一致时,即会产生共振现象,此时孔径中的空气柱运动速度最大,因而阻尼作用最大,声能在此情况下得到最大吸收。共振器的吸声作用在低频。实际工作中分别设计几种规格的共振器,以便在较宽的低频范围获得较好的吸声效果。
改变连接管的尺寸和空腔体的体积,可以获得不同的共振频率。此外在管内铺设吸声材料可以增加共振器的阻尼作用,从而使共振器的吸声系数降低,吸声频带的宽度增大。
(2)穿孔板穿孔板共振吸声结构是噪声控制中广泛采用的一种吸声装置,它可以看作由许多单孔共振腔并联组成。其结构如图7-3所示。
穿孔板吸声结构的共振频率与穿孔率、孔板厚度和空腔深度有关。穿孔率是穿孔面积占总面积的百分数。这种吸声结构的缺点是对频率的选择性很强,在共振频率时具有最大的吸声性能,偏离共振频率时则吸声效果较差。它吸收声音的频带比较窄,一般只有几十赫兹到200赫兹的范围。在穿孔板后衬贴织物或填放多孔吸声材料可以使这种吸声结构吸收声音的频带加宽。穿孔板的穿孔应均匀地分布在板面上,一般孔径为3~8mm为宜。此外,为了提高吸声性能,可采用两层穿孔板组成的吸声结构。
(3)微穿孔板微穿孔板是在普通穿孔板的基础上发展起来的。普通穿孔板的厚度一般为1.5~10mm,孔径为2~15mm,穿孔率为0.5%~5%左右;而微穿孔板吸声结构的板厚及孔径均小于1mm,穿孔率为1%~3%,它与板后的空腔一起组成微穿孔板吸声结构。这种结构具有较宽的吸声频带。微孔板的微孔本身具有足够的声阻,因此,它的背后不需要衬贴多孔吸声材料。
微穿孔板结构的吸声性能可根据需要进行设计,微孔的大小和间距影响微穿孔板的吸声系数,板的构造和它的空腔深度决定它的吸声频率范围。
微穿孔板可使用各种薄板材料,如铝板、钢板、不锈钢板和玻璃板等。金属微穿孔板具有防火、防水、耐高温、受风的影响小以及易于清洗等特点,适用于高温、高气流、潮湿、超净等环境条件下的消声器和吸声降噪中使用。
对于玻璃纤维布、阻燃装饰布等织物,通过控制其表面覆盖率即经纬线的粗细和每厘米的根数,也可以作微穿孔吸声结构使用,并获得良好的吸声特性。
(4)薄板吸声结构 不穿孔的薄板如金属板、胶合板、石膏板、塑料板等,使它的周边固定,其背后留一定厚度的空气层,就构成了薄板共振吸声结构,它对低频声有较好的吸声性能。
当声波作用于薄板表面时,在声压的交变作用下引起薄板的弯曲振动,由于薄板与固定支点之间和薄板内部引起的内摩擦损耗,使振动的动能转化为热能而使声能得到衰减。当入射声波的频率与振动系统的固有频率即共振频率一致时,振动系统即会发生共振现象,此时振幅最大,声能消耗也最多。在此频率下声能将得到最大的吸收。薄板共振吸声结构的共振频率一般为80~300Hz。
(5)空间吸声体吸声材料和吸声结构一般安装在墙面和天花板上。如果把吸声材料或吸声结构悬挂在房间内,就成了空间吸声体。常用的空间吸声体有板状、圆柱状、球形和锥形等,如图7-4所示。
吸声体有两个或两个以上的表面与声波接触。从而具有较高的吸声效率,而且制作简单,安装方便,在噪声控制工程中已获得广泛的应用。
应该指出,利用吸声材料和吸声结构来降低噪声的方法,其效果是有一定条件的。吸声材料只是吸收反射声,对声源直接发出的直达声是毫无作用的。也就是说,吸声处理的最大可能性是把声源在房间的反射声全部吸收。故在一般条件下,用吸收材料来降低房间的噪声其数值不超过10dBA,在特殊条件下也不会超过15dBA。若房间很大,直达声占优势,此时用吸声降噪处理效果较差,甚至在吸声处理后还察觉不到有降噪的效果。如房间原来的吸声系数较高时,还用吸声处理来降噪,其效果是不明显的。因此,吸声处理的方法只是在房间不太大或原来吸声效果较差的场合下才能更好地发挥它的减噪作用。
(二)消声器
消声器是一种既能使气流通过又能有效地降低噪声的设备。通常可用消声器降低各种空气动力设备的进出口或沿管道传递的噪声。例如在内燃机、通风机、鼓风机、压缩机、燃气轮机以及各种高压、高气流排放的噪声控制中广泛使用消声器。
不同消声器的降噪原理有别,大体上有以下几种。
(1)阻性消声 它是利用装置在管道内壁或中部的阻性材料(主要是多孔材料)吸收声能而达到降低噪声目的的。当声波通过敷设有吸声材料的管道时,声波激发多孔材料中众多小孔内空气分子的振动,由于摩擦阻力和黏滞力的作用,使一部分声能转换为热能耗散掉,从而起到消声作用。阻性消声器能较好地消除中、高频噪声,而对低频的消声作用较差。
(2)抗性消声它是利用管道截面的变化(扩张或收缩)使声波反射、干涉而达到消声目的的。和阻性消声器不同,它不使用吸声材料,而是利用不同形状的管道和腔室进行适当地组合,使声波产生反射或干涉现象,从而降低消声器向外辐射的声能。抗性消声器的性能和管道结构形状有关,一般选择性较强,适用于窄带噪声和低、中频噪声的控制。常用的抗性消声器有扩张室、共振腔两种形式。
(3)损耗型消声它是在气流通道内壁安装穿孔板或微穿孔板,利用它们的非线性声阻来消耗声能,从而达到消声的目的。微穿孔板消声器是典型的损耗型消声器。在厚度小于1mm的板材上开孔径小于1mm的微孔,穿孔率一般为1%~3%,在穿孔板后面留有一定的空腔,即称为微穿孔板吸声结构。它与阻性消声器类似,不同之处在于用微穿孔板吸声结构代替了吸声材料。从某种意义讲,微穿孔板消声器是一种阻抗复合式消声器。