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          場館設計中吸聲材料的應用

          作者: 管理員 來源: 本站 時間:2021年08月06日
          場館設計中吸聲材料的應用
            

          摘要:場館聲學工程中的噪聲混響問題造成諸多困擾,筆者從影響混響時間的主要因素、多孔吸聲材料及其吸聲系數、多孔吸聲材料的選擇、多孔吸聲材料的使用、共振吸聲結構、場館總吸聲量的確定等方面進行分析。

          關鍵詞:混響時間;吸聲量;多孔吸聲材料;共振吸聲結構  

          Application of Acoustic Materials in the Design of the Stadium

          Abstract: Reverberation problemin venuesacoustic engineering caused many problems. The writes analysis it from the main factors influencing the reverberation time, the porous sound-absorbing material and sound-absorbing coefficient, porous sound absorption material selection, porous sound-absorbing material use, resonance sound absorption structure, venues total absorption quantity and so on.

          Key words: reverberation time, absorption, sound-absorbing porous material, resonance sound absorption structure

          場館的噪聲混響問題,困擾眾多業主和裝修設計、施工單位。裝修豪華的場館啟用時經常發覺噪聲混響(即通常所說的回聲)嚴重。使用時,人們雖然感到聲音很響,但聽到的是一片嘈雜,令人心煩,極大地影響了場館的使用功能。能夠滿足使用的聲學功能是場館裝飾的重要的指標,特別是特別是音樂廳、劇場、電影院、歌舞廳、錄音室、演播室及監聽室等尤為重要。本文是從控制場館的噪聲混響的角度提出初步建議,希望能夠拋磚引玉。

          一、影響混響時間的主要因素

          1、描述混響效果的指標

          描述混響效果的指標是混響時間,它是室內聲源停止發聲后,聲壓級衰減60dB所經歷的時間,單位是秒?;祉懯欠块g中聲音被界面不斷反射而積累的結果,混響可以使室內的聲音增加15dB,但同時會降低聲音的清晰度。

          2、混響時間的的檢測及計算方法

          混響時間與室內吸聲存在數學關系,可根據賽賓公式進行估算。

          賽賓公式:T=0.161V/Sα

          T60=0.161V/4mV- S ln(1-α)

          其中:T60—混響時間(s)

          0.161—與聲速有關的常數

          V—房間容積(m3)

          m—空氣中聲衰減系數(mˉ1)

          S—室內總表面積(m2)

          α—平均吸聲系數。

          由塞賓公式可以看出,房間體積越大混響時間越長;平均吸聲系數越大,混響時間越短。由于室內吸聲與頻率有關,不同頻率的混響時間也有所不同,房間音質指標常指的是中頻混響時間。

          3、較理想的混響時間

          對于音樂演奏的空間,如音樂廳、劇場等,需要混響效果使樂曲更加舒緩而愉悅。對于語言使用的空間,如電影院、教室、禮堂、錄音室等需要減少混響使講話更加清晰。據研究,就較理想的混響時間而言(中頻),音樂廳為1.8-2.2秒,劇院為1.3-1.5秒,多功能禮堂為1.0-1.4秒,電影院為0.6-1.0秒,教室為0.4-0.8秒,錄音室為0.2-0.4秒,體育館為低于2.0秒,專業館為小于2.5秒。

          《體育建筑設計規范》(JGJ 31-2003) 第9.0.10規定:體育館的混響時間應以80%的觀眾數為滿座,并以此作為設計計算和驗收的依據。觀眾座椅數增加總展開面積,也會增加總吸聲面積,對減少混響時間各有利弊,主要取決于觀眾座椅的使用材料及造型。觀眾人數增加一定會增加吸聲量,在某種條件下,增加吸聲量可占總吸聲量的30%以上。但由于人數是隨機的,在聲學設計中,應以相應的空場折算值作為設計指標。

          二、多孔吸聲材料及其吸聲系數 

          1、吸聲材料的定義;

          多孔吸聲材料的吸聲機理是材料內部有大量空隙,空隙之間互相連通,孔隙深入材料內部。聲波沿著這些孔隙可以深入材料內部,與材料的黏滯阻力作用發生摩擦,使聲能轉化為熱能而損耗。

