吸声降噪原理与暖通空调系统应用

利用吸声处理来吸收声能降低噪声的方法是噪声控制的主要措施之一。实践证明，经吸声处理后，室内混响声一般可降低5~10dB。

吸声：声波通过媒质或入射到媒质分解面上时声能的减少过程，称为吸声或声吸收。

一般采用吸声材料来降低室内的混响声，吸声按其机理可分为多孔性吸声材料、共振吸声结构及阻抗复合式吸声结构三大类。

吸声处理一般用于降低室内噪声中的反射声，而对直达噪声则不起作用。

专业基础：

1.直达声场：室内噪声的来源，有通过空气传到受声点的声音，即直达声。从声源直接到达受声点的直达声形成的声场叫直达声场。

2.混响声场：室内噪声的来源，还有通过室内各墙壁面反射到受声点的声音，即混响声。经过房间壁面一次或多次反射后到达受声点的反射形成的声场叫混响声场。在室内声场中，声波每相邻两次反射所经过的路程称为自由程。

由于壁面的声学性质不均匀，房间形状不规则，室内人和物的反射现象十分复杂，经多次反射声场中声音的传播规律依赖于房间的大小和房内各个表面的反射性质。

3.扩散声场：扩散声场是指有声源的房间内，声能量密度处处相等，并且在任何一点上，从各个方向传来的声波几率都相等的声场。

在这种理想化的声场中，声波的相位是无规则的。一般情况下，对于所有内壁面均光滑、坚硬，并且天花板、四壁为一定不规则形状的大房间，声源在室内产生的声场非常接近扩散声场。扩散声场包含直达声场和混响声场，是由两声场叠加形成。

4.混响时间：当室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声能密度衰减到原来的百万之一，即声压级衰减60dB所需要的时间，称为混响时间，记作T，单位为秒。计算公式为：

式中V---房间容积，m3；A---室内总吸声量，m2，

适用条件：室内声音频率低于2000Hz。

5.吸声性能评价：吸声材料或吸声结构的声学性能与频率有关，通常采用吸声系数、吸声量、流阻等三个与频率有关的物理量来评价。

图例：

多孔吸声材料：

构造特征：

材料的孔隙率要高，一般在70%以上，多数达到90%左右；

孔隙应该尽可能细小，且均匀分布；

微孔应该是相互贯通，而不是封闭的；

微孔要向外敞开，使声波易于进入微孔内部。

两个重要条件：

一是具有大量的、均匀的孔隙；

二是孔之间要连通，表面向外敞开。

多孔吸声材料衰减声能有两个原因：

一是粘滞阻力耗能：当声波经过材料表面引起空隙内部空气振动时，空气与固体经络间产生相对运动。由于空气的粘滞性产生相应的粘滞阻力，使振动空气动能不断转化成为热能，从而使声波能量衰减；

二是热交换耗能：声波通过时发生空气绝热压缩升温，与多孔材料的热交换和热传导也衰减声能。

吸声系数：吸声材料吸收的声能与入射的声能比值称为吸声系数。

  ，表示无吸声作用；

  ，表示完全吸收；

一般0﹤α﹤1，α越大，吸声性能越好。

通常当吸声系数α≥0.2时，材料才能被称为吸声材料。α≥0.5的材料就是理想的吸声材料。

吸声系数α的值与入射声波的频率有关：

同一材料对不同频率的声波，其吸声系数有不同的值。

在工程中，常采用125、250、500、1000、2000、4000Hz六个倍频程中心频率吸声系数的算术平均值，来表示某一材料(或结构)的平均吸声系数。

吸声系数α的值与声波的入射角有关：

由于入射角度对吸声系数有较大的影响，不同的入射角其吸声系数不同。

通常规定了三种不同的吸声系数。即：垂直入射吸声系数(驻波管法吸声系数)，用α0表示。它多用于材料性质的鉴定与研究；斜入射吸声系数(应用不多)；无规入射吸声系数αT(混响法吸声系数)。

