原创 隔声材料设计

1. 隔声材料基本特性

隔声是声波传播途径中的一种降低噪声方法，它的效果要比吸声降噪明显，所以隔声是获得安静声环境的有效措施。根据声波传播方式的不同，通常把隔声分成两类：一类是空气声隔声；另一类是撞击声隔声，又称固体声隔声。一般把通过空气传播的噪声称为空气声，如飞机噪声、汽车喇叭声以及人们唱歌声等。利用墙、门、窗或屏障等隔离在空气中传播的声音就叫做空气声隔声。建筑因机械振动中通过结构产生和传播而来的噪声，如楼板上行走的脚步声、桌椅的拖动声、小孩蹦跳以及开关门窗时的碰撞声等，称为撞击声，又叫结构声或固体声。利用弹性阻尼材料进行隔振或减振的方法来隔离在结构中传播的撞击噪声就叫做撞击声隔声。

　　一般说来，建筑隔声构件的表面应该是比较坚硬密实的材料，对于入射其上的声波具有较强的反射，使透射的声波大大减小，从而起到隔声作用。而吸声材料的表面一般是多孔松软的，对入射其上的声波具有较强吸收和透射，使反射的声波大大减小。这是吸声材料和隔声材料的主要区别。

　　隔声材料如果按照使用场合分类的话，可主要分为建筑用隔声材料、隔声器件以及产品设备内的隔声等。对于空气声建筑隔声材料主要包括墙、门、窗等。这些材料由于主要用于建筑隔声用，它建成后不需要搬动，也不会对重量有较高的要求，因此这类材料一般具有较大的密度和较为经济的成本。而对于产品设备的隔声材料，如乘用车、高速列车、飞机等舱室内隔声材料，需要采用像隔声垫一样的隔声材料。这些材料一般由高分子聚合物构成，由于隔声的质量定理和这些产品的轻量化要求，因此这些隔声垫的密度需要根据实际情况设计。

隔声材料在实际设计和应用时，首先是要求设计噪声频带范围内隔声量尽可能大，结构尽可能轻薄的隔声结构；同时在实际使用中还需要考虑现场密封以及其他组合结构对整体隔声的影响。

2. 单层均匀板隔声的基本特性

图1为单层均匀版隔声特性曲线。从图中可以看到，它主要包含三个区域，即刚度控制区，质量控制区和高频区域。

图1 单层均匀版隔声特性

在低频区域，当声波引起板本身的振动时，则向另一侧辐射的声音也越大，因此这时墙板的隔声越差。对于长宽分别为a和b的矩形简支板，其共振频率fmn为：

可见薄板的共振频率不但与自身的弹性系数有关，还与板的尺寸和周边加载方式有关。因此这使得其隔声性能也与板的尺寸和周边加载方式有关。因此在通常的工程项目中，应该尽量避免隔声材料工作在低频共振区。由板的共振频率计算公式可看到，当板的尺寸较小，其共振频率可能会比较高。因此在实际应用时，对一些小构件的应用和隔声测试时，需要重点注意。

对于质量控制区，目前对于隔声的理论计算均是采用薄板理论，实际上，这时还可以采用声波的波动方程进行计算。图2为这两种理论计算的单层均匀板在质量控制区域频率以上的隔声特性曲线。

图2 单层板隔声两种计算模型对比。a) θi=0，b) θi=π/6，c) θi=π/3，d) θi=2π/5

从图2可以看到，波动法和薄板理论在吻合频率以内，二者相差不大。但在吻合频率之上，二者存在一定的差异。这是由于在吻合频率之上，板已经不能当做薄板了，需要采用严格的波动理论推导。

3. 复合隔声材料的设计

单层墙隔声量受质量定理限制，如使用相同的材料，墙的厚度增加一倍，隔声量只增加6dB，厚度再增加一倍，隔声量也还只增加6dB。显然越是到后来，为了得到6dB 的隔声量付出的代价就越大，自然也越不经济，所以如何能用较少的材料获得足够的隔声能力，这就成为大家所关心的问题。目前常用的双层墙就是一个比较行之有效的方法。

　　对于如下图所示的一个双层复合隔声板。即假定在左图所示的模型中，一平面波pi 在流体媒质（空气或液体）1 中以θ角入射到厚度为l1 的固体媒质2中，再通过厚度为D 的媒质3，（其中媒质3 可以是空气，也可以是多孔吸声材料）到厚度为l2 的固体媒质4 中，最后形成透射波pt。

则在板中采用薄板模型，在吸声材料采用Delany-Bazley经验公式模型，并假定在板和多孔材料界面处法向位移和应力连续，就计算该复合结构的隔声性能如图3所示。可以看到，当这两块板中加入合适的吸声材料后，可大幅提高构件的隔声性能。

图2 复合隔声模型及其隔声性能