建筑声学基础知识（五）：吸声材料和吸声结构的声学特性

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为了解决声学问题，吸声材料的研制、生产和应用日显重要。早些时候，吸声材料主要用于对音质要求较高的场所，如音乐厅、剧院、礼堂、录音室、播音室等。后来则在一般建筑物内如教室、车间、办公室、会议室等，为了控制室内噪声，而广泛使用吸声材料。有些材料或构件本身并无多大吸声效果，但经过打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理，形成吸声结构，也得到广泛应用。值得注意的是，吸声材料往往与隔声材料结合使用。

下面，“影音新生活”就为大家详细介绍吸声材料在室内声学中发挥的重要作用。

一、吸声系数和吸声量

（一）吸声系数

用以表征材料和结构吸声能力的基本参量通常采用吸声系数。

材料和结构的吸声特性和声波入射角度有关。声波垂直入射到材料和结构表面的吸声系数，称为“垂直入射（或正入射）吸声系数”。当声波斜向入射时，这时的吸声系数称为斜入射吸声系数。

三种不同吸声材料的吸声特性

（二）吸声量

吸声系数反映了吸收声能所占入射声能的百分比，它可以用来比较在相同尺寸下不同材料和不同结构的吸声能力，却不能反映不同尺寸的材料和构件的实际吸声效果。用以表征某个具体吸声构件的实际吸声效果的量是吸声量，它和构件的尺寸大小有关。

二、吸声材料和吸声结构的分类

吸声材料和吸声机构的种类有很多，根据材料的外观和构造特征分类，大致可以归纳为以下几种：

多孔材料：具有良好的中高频吸收，背后留有空腔还可以提高高低频吸收。主要有岩棉、玻璃棉、矿棉、木丝板、聚酯纤维、纤维素喷绘、铝纤维、烧结铝、聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫、毛毡等。

板状材料：以吸收低频为主。主要有石膏板、硅酸钙板、密度板、薄铝板、薄钢板、胶合板、PC阳光板、彩钢夹芯板等。

穿孔板：一般以吸收中频为主，与多孔吸声材料结合可吸收中高频，背后大空腔可提高低频吸收。

成型顶棚吸声板：视材料吸声特性而定，背后留有空腔可提高低频吸收能力。主要有矿棉吸声装饰板、岩棉吸声装饰板、玻纤顶棚板、木丝吸声板、铝纤维板、穿孔铝板等。

膜状材料：以吸收中低频为主，后空腔越大，对低频吸收越有利。如塑料薄膜、ETFE膜、PTFE膜、帆布、人造革等。

柔性材料：内部气泡不连通，与多孔吸收材料不同，主要靠共振有选择地吸收中频。主要有闭孔海绵、乳胶块、塑料蜂窝等。

三、共振吸声结构

建筑空间的围蔽结构和空间中的物体，在声波激发下会发生振动，振动着的结构和物体由于自身内摩擦和与空气的摩擦，要把一部分振动能量转变成热能而损耗。根据能量守恒定律，这些损耗的能量都是来自激发结构和物体振动的声波能量，因此，振动结构和物体都会消耗声能，产生吸声效果。结构和物体有各自的固有振动频率，当声波频率与结构和物体的固有频率相同时，就会发生共振现象。这时，结构和物体的振动最强烈，振幅和振速达到极大值，从而引起能量损耗也最多。因此，吸声系数在共振频率处为最大。

一种常有的看法认为：声场中振动着的物体，尤其是薄板和一些腔体，在共振时会“放大”声音。这是一种误解，是把机械力激发物体振动（如乐器）向空气辐射声能时的共鸣现象和空气中声波激发物体振动时的共振现象混淆了。即使前者，振动物体也不是真正地放大了声音，而是提高了辐射声能的效率，使机械激发力做功更有效地转化成声能，而振动物体自身还是从激发源那里吸收能量并加以损耗。

利用共振原理设计的共振吸声结构一般有两种：一种是空腔共振吸声结构，一种是薄板或薄膜吸声结构。需要指出的是，处于声场中的所有物体都会在声波激发下产生振动，只是振动的程度强弱不同而已。有时，一些预先没有估计到的物体会产生相当大的吸声，例如大厅中薄金属皮灯罩，可能在某个低频频率发生共振，因为灯多，灯罩展开面积大，结果产生不小的吸声量。

四、其他吸声结构

（一）空间吸声体

室内的吸声处理，除了把吸声材料和结构安装在室内各界面上，还可以用前面所述的吸声材料和结构做成放置在建筑空间内的吸声体。空间吸声体有两个或两个以上的面与声波接触，有效的吸声面积比投影面积大得多，有时按投影面积计算，其吸声系数可大于1。对于形状复杂的吸声体，实际中多用单个吸声量来表示其吸声性能。

空间吸声体

空间吸声体可以根据使用场合的具体条件，把吸声特性的要求与外观艺术处理结合起来考虑，设计成各种形状（如平板形、维形、球形或不规则形状），可收到良好的声学效果和建筑效果。

（二）强吸声结构

比较典型的强吸声结构是消声室，用于各种声学实验和测量。室内声场要求尽可能地接近自由声场，因此所有界面的吸声系数应接近于1。

在消声室等特殊场合，需要房间界面对于在相当低的频率以上的声波都具有极高的吸声系数，有时达到0.99以上。这时必须使用强吸声结构。

吸声尖劈是消声室中常用的强吸声结构，用棉状或毡状多孔吸声材料，如超細玻璃棉、玻璃棉等填充在框架中，并蒙以玻璃丝布或塑料窗纱等罩面材料制成。

（三）帘幕

纺织品中除了帆布一类因流阻很大、透气性差而具有膜状材料的性质以外，大都具有多孔材料的吸声性能，只是由于它的厚度一般较薄，吸声效果比厚的多孔材料差。如果幕布、窗帘等离开墙面、窗玻璃有一定距离，恰如多孔材料背后设置了空气层，尽管没有完全封闭，对中高频甚至低频的声波仍具有一定的吸声作用。

（四）洞口

向室外自由声场敞开的洞口，从室内角度来看，入射到洞口上的声波完全透过去了，反射为零，即吸声系数为1。

如果孔洞的尺度比声波波长小，其吸声系数将小于1。

洞口如不是朝向自由场，而是朝向一个体积不大、界面吸收较小的房间，则透射过洞口的声能会有一部分反射回来，此时洞口的吸声系数小于1。

在剧院中，舞台台口相当于一个大洞口，台口之后的天幕、侧幕、布景等有吸声作用。根据实测，台口的吸声系数约为0.3~0.5。

（五）人和家具

处于声场中的人和家具都要吸收声能。因为人和家真很难计算吸声的有效面积，所以吸声特性一般不采用吸声系数表示，而采用个体吸声量表示，其总吸声量为个体吸声量乘以人和家具的数量。

人的吸收主要是人们穿的衣服的吸收。衣服属于多孔材料，但衣服常常不是很厚，所以对中高频声波的吸收显著，而低频则吸收较小。人们的衣服各不相同，并随时间季节而变化，所以个体吸声特性有差异，只能用统计平均值来表示。在剧院、会堂、体育馆等观众密集排列的场合，观众吸收还和座位的排列方式、密度、暴露在声场中的情况等因素有关。