多孔吸声材料吸声性能的影响因素：

1.材料厚度的影响

材料厚度增加，低频吸声系数增加。

一定的材料,厚度增加一倍,频率特性曲线峰值向低频方向近似移动一个倍频程。fr·d=const.(<500Hz),d=(1/4)λ最佳。

在实际中,中高频噪声一般采用20～50mm的厚度吸声板;对低频吸声要求较高时,则采用50～100mm厚。

2.材料容重的影响

在厚度一定的情况下，增大容重可以提高中低频吸声系数，容重过大反而会降低吸声效果，对于某一种多孔吸声材料容重都有一最佳值。增加容重比增加厚度引起的变化小，容重的选择是第二位的。

3.吸声材料背后空腔的影响

若在材料层与刚性壁之间留一定距离的空腔，可改善对低频的吸声性能，相当于增加了多孔材料的厚度，更经济。空腔增厚，对吸收低频声有利。当腔深近似于入射声波的1/4波长时，吸声系数最大，为1/2波长或其整数倍时，吸声系数最小。实际使用常取腔深50~100mm。

4.流阻的影响：

流阻是空气质点通过材料空隙时的阻力。材料的透气性可以用流阻这一物理参量来定义。在稳态气流下，吸声材料的压力梯度与气流在材料中的流速之比，定义为材料的流阻，单位为Pa·s/m。单位厚度的流阻称为材料的流阻率，单位为Pa·s/m2。

材料流阻低，低频吸声系数很低但中高频吸声系数高；

高流阻材料与低流阻相比，高频吸声系数降低，低中频系数提高。 

5.护面层的影响

多孔材料在使用时加护面层，以固定多孔材料，防止散落。护面层可采用穿孔护面板、金属丝网、塑料网纱、玻璃布、麻布、纱布等。

护面网罩：有塑料纱网、金属丝网、钢板网等。穿孔率高，声质量和声阻忽略不计，有高温、耐腐蚀、高强度要求时用金属网，一般用塑料纱网。

纤维布：有纱布、尼龙布、金属纤维布等。相对声阻率0.1左右，相对声抗率可忽略。主要用于包扎易碎落吸声材料。

塑料薄膜：可起到防水、防潮、防止掉渣的作用。具有声质量，对低频吸声性能的影响可忽略，对高频不利。适用于中低频吸声。

穿孔板：具有优良的机械性能，用于保持形状、承受应力、耐侵蚀的场合。穿孔率一般大于20%。

吸声材料的种类与特点：

1.无机纤维材料类

主要有：玻璃丝、玻璃棉、岩棉、矿渣棉及其制品。其特点：容重小、导热系数小、防火、防水、防潮。

2.泡沫塑料类

主要有：米波罗、氨基甲酸脂泡沫等。其特点：容重小、导热系数小、质软，但易老化、耐火性差。

3.有机纤维材料类

主要有：棉、麻等植物纤维。其特点：成本低，但防火、防蛀、防潮差。

4.吸声建筑材料类

主要有：含有微孔的泡沫砖、泡沫混凝土等。其特点：保温、防潮、耐蚀、耐冻、耐高温。

常用吸声材料的使用情况：

穿孔共振吸声结构的共振频率：

吸声机理：利用空气柱在小孔中的来回磨擦消耗声能，用孔后的腔深来控制吸声峰值的共振频率。

其他吸声结构：

在穿孔板吸声结构中的板后空腔内，按一定要求填充适量多孔吸声材料，就组成了复合吸声结构。吸声材料在板后空腔中的布置有三种形式。

穿孔板吸声结构中加装吸声材料后，增加了孔颈附近的空气摩擦，导致阻力增大，因而可以提高吸声系数并加宽吸声频带。显然，吸声材料越靠近穿孔板，吸声效果越明显，因而在工程实际中进行吸声处理时，往往采取a方案结构。

在某些噪声环境中，为了使用上的方便将吸声材料做成各种几何体(如平板状、球体、圆锥体、圆柱体、棱形体、正方体等)，把它们悬挂在空中，此时吸声材料各个侧面都能与声波接触，起到空间吸声的作用，因此把它们称为空间吸声体。

空间吸声体是由框架、吸声材料(常用多孔材料)和护面结构制成的。吸声体悬挂在室内吸声时，吸声体投影面积与悬挂平面投影面积的比值约等于40％，或占室内总表面积的15％左右，对声音的吸声效率最高。

