空腔共振吸声结构吸声原理

共振吸声结构的吸声原理是：当声波的频率与共振吸声结构的自振频率一致时，发生共振，声波激发共振吸声结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的。

最简单的空腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器，它是一个封闭空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构。各种穿孔板、狭缝板背后设置空气层形成吸声结构，根据它们的吸声机理，均属空腔共振吸声结构。这类结构取材方便，如可用穿孔的石棉水泥板、石膏板、硬质纤维板、胶合板以及金属板等做成。使用这些板材组成一定的结构，可以很容易地根据要求来设计所需要的吸声特性，并在施工中达到设计要求，因材料本身具有足够的强度，故这种材料在建筑中使用较广泛。

空腔共振器可作为单个吸声体、穿孔板共振器或狭缝共振器使用。单个空腔共振器是规格不一的空的陶土容器。它们的有效吸声范围为100—400Hz，属于中低频吸声结构。用按级配搅拌的混凝土制造的带狭缝空腔的标准砌块，称为吸声砌块。是一种新型的空腔共振器。其吸声量在低频时最大，高频时减少。在体育馆、游泳池，工业厂房、机械设备房间等场所采用它作吸声材料是合适的。

穿孔板共振器是在刚性板上穿孔或穿缝，并与墙壁隔开一定距离安装，它实际上是利用了空腔共振器的吸声原理，以形成许多个空腔共振器。影响穿孔板吸声性能的因素是多方面的。在噪声控制工程中，通常把穿孔板共振吸声结构的穿孔率控制在1%—10%的范围内，最高不能超过20%，否则就起不到共振吸声的作用，而仅起到护面板的作用了。为增大吸声系数与提高吸声带宽，可采取以下办法：（1）穿孔板孔径取偏小值，以提高孔内阻尼；（2）在穿孔板后紧密实贴薄膜或薄布材料，以增加孔颈摩擦；（3）在穿孔板后面的空腔中填放一层多孔吸声材料，增加孔颈附近的空气阻力，多子L材料应尽量靠近穿孔板；（4）组合几种不同尺寸的共振吸声结构，分别吸收一小段频带，使总的频带变宽。通过采取以上措施，可使吸声系数达到0.9以上，吸声带宽可达2—3个倍频程。

自中国著名的声学家马大猷在20世纪70年代提出穿孔板、微穿孔板理论并构建了其吸声机制模型及其精确解以来，微穿孔板得到了广泛的应用。后续研究工作者从优化设计和工程应用的角度出发，发展了穿孔板及其微穿孔理论，对其实际应用进行了理论方面的深入研究，获得了丰硕的研究成果。

穿孔板与微穿孔板是充分利用其与后部空腔内的空气层形成共振作用而有效吸声，一般只在特定频段具有良好的吸声性能。这一特定频段与空腔深度密切相关，为使结构在低频段具有良好的吸声性能，空腔深度必须很深; 由于这种结构的吸声性能只发生在较窄的频段，为了拓宽吸声频段，提出了双层微穿孔板理论，但实际运用中存在安装问题。为了解决这个问题，在穿孔板的空腔中加入多孔材料，以改变微穿孔板末端的辐射阻抗以及孔腔的声阻抗，从而在较宽的频段内获得较好的吸声性能，有利于实际应用。综合性能优异的高分子吸声材料获得了广泛应用。高分子聚合物由于具有优良的黏弹性和内阻尼特性，有利于将阻尼与其他吸声机制融于一体，从而改善材料的吸声性能。

复合材料后的穿孔板充当了空气层的作用; 随穿孔板的孔隙率增加，复合结构的共振频率没有发生变化，只是在共振作用区域的吸声系数有了增大，说明共振频率与膜后的孔腔深度有关，而与孔腔内空气量无关; 在这种结构中，穿孔板的孔隙率越大，则复合材料后空气与孔壁作用的表面积越大，这样在共振作用频率附近的空气黏滞作用越大，从而在共振作用频域的吸声系数越大。

吸声结构可以分为三类。多孔吸声结构、共振吸声结构和特殊吸声结构。其中多孔吸声结构包括纤维，颗粒，泡沫吸声结构；共振吸声结构包括单个共振器吸声结构，穿孔板共振吸声结构；特殊吸声结构包括空间吸声器，吸声劈尖，吸声屏。

