科普丨音響學基礎知識（六）：吸聲材料和吸聲結構的聲學特性

為了解決聲學問題，吸聲材料的研製、生產和應用日顯重要。早些時候，吸聲材料主要用於對音質要求較高的場所，如音樂廳、劇院、禮堂、錄音室、播音室等。後來則在一般建築物內如教室、車間、辦公室、會議室等，為了控制室內雜訊，而廣泛使用吸聲材料。有些材料或構件本身並無多大吸聲效果，但經過打孔、開縫等簡單的機械加工和表面處理，形成吸聲結構，也得到廣泛應用。值得注意的是，吸聲材料往往與隔聲材料結合使用。

下面，「影音新生活」就為大家詳細介紹吸聲材料在室內聲學中發揮的重要作用。

一、吸聲係數和吸聲量

（一）吸聲係數

用以表徵材料和結構吸聲能力的基本參量通常採用吸聲係數。

材料和結構的吸聲特性和聲波入射角度有關。聲波垂直入射到材料和結構表面的吸聲係數，稱為「垂直入射（或正入射）吸聲係數」。當聲波斜向入射時，這時的吸聲係數稱為斜入射吸聲係數。

三種不同吸聲材料的吸聲特性

（二）吸聲量

吸聲係數反映了吸收聲能所佔入射聲能的百分比，它可以用來比較在相同尺寸下不同材料和不同結構的吸聲能力，卻不能反映不同尺寸的材料和構件的實際吸聲效果。用以表徵某個具體吸聲構件的實際吸聲效果的量是吸聲量，它和構件的尺寸大小有關。

二、吸聲材料和吸聲結構的分類

吸聲材料和吸聲機構的種類有很多，根據材料的外觀和構造特徵分類，大致可以歸納為以下幾種：

多孔材料：具有良好的中高頻吸收，背後留有空腔還可以提高高低頻吸收。主要有岩棉、玻璃棉、礦棉、木絲板、聚酯纖維、纖維素噴繪、鋁纖維、燒結鋁、聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫、毛氈等。

板狀材料：以吸收低頻為主。主要有石膏板、硅酸鈣板、密度板、薄鋁板、薄鋼板、膠合板、PC陽光板、彩鋼夾芯板等。

穿孔板：一般以吸收中頻為主，與多孔吸聲材料結合可吸收中高頻，背後大空腔可提高低頻吸收。

成型頂棚吸聲板：視材料吸聲特性而定，背後留有空腔可提高低頻吸收能力。主要有礦棉吸聲裝飾板、岩棉吸聲裝飾板、玻纖頂棚板、木絲吸聲板、鋁纖維板、穿孔鋁板等。

膜狀材料：以吸收中低頻為主，後空腔越大，對低頻吸收越有利。如塑料薄膜、ETFE膜、PTFE膜、帆布、人造革等。

柔性材料：內部氣泡不連通，與多孔吸收材料不同，主要靠共振有選擇地吸收中頻。主要有閉孔海綿、乳膠塊、塑料蜂窩等。

三、共振吸聲結構

建築空間的圍蔽結構和空間中的物體，在聲波激發下會發生振動，振動著的結構和物體由於自身內摩擦和與空氣的摩擦，要把一部分振動能量轉變成熱能而損耗。根據能量守恆定律，這些損耗的能量都是來自激髮結構和物體振動的聲波能量，因此，振動結構和物體都會消耗聲能，產生吸聲效果。結構和物體有各自的固有振動頻率，當聲波頻率與結構和物體的固有頻率相同時，就會發生共振現象。這時，結構和物體的振動最強烈，振幅和振速達到極大值，從而引起能量損耗也最多。因此，吸聲係數在共振頻率處為最大。

一種常有的看法認為：聲場中振動著的物體，尤其是薄板和一些腔體，在共振時會「放大」聲音。這是一種誤解，是把機械力激發物體振動（如樂器）向空氣輻射聲能時的共鳴現象和空氣中聲波激發物體振動時的共振現象混淆了。即使前者，振動物體也不是真正地放大了聲音，而是提高了輻射聲能的效率，使機械激發力做功更有效地轉化成聲能，而振動物體自身還是從激發源那裡吸收能量並加以損耗。

利用共振原理設計的共振吸聲結構一般有兩種：一種是空腔共振吸聲結構，一種是薄板或薄膜吸聲結構。需要指出的是，處於聲場中的所有物體都會在聲波激發下產生振動，只是振動的程度強弱不同而已。有時，一些預先沒有估計到的物體會產生相當大的吸聲，例如大廳中薄金屬皮燈罩，可能在某個低頻頻率發生共振，因為燈多，燈罩展開面積大，結果產生不小的吸聲量。