空间吸声体的特点：悬空悬挂，吸声性能好，便于安装，装拆灵活，节约吸声材料。

该法节省吸声材料，对工厂、企业吸声降噪比较适用。

吸声劈尖：工程中，也经常采用吸声尖劈作为吸声结构。吸声尖劈的结构如图所示。吸声尖劈具有很高的吸声系数，可以达到 0.99，常用于有特殊用途的声学结构的构造。

吸声尖劈的吸声性能与吸声尖劈的总长度L=L1+L2和L1/L2以及空腔的深度H、填充的吸声材料的吸声特性等都有关系，L越长，其低频吸声性能越好。

此外，上述参数之间有一个最佳协调关系，需要在使用时根据吸声的要求进行优化，必要时还需要通过实验加以修正。

薄塑盒式吸声体：

薄塑盒式吸声体也称无规共振吸声结构，是由改性的聚氯乙烯塑料薄片成型制成，外形像个塑料盒扣在塑料基片上。

这种结构的吸声特性和薄片厚度、内墙变化、断面形状及结构后面的空气层厚度等因素有关。塑料薄片的厚度直接影响结构吸声性能的变化。在保证强度的条件下，面层薄片以薄为宜，有利于高频吸收，适当增加基片厚度，可改善低频吸声效果。

结构的断面形式可采用单腔、双腔和多腔结构。

恰当地组合内腔可以有效地拓宽结构的吸声频率范围。

增大结构内腔的容积，可以稳定高频吸声特性。

背后留空气层，可提高低频段的声吸收。

它还具有结构轻、耐腐蚀、易冲洗等优点，因此是一种很有发展前途的吸声结构。

可以考虑采用穿孔板组合。即采用不同穿孔率的多层（一般取两层)穿孔板结构，能使吸声频带增宽，提高2~3个倍频程。

微穿孔板吸声结构也可以组合成双层或多层结构使用，以进一步提高其吸声性能。如果吸收较低的频率，空腔深一些，一般控制在200~300mm以内；如果主要吸收高频声波，则视具体情况，空腔可以减小到100mm以内甚至更小。

几种材料结构的吸声特性：

空调系统最简单降噪方法

通风机的噪声主要分为空气动力噪声和机械噪声，其中以空气动力噪声为主而空气动力噪声又是由涡流噪声和旋转噪声组成的。这两种噪声的大小取决于通风机的结构形式、流量、全压及转速等因素。实验表明，常用的空气处理机组的唤声主要集中在低频区(0~250Hz)和中频区(250~ 1000Hz)两个范围内 空气处理机组的外形尺寸都比较紧凑．安装位置也紧靠要求安静的环境和房间。这些因素都极不利于减小动力噪声，给舒适的空调环境带来了影响。目前空气处理机组的通风机配置主要为二大类；前倾多翼型叶轮通风机和后倾圆弧型叶轮通风机。前者较多用于小机组中，后者配置在大机组中。

实例1

某宾馆的西餐厅．面积约500m。采用的是集中式全空气空调系统。顶部散流器送风集中百叶回风。设计选用1台卧式空气处理机组.回风口位于空调机房的大门上。风口的平均风速为2ms，餐厅中距回风口1m 处的噪声．实测值为68dB(A)。设计时送风设有消声器，但对空调回风未做消声处理 空气处理机组运行时，空气处理机组发出的噪声从回风口传至餐厅。

原因分析：该餐厅的1台空气处理机组的风量为17200m3／h，机组余压为400Pa通风机为前向多翼叶轮型通风机，配置外转子电机，通风机全压为550Pa，电机功率为2×2.2kW，空气处理机组的噪声为70dB(A)根据上述条件，该空气处理机组所配风机的噪声倍频程见表1。

表1

从表1中可以看出，该空调器的噪声主要在125Hz~2000Hz范围内，属于低中频区，在此区域内最佳的降噪措施，应采用在空调器回风口处设阻抗复台消声器以有效降低噪声，但由于受机房场地的限制，空调器的回风口距墙仅约500mm(见图1)，无法在空调器的回风处设置消声器，因此，其能在侧门集中回风口处考虑。

