共振吸声结构之空腔共振吸声结构

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震动，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混肴了。即使前者振动物体也不是真正的放大了声音，而是提高可辐射声能的效率，使机械激发力做工更有效的转化成声能，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有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，例如大厅中包金属皮灯罩，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。

空腔共振吸声结构

空腔共振吸声结构，是结构中间封闭有一定体积的空腔，并通过有一定深度的小孔和声场空间连通，其吸声机理可以用亥姆霍兹共振器来说明。图12-4（a）为共振器示意图。当孔的深度t和孔径d比声波波长小的多时孔径中的空气柱的弹性变形很小，可以作为质量块来处理。封闭空腔V的体积比孔径大的多，起着空气弹簧的作用，整个系统类似图中（b）所示的弹簧振子。当外界入射声波频率f和系统固有频率f0相等的，孔径中的空气柱就由于共振而产生剧烈振动，

在振动过程中，由于空气柱和孔径侧墙摩擦而消耗声能。

图12-4 空腔共振吸声结构及类比系统

（a）亥姆霍兹器示意图；（b）机械类比系统；（c）穿孔板吸声结构亥姆霍兹共振器的共振频率f可用下式计算：

(12-5)

式中c—声速，一般取34000cm/s

S—颈口面积，cm2；

V—空腔容积，cm3；

t—孔径深度，cm;

δ—开口末端修正量，cm。因为颈部空气柱两端附近的空气也参加振动，所以要对t加以修正。对于直径为d的圆孔，δ=0.8d。

亥姆霍兹共振器在共振频率附近吸声系数较大，而共振频率意外的频段，吸声系数下降很快。吸收频带窄和共振频率较低，是这种吸声结构的特点，因此建筑上较少单独采用。在某些在上环境中，，噪声频谱在低频有十分明显的峰值的，可采用亥姆霍兹共振器组成吸声结构，使其共振频率和在上峰值频率相同，在此频率产生较大吸收。亥姆霍兹共振器可用石膏浇注，也可采用专门制作的带孔径的空心砖或空心砌砖。不同的砌块或一种砌块不同砌筑方式，可组合成多种共振器，达到较宽频带的吸收，见图12-5。如果在空口处放上一些多空材料（如超细玻璃棉、矿棉），或附上一层薄的纺织品，则可提高吸声性能，并使吸收频率范围适当变宽。

各种穿孔板、狭缝板背后设置空气层形成吸声结构，也属于空腔共振吸声结构。这类结构取材方便，并有较好的装饰效果，所以使用较广泛，见图12-6。通常的有穿孔的石膏板、石棉水泥板、胶合板、硬质纤维板、钢板、铝板等。

对于穿孔板吸声结构，相当于许多并列的亥姆霍兹共振器，每一个开孔和背

后的空腔对应，见图12-4（c）。穿孔板吸声结构的共振频率是：

图12-6 穿孔板组合共振吸声结构实例

1---空气层；2---多空吸声材料；3---穿孔板

4---布（玻璃布）等护面层；5---木板条

（Hz）（12-6）

式中c---声速，cm/s；

L---板后空气层厚度，cm；

T---板厚，cm；

δ--空口末端修正量，cm；

P--穿孔率，即穿孔面积与总面积之比。圆孔正方形排列时;

圆孔等边三角形排列时.其中d为孔径，cm；B为空中心距，cm。