          2、吸聲材料的吸聲系數 α

          材料的吸收的聲能與入射到材料上的總聲能之比,叫吸聲系數α ,它是目前表征吸聲性能最常用的參數。定義為:聲波入射材料表面時,材料的吸收性聲能和透射聲與入射到材料表面的聲能之比。不同的材料和相同的材料不同的厚度、密度均具有不同的吸聲系數,影響吸聲材料的吸聲系數α的主要因素有:材料的流阻Rf)、材料的孔隙率q、和材料孔隙排列狀況的結構因子S。流阻與材料兩邊的靜壓差Δp與通過材料孔隙的氣流線速度υ的關系為Rf = Δp/υ。理論上,如果某種材料的入射聲能被完全反射時,表示無吸聲作用α=0;當入射聲波完全沒有被反射時,表示完全被吸收α=1。

          一般所說材料的吸聲系數a是一個概括性的說法。事實上,所有材料的不同頻率上會有不同的吸聲系數a,均介于0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。根據吸聲材料對聲波的不同頻率具體吸收的聲能來確定該頻率的吸聲系數a,一般來說,低頻噪聲的吸聲系數較低,應根據聲學設計來確定各倍頻程的總吸聲量。任何吸聲材料都不可能全頻吸收,即使是公認的吸聲效果最好的吸聲尖劈結構,它也有對應的最低吸聲頻率,稱為截止頻率,在截止頻率以下,它的吸聲系數也不盡人意。

          3、出現吸聲系數α≥1 的原因

          在實驗室檢測時,會出現吸聲材料的吸聲系數 α>1 的情況,主要原因有如下幾點:

          1)材料邊緣封堵不嚴,有部分聲音被邊緣處吸收了。

          2)當吸聲系數很高的材料放入混響室會造成混響室聲場均勻度嚴重破壞,致使賽賓公式失效,不同測量點時測量出現誤差。

          3)測量前后混響室相對濕度差異很大,造成空氣吸收有不同(主要反映在高頻)。

          4)測量出現操作誤差,主要是混響時間測量不準確。等等。其中1、2兩點被稱做“邊緣效應”,是系統誤差。一般高于1的情況多發生在500Hz以上,可認為是系統誤差,計算時需按1處理。

          三、多孔吸聲材料的選擇

          吸聲系數a≥0.2的材料才叫吸聲材料。從多孔吸聲材料的化學性質來區分,目前主要有有機吸聲材料及無機吸聲材料。

          1、無機吸聲材料

          無機吸聲材料主要由鈣、磷等元素組成,無機材料具有不燃、抗老化、耐高低溫以及抗剪強度和抗壓強度高的特點。它們都具有來源廣泛,價格低廉的優勢。但是,尚存在著對操作員的人體健康的危害以及如遺棄后不能降解導致對環境的危害的擔心。

          2、有機吸聲材料

          有機吸聲材料由碳、氫、氧、氮等元素組成,有機纖維吸聲材料一般都能夠在常溫常壓下燃燒,在自然環境里能夠降解。但是,有機纖維往往是可燃材料,有機纖維材料的阻燃性取決于其阻燃劑的質量、穩定性及用量的均勻性,它的防火等級在最理想的配比狀況下是B1級阻燃材料而非A級不燃材料。在消防要求日益嚴格的今天,已影響到有機纖維吸聲材料的使用范圍。

          3、吸聲裝飾材料的發展及選擇

          吸聲裝飾材料的應用日益廣泛,促進了吸聲材料工業的發展,品種規格不斷增加,而且吸聲系數高、材料性能優異以及裝飾效果好。

          四、多孔吸聲材料的使用

          1、吸聲材料的護面裝飾

          由于多孔吸聲材料具有的特性,如果作為裝修面層其應用范圍會受到局限。故在實際使用中,往往設置吸聲材料的護面裝飾層。如穿孔石膏板、金屬穿孔板 鋁合金穿孔板、金屬微穿孔吸聲板、木質吸聲板、金屬箔貼面、布藝飾面等。

          2、墻面吸聲材料的預留空腔

          吸聲材料和隔聲材料的聲學特性首先是與頻率有關,不同頻率的材料吸聲系數和隔聲量是有差異的,與材料的密度、厚度、孔隙率、阻尼等有關。對于同一材料安裝條件如安裝時應預留材料后背空氣層的深度,即所謂的“空腔”。適當的空腔可相當于增加吸聲材料的厚度,有利于提高材料的吸聲系數,特別是低頻頻段吸聲系數的提高。

