吸聲

聲波在傳播過程中遇到各種固體材料時，一部分聲能被反射，一部分聲能進入到材料內部被吸收，還有很少一部分聲能透射到另一側。通常將入射聲能E_i和反射聲能E_r的差值與入射聲E_i之比值稱為吸聲係數，記為α，即

吸聲係數α的取值在0~1之間。當α=0時，表示聲能全部反射，材料不吸聲；α=1時表示材料吸收全部聲能，沒有反射。吸聲係數α的值越大，表明材料 （或結構）的吸聲性能越好。一般地，α在0.2以上的材料被稱為吸聲材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸聲材料。吸聲係數α的值與入射聲波的頻率有關，同一材料對不同頻率的聲波，其吸聲係數有不同的值。

由於入射角度對吸聲係數有較大的影響，因此，規定了三種不同的吸聲係數。即：垂直入射吸聲係數 （駐波管法吸聲係數），用α0表示，它多用於材料性質的鑑定與研究；斜入射吸聲係數；無規入射吸聲係數αT 。

材料的吸聲性能不僅與材料本身的孔隙率、密度、厚度等結構參數有關，而且與入射聲波的頻率、環境的温度、濕度和氣流等因素有關。實驗表明，吸聲材料 (主要指多孔材料)對中、高頻聲吸收較好，而對低頻聲吸收性能較差，若採用共振吸聲結構則可以改善低頻吸聲性能。

在吸聲降噪過程中，常採用多孔吸聲材料、薄板共振吸聲結構、穿孔板共振吸聲結構和微穿孔板共振吸聲結構等技術來實現減噪目的。雖然這些技術方法都能達到不同程度的減噪目標，並且各有特點，但其吸聲原理有的是不相同的。 ^[2] 

最簡單的空腔共振吸聲結構是亥姆霍茲共振器，它是一個封閉空腔通過一個開口與外部空間相聯繫的結構，如右圖1（a）所示，這種結構，取材方便（穿孔石棉板、膠合板、鋁板等均可用），製作容易（用上述板材製作很容易達到設計要求），且材料本身亦具有足夠強度，因此，在建築上使用很廣泛。

亥姆霍茲共振器的吸聲原理可用右圖來説明，當孔深t和孔徑d遠小於聲波波長時，孔頸中空氣柱的彈性變形很小，可簡化成一質量塊來處理，其作用類似於一個活塞，空腔V中的空氣起着空氣彈簧的作用，它們的組合類似於一垂直懸掛的彈簧振子，如右圖（b）所示，當外界入射波的頻率等於系統的固有頻率f₀時，孔頸中的空氣柱就由於共振而產生劇烈振動，克服摩擦阻力而消耗（吸收）聲能。

多孔材料一直是主要的吸聲材料。有玻璃棉、礦渣棉、無機纖維、合成高分子材料等。在這些材料中，氣泡的狀態有兩種：一種是大部分氣泡成為單個閉合的孤立氣泡，沒有通氣性能;另一種氣泡相互連接成為連續氣泡。噪聲控制中所用的吸聲材料，是指有連續氣泡的材料。

多孔吸聲材料的結構特徵是在材料中具有許許多多貫通的微小間隙，因而具有一定的通氣性。吸聲材料的固體部分，在空間組成骨架 (筋絡)，保持材料的形狀。在筋絡間有大量的空隙，筋絡的作用就是把較大的空隙分隔成許多微小的通路。當聲波入射到多孔材料表面時，可以進入細孔中去，引起孔隙內的空氣和材料本身振動，空氣的摩擦和黏滯作用使振動能 (聲能)不斷轉化為熱能，從而使聲能衰減，消耗一部分聲能，即使有一部分聲能透過材料到達壁面，也會在反射時再次經過吸聲材料，聲能又一次被吸收。

材料的吸聲性能不僅與材料本身的種類有關，而且與入射聲波的頻率、環境的温度、濕度和氣流等因素有關。實驗表明，吸聲材料 (主要指多孔材料)對中、高頻聲吸收較好，而對低頻聲吸收性能較差，若採用共振吸聲結構則可以改善低頻吸聲性能。