对策：如图2所示，在回风口处制作一处消声箱，其断面尺寸与回风口尺寸一致

取500ram．在箱体内放置ф100玻璃棉筒做消声管。将该消声器固定在回风口上，把整个回风管做成多个阻性直管式消声器。同时为了提高阻性消声器的低频消音效果，增加有效的消音频带宽度，采用密度为32kg/m3的超细玻璃棉，厚度为50mm起回风消声措施。

实例2：

某会议室采用2台吊顶式空气处理机组，该会议室送风系统装设了一只阻抗复合式消声器。其消声效果很好。但在回风口只设一个回风吸声静压箱，结果会议室噪声较大，距回风口1m 处，实测值为60dB(A)。由于采用的是无风道回风，即回风直接由回风口进入空气处理机组，虽然设有回风吸声静压箱，但它基本上不起消声作用。于是，空气处理机组发出的嗡嗡噪声便由回风口传至会议室。

原因分析：该会议室配置的2台吊顶式空气处理机组，单台风量为3000m3／h，机组余压为200Pa。风机为前向多翼型叶轮风机，风机转速1450r／min，配置外转子电机，电机功率0.55kW，空气处理机组的噪声为60dB(A)。根据上述条件及该空气处理机组配置风机的噪声倍频程列于表3

表3：

由表3中可以看出，该空调器的噪声主要在125Hz~1000Hz范围内，属于低频区，在该区域内，消声主要措施应采用抗性消声器。但一方面由于受空间限制，抗性消声器无法加入，另一方面也为了不破坏房间装潢，故只好利用原有的吸声静压箱进行改造。

对策：如图4所示，将原来的吸声静压箱改制成阻性与共性相结合的复合式消声弯头。将导流片制做成微孔板空腔导流片，孔径为1mm，穿孔率3°， 消声弯头内部分为二部分：一部分内填超细玻璃棉，密度25kg／m3，外敷玻璃布和穿孔板，孔板孔径为ф3mm，穿孔率

7O °：另一部分为微孔板空腔．孔板孔径ф2mm，穿孔率5 °，风速按4m／s考虑。

采用此一方法的意图是：一方面利用消声弯头中的微孔板空腔导流片，减少空气涡流及紊流；另一方面利用共振消声器对低频噪声有良好的降噪特性，降低低频区噪声。

结果：经如此改造后，再在距回风口1m 处对噪声进行了实测，结果测出的噪声级为44dB(A)。这表明，这一改造措施的实际消声量为16dB(A)，取得了良好的降噪效果。

实例3：

某综合办公楼的大会议室空调系统．采用的是全空气式系统。空气处理机组的配置是：风量50000m3／h，机组余压500Pa，主风道断面尺寸为2000×600。工程完工使用时，发现主风道穿越的办公室噪声大。经检查，空调送风系统无任何消声措施，主风道的风速达到11m／s，主风道穿越的办公室噪声达65dB(A)。

原因分析：空气处理机组所用通风机为后向圆弧型叶轮通风机，其转速为900r／min，风量为50000m3／h，风机全压为850Pa，机组余压为500Pa，空气处理机组的噪声为68dB(A)，据此，风机的噪声倍频程列于表4：

表4

由表4中可以看出，该空调器的噪声值范围大致在125～2000(Hz)，在此频率区域内采用阻抗复式消声器，当为最佳选择。

对策：由于该工程已经完工，吊顶内有电缆和消防水管等，加之于主风道断面尺寸较大，很难再另行加装消声器。经研究后决定，将系统局部主风道改制成阻抗复合式消声风道。其有效长度尺寸采用1500mm(见图5)，具体做法如图6所示，将每节消声片制成宽70mm，长500mm，内填超细玻璃棉，密度25kg／m ，穿孔板孔径ф7mm，穿孔率7°；微孔共振小室为宽1OOmm，长500ram，共振小室中间用1mm 镀锌钢板隔开，形成2个共振小室，微孔ф2mm，穿孔率5°。在主风道上开一操作口，将制成的消声片和微穿孔共振小室通过操作口放置在主风道内形成阻抗复合式消声风道。

结果经如此处理后，办公室噪声降至45dB(A)以下。办公室的使用不受影响。

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