四、其他吸聲結構

（一）空間吸聲體

室內的吸聲處理，除了把吸聲材料和結構安裝在室內各界面上，還可以用前面所述的吸聲材料和結構做成放置在建築空間內的吸聲體。空間吸聲體有兩個或兩個以上的面與聲波接觸，有效的吸聲面積比投影面積大得多，有時按投影面積計算，其吸聲係數可大於1。對於形狀複雜的吸聲體，實際中多用單個吸聲量來表示其吸聲性能。

空間吸聲體

空間吸聲體可以根據使用場合的具體條件，把吸聲特性的要求與外觀藝術處理結合起來考慮，設計成各種形狀（如平板形、維形、球形或不規則形狀），可收到良好的聲學效果和建築效果。

（二）強吸聲結構

比較典型的強吸聲結構是消聲室，用於各種聲學實驗和測量。室內聲場要求儘可能地接近自由聲場，因此所有界面的吸聲係數應接近於1。

在消聲室等特殊場合，需要房間界面對於在相當低的頻率以上的聲波都具有極高的吸聲係數，有時達到0.99以上。這時必須使用強吸聲結構。

吸聲尖劈是消聲室中常用的強吸聲結構，用棉狀或氈狀多孔吸聲材料，如超細玻璃棉、玻璃棉等填充在框架中，並蒙以玻璃絲布或塑料窗紗等罩面材料製成。

（三）簾幕

紡織品中除了帆布一類因流阻很大、透氣性差而具有膜狀材料的性質以外，大都具有多孔材料的吸聲性能，只是由於它的厚度一般較薄，吸聲效果比厚的多孔材料差。如果幕布、窗帘等離開牆面、窗玻璃有一定距離，恰如多孔材料背後設置了空氣層，儘管沒有完全封閉，對中高頻甚至低頻的聲波仍具有一定的吸聲作用。

（四）洞口

向室外自由聲場敞開的洞口，從室內角度來看，入射到洞口上的聲波完全透過去了，反射為零，即吸聲係數為1。

如果孔洞的尺度比聲波波長小，其吸聲係數將小於1。

洞口如不是朝向自由場，而是朝向一個體積不大、界面吸收較小的房間，則透射過洞口的聲能會有一部分反射回來，此時洞口的吸聲係數小於1。

在劇院中，舞台台口相當於一個大洞口，台口之後的天幕、側幕、布景等有吸聲作用。根據實測，台口的吸聲係數約為0.3~0.5。

（五）人和傢具

處於聲場中的人和傢具都要吸收聲能。因為人和家真很難計算吸聲的有效面積，所以吸聲特性一般不採用吸聲係數表示，而採用個體吸聲量表示，其總吸聲量為個體吸聲量乘以人和傢具的數量。

人的吸收主要是人們穿的衣服的吸收。衣服屬於多孔材料，但衣服常常不是很厚，所以對中高頻聲波的吸收顯著，而低頻則吸收較小。人們的衣服各不相同，並隨時間季節而變化，所以個體吸聲特性有差異，只能用統計平均值來表示。在劇院、會堂、體育館等觀眾密集排列的場合，觀眾吸收還和座位的排列方式、密度、暴露在聲場中的情況等因素有關。

觀眾吸聲的一般特點是：隨著聲波頻率的增加，吸聲係數先是增加，但當頻率高於2000HZ時，吸聲係數又下降。這可能是由於吸聲面相互遮掩引起的，在高頻時這種遮掩作用影響較大。此外，等間距的有規則的座位排列，會因為座位間空隙的空氣共振，在某個頻率，往往在100~200HZ範圍內，引起較大的吸收。空場時，紡織品面料的軟座椅可較好地相當於觀眾的吸收使觀眾廳的空場吸聲情況和滿場時相差不大，這對排練和觀眾到場不多時的演出是有利的。人造革面料的座椅，面層不透氣，對高頻吸收不大；硬板座椅相當於薄板共振吸聲結構。對於密集排列的觀眾席，有時也用吸聲係數表示吸聲特性，這時吸聲量等於吸聲係數乘以觀眾席面積。

（六）空氣吸收

聲音在空氣中傳播，能量會因為空氣的吸收而衰減。空氣吸收主要是由以下三個方面引起的：一是空氣的熱傳導性；二是空氣的黏滯性；三是分子弛豫現象。正常狀態下，前兩種因素引起的吸收比第三種因素引起的吸收小得多，可以忽略。

結語：建築聲環境的形成及其特性，一方面取決於聲源的情況，另一方面取決於建築環境的情況。而建築環境，一方面是指建築空間，另一方面是指形成建築空間的物質實體——按照各種構造和結構方式「結合」起來的材料以及在建築空間中的人和物。

所以，在建築環境中，無論是創造良好的音質還是控制雜訊，都需要了解和把握材料和結構的聲學特性，正確合理地、有效靈活地加以使用和處理。對於建築師來說，把材料和結構的聲學特性和其他建築特性如力學性能、耐火性、吸濕性、耐久性、外觀等結合起來綜合考慮，是尤為重要的。

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