薄的板材如鋼板、鋁板、膠合板、塑料板、草紙棉線、石膏板等按一定的孔徑和穿孔率穿上孔，在背後留下一定厚度的空氣層，就構成穿孔板共振吸聲結構。如右圖2所示

穿孔板吸聲結構實際上是由許多單個共振器並聯而成的共振吸聲結構，封閉空腔壁上開一個小孔與外部空氣相通；由於孔徑和孔長度小於聲波波長，孔中的空氣柱彈性形變很小，可以看成無形變的質量塊；腔體中空氣隨聲波做彈性振動，相當於彈簧。入射聲波激發孔頸中空氣柱（類似彈簧）往復運動，與頸壁摩擦，部分聲能轉化為熱能而耗損，達到吸聲目的。當入射聲波的頻率與共振器的固有頻率相同時，發生共振，空氣柱運動加劇，振幅和振速達最大，阻尼也最大，消耗聲能最多，吸聲性能最好。

不同頻率的聲波入射時，這種共振系統會產生不同的響應。當入射聲波的頻率接近系統固有的共振頻率時，系統內空氣的振動很強烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當入射聲波的頻率遠離系統固有的共振頻率時，系統內空氣的振動很弱，因此吸聲的作用很小。這種共振吸聲結構的吸聲係數隨頻率而變化，最高吸聲係數出現在系統的共振頻率處。目前廣泛使用的微穿孔板吸聲結構的吸聲原理也屬於這種類型。

將薄的塑料板、金屬或膠合板等材料的周邊固定在框架 (龍骨)上，並將框架與剛性板壁相結合，這種由薄板與板後的空氣層構成的系統稱為薄板共振吸聲結構，如右圖3所示。

當聲波入射到薄板上時，將激起板面振動，使板發生彎曲變形，由於板和固定支點之間的摩擦，以及板本身的內阻尼，使一部分聲能轉化為熱能損耗，聲波得到衰減。當入射聲波頻率f與薄板共振吸聲結構的固有頻率一致時，產生共振，消耗聲能最大。 ^[3] 

吸聲材料最常用多孔性吸聲材料，有時也可選用柔性材料及膜狀材料等。在工程中，還常將多孔性吸聲材料做成各種幾何體來使用。常用的多孔吸聲材料有玻璃棉、礦渣棉、泡沫塑料、石棉絨、毛氈、木絲板、軟質纖維以及微孔吸聲磚等。

多孔材料一般有纖維類、泡沫類和顆粒類三大類型。纖維類分無機纖維和有機纖維二類。無機纖維類主要有玻璃棉、玻璃絲、礦渣棉、岩棉及其製品等。玻璃絲可製成各種玻璃絲氈。玻璃棉分短棉、超細棉和中級纖維三種。超細玻璃棉是最常用的吸聲材料，具有不燃、防蛀、耐熱、耐腐蝕、抗凍等優點。經過硅油處理的超細玻璃棉，具有防火、防水、防濕的特點。岩棉是一種較新的吸聲材料，它價廉、隔熱、耐高温 （700℃），易於加工成型。有機纖維類的吸聲材料主要有棉麻下腳料、棉絮、稻草、海草、棕絲等，還有甘蔗渣、麻絲等經過加工加壓而製成的各種軟質纖維板。這類有機材料具有價廉、吸聲性能好的特點。

泡沫類吸聲材料主要有脲醛泡沫塑料、氨基甲酸酯泡沫塑料、海綿乳膠、泡沫橡膠等。這類材料的特點是容積密度小、導熱係數小、質地軟。其缺點是易老化、耐火性差。目前用得最多的是聚氨酯泡沫塑料。

顆粒類主要有膨脹珍珠岩、多孔陶土磚、礦渣水泥、木屑石灰水泥等。具有保温、防潮、不燃、耐熱、耐腐蝕、抗凍等優點。