吸声空腔共振吸声结构

最简单的空腔共振吸声结构是亥姆霍兹共振器，它是一个封闭空腔通过一个开口与外部空间相联系的结构，如右图1（a）所示，这种结构，取材方便（穿孔石棉板、胶合板、铝板等均可用），制作容易（用上述板材制作很容易达到设计要求），且材料本身亦具有足够强度，因此，在建筑上使用很广泛。

亥姆霍兹共振器的吸声原理可用右图来说明，当孔深t和孔径d远小于声波波长时，孔颈中空气柱的弹性变形很小，可简化成一质量块来处理，其作用类似于一个活塞，空腔V中的空气起着空气弹簧的作用，它们的组合类似于一垂直悬挂的弹簧振子，如右图（b）所示，当外界入射波的频率等于系统的固有频率f₀时，孔颈中的空气柱就由于共振而产生剧烈振动，克服摩擦阻力而消耗（吸收）声能。

吸声多孔吸声材料的吸声原理

多孔材料一直是主要的吸声材料。有玻璃棉、矿渣棉、无机纤维、合成高分子材料等。在这些材料中，气泡的状态有两种：一种是大部分气泡成为单个闭合的孤立气泡，没有通气性能;另一种气泡相互连接成为连续气泡。噪声控制中所用的吸声材料，是指有连续气泡的材料。

多孔吸声材料的结构特征是在材料中具有许许多多贯通的微小间隙，因而具有一定的通气性。吸声材料的固体部分，在空间组成骨架 (筋络)，保持材料的形状。在筋络间有大量的空隙，筋络的作用就是把较大的空隙分隔成许多微小的通路。当声波入射到多孔材料表面时，可以进入细孔中去，引起孔隙内的空气和材料本身振动，空气的摩擦和黏滞作用使振动能 (声能)不断转化为热能，从而使声能衰减，消耗一部分声能，即使有一部分声能透过材料到达壁面，也会在反射时再次经过吸声材料，声能又一次被吸收。

材料的吸声性能不仅与材料本身的种类有关，而且与入射声波的频率、环境的温度、湿度和气流等因素有关。实验表明，吸声材料 (主要指多孔材料)对中、高频声吸收较好，而对低频声吸收性能较差，若采用共振吸声结构则可以改善低频吸声性能。

吸声穿孔板共振吸声结构

薄的板材如钢板、铝板、胶合板、塑料板、草纸棉线、石膏板等按一定的孔径和穿孔率穿上孔，在背后留下一定厚度的空气层，就构成穿孔板共振吸声结构。如右图2所示

穿孔板吸声结构实际上是由许多单个共振器并联而成的共振吸声结构，封闭空腔壁上开一个小孔与外部空气相通；由于孔径和孔长度小于声波波长，孔中的空气柱弹性形变很小，可以看成无形变的质量块；腔体中空气随声波做弹性振动，相当于弹簧。入射声波激发孔颈中空气柱（类似弹簧）往复运动，与颈壁摩擦，部分声能转化为热能而耗损，达到吸声目的。当入射声波的频率与共振器的固有频率相同时，发生共振，空气柱运动加剧，振幅和振速达最大，阻尼也最大，消耗声能最多，吸声性能最好。

不同频率的声波入射时，这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接近系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射声波的频率远离系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声系数出现在系统的共振频率处。目前广泛使用的微穿孔板吸声结构的吸声原理也属于这种类型。

吸声薄板吸声结构

将薄的塑料板、金属或胶合板等材料的周边固定在框架 (龙骨)上，并将框架与刚性板壁相结合，这种由薄板与板后的空气层构成的系统称为薄板共振吸声结构，如右图3所示。

当声波入射到薄板上时，将激起板面振动，使板发生弯曲变形，由于板和固定支点之间的摩擦，以及板本身的内阻尼，使一部分声能转化为热能损耗，声波得到衰减。当入射声波频率f与薄板共振吸声结构的固有频率一致时，产生共振，消耗声能最大。