          3、吸聲材料的設置

          根據賽賓公式,吸聲材料的設置不受具體位置局限,只要在室內任何位置均能達到有效吸聲的目的。鑒于吸聲材料及其護面裝飾層有的多孔的特性,吸聲材料較不適宜安裝在人們可觸摸的位置。最佳的安裝位置是頂棚或天花。如條件許可,將吸聲材料作成空間吸聲體,空間吸聲體可多面吸聲,同等的吸聲材料總表面吸聲面積大于墻面吸聲材料,而且空間吸聲體安裝方便,可根據場館的設計風格,靈活多樣設置。

          五、共振吸聲結構

          當吸聲材料和結構的自振頻率與聲波的頻率一致時,發生共振,聲波激發吸聲材料和結構產生振動,并使振幅達到最大,從而消耗聲能,達到吸聲的目的,因此共振吸聲材料和結構的吸聲特征呈現峰值吸聲的現象,即吸聲系數在某一個頻率達到最大,在離開這個頻率附近的吸聲系數逐漸降低,在遠離這個頻率的頻段則吸聲系數很低。主要對中低頻有很好的吸聲特性。

          1、薄膜吸聲結構

          皮革,人造革,塑料薄膜等具有不透氣、柔軟、受張拉時有彈性等特征,這些材料與其背后的空氣層形成共振系統,吸收共振頻率附近的聲能。  

          通常薄膜的共振頻率在200Hz~1000Hz之間,最大吸聲系數為0.3~0.4,一般可視為中、低頻吸聲材料。

          2、薄板吸聲結構

          玻璃、膠合板、石膏板、石棉水泥板或金屬板也可以作為共振吸聲結構。因為低頻聲比高頻聲更容易激起薄板振動,所以它具有低頻的吸聲特性。工程中常用的薄板共振吸聲結構的共振頻率在80-300Hz之間,其吸聲系數為0.2-0.5。

          六、場館總吸聲量的確定

          1、吸聲結構吸聲系數的確定

          安裝護面裝飾層后,由于護面裝飾層的吸聲系數,穿孔的孔徑、穿孔率等因素的影響,吸聲結構的吸聲系數與吸聲材料的吸聲系數會有一定程度的衰減。所以,有護面裝飾層的穿孔吸聲板、彈性吸聲板、吸聲窗簾的吸聲系數不應以吸聲材料的檢測吸聲系數作為計算依據。應該重新檢測,調整吸聲系數標準或安裝后實際檢測。

          2、吸聲結構有效吸聲面積的確定

          吸聲結構的內安裝龍骨,外包邊及收口會占用部分吸聲結構面積,由此導致減少吸聲結構的有效吸聲面積。所以,實際工程上應考慮到這個因素。應有吸聲結構面積及有效吸聲結構的面積比例的指標。

          3、共振吸聲結構的吸聲量

          在室內裝修中經常用到板材,它們都有一定的共振吸聲效應,其共振吸聲量、吸聲頻率與板材的幾何尺寸和物理常數有關,同時與邊緣固定狀況有關,例如釘子釘多少,釘緊的程度,是否用膠固定等。

          薄板愈厚、飾面處理愈多、薄板單位面積的重量愈大,其吸聲頻率愈低。薄板后面龍骨愈密,其共振吸聲效應愈差,安裝薄板的螺絲釘釘距越稀疏,共振吸聲效應愈好。薄板后的空氣層填充多孔吸聲材料,共振頻率向低頻移動,吸聲頻率范圍也會增加。

          4、非吸聲結構的吸聲量

          在場館的室內總表面積中,裝飾有大量的非通常意義上的吸聲材料。如玻璃、木地板、混凝土水泥砂漿乳膠漆噴涂、木質收邊等等,盡管其吸聲系數α≤0.2而不是作為吸聲材料使用,但由于其表面積往往占室內總表面積50%以上,其吸聲量不可忽視。況且,其吸聲量中低頻部分的比例往往高于所定義的吸聲材料。

          場館的通道、開啟的門窗,均是噪聲無障礙逃逸的通道,其面積基本相當于噪聲的全頻吸收。

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