场馆设计中吸声材料的应用

宋继萍（厦门嘉达环保建造工程有限公司，福建 厦门 361010）

场馆的噪声混响问题，困扰众多业主和装修设计、施工单位。装修豪华的场馆启用时经常发觉噪声混响（即通常所说的回声）严重。使用时，人们虽然感到声音很响，但听到的是一片嘈杂，令人心烦，极大地影响了场馆的使用功能。能够满足使用的声学功能是场馆装饰的重要的指标，特别是音乐厅、剧场、电影院、歌舞厅、录音室、演播室及监听室等尤为重要。

1 影响混响时间的主要因素

1.1 描述混响效果的指标

描述混响效果的指标是混响时间，它是室内声源停止发声后，声压级衰减60dB所经历的时间，单位是秒。混响是房间中声音被界面不断反射而积累的结果，混响可以使室内的声音增加15dB，但同时会降低声音的清晰度。

1.2 混响时间的的检测及计算方法

混响时间与室内吸声存在数学关系，可根据赛宾公式进行估算。

赛宾公式：T=0.161V/Sα

T60=0.161V/4mV- S ln(1-α)

其中：T60—混响时间（s）

0.161 —与声速有关的常数

V—房间容积（m³）

m—空气中声衰减系数（mˉ¹）

S—室内总表面积（m²）

α—平均吸声系数。

由塞宾公式可以看出，房间体积越大混响时间越长；平均吸声系数越大，混响时间越短。由于室内吸声与频率有关，不同频率的混响时间也有所不同，房间音质指标常指的是中频（500Hz-1000Hz）混响时间。

1.3 较理想的混响时间

对于音乐演奏的空间，如音乐厅、剧场等，需要混响效果使乐曲更加舒缓而愉悦。对于语言使用的空间，如电影院、教室、礼堂、录音室等需要减少混响使讲话更加清晰。据研究，就较理想的混响时间而言（中频），音乐厅为1.8-2.2秒，剧院为1.3-1.5秒，多功能礼堂为1.0-1.4秒，电影院为0.6-1.0秒，教室为0.4-0.8秒，录音室为0.2-0.4秒，体育馆为低于2.0秒，专业馆为小于2.5秒。125Hz、250Hz、2000Hz、4000Hz频率混响时间相对于500Hz-1000Hz的比值尽量平直，但允许适当调整。同时，随着场馆容积的增加而混响时间适当延长。

《体育建筑设计规范》(JGJ 31-2003) 第9.0.10规定：体育馆的混响时间应以80%的观众数为满座，并以此作为设计计算和验收的依据。观众座椅数增加总展开面积，也会增加总吸声面积，对减少混响时间各有利弊，主要取决于观众座椅的使用材料及造型。观众人数增加一定会增加吸声量，在某种条件下，增加吸声量可占总吸声量的30%以上。但由于人数是随机的，在声学设计中，应以相应的空场折算值作为设计指标。

2 多孔吸声材料及其吸声系数

2.1 吸声材料的定义

多孔吸声材料的吸声机理是材料内部有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料的黏滞阻力作用发生摩擦，使声能转化为热能而损耗。

2.2 吸声材料的吸声系数α

材料的吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，叫吸声系数α，它是目前表征吸声性能最常用的参数。定义为：声波入射材料表面时，材料的吸收性声能和透射声与入射到材料表面的声能之比。不同的材料和相同的材料不同的厚度、密度均具有不同的吸声系数，影响吸声材料的吸声系数α的主要因素有：材料的流阻Rf、材料的孔隙率q、和材料孔隙排列状况的结构因子S。流阻与材料两边的静压差Δp与通过材料孔隙的气流线速度υ的关系为Rf = Δp/υ。理论上，如果某种材料的入射声能被完全反射时，表示无吸声作用α=0；当入射声波完全没有被反射时，表示完全被吸收α=1。

一般所说材料的吸声系数a是一个概括性的说法。事实上，所有材料的不同频率上会有不同的吸声系数a，均介于0和1之间，也就是不可能全部反射，也不可能全部吸收。根据吸声材料对声波的不同频率具体吸收的声能来确定该频率的吸声系数a，一般来说，低频噪声的吸声系数较低，应根据声学设计来确定各倍频程的总吸声量。任何吸声材料都不可能全频吸收，即使是公认的吸声效果最好的吸声尖劈结构，它也有对应的最低吸声频率，称为截止频率，在截止频率以下，它的吸声系数也不尽人意。

2.3 出现吸声系数α≥1的原因

在实验室检测时，会出现吸声材料的吸声系数 α＞1的情况，主要原因有如下几点：

材料边缘封堵不严，有部分声音被边缘处吸收了。

当吸声系数很高的材料放入混响室会造成混响室声场均匀度严重破坏，致使赛宾公式失效，不同测量点时测量出现误差。

测量前后混响室相对湿度差异很大，造成空气吸收有不同（主要反映在高频）。

测量出现操作误差，主要是混响时间测量不准确。其中1、2两点被称做“边缘效应”，是系统误差。一般高于1的情况多发生在500Hz以上，可认为是系统误差，计算时需按1处理。

3 多孔吸声材料的选择

平均吸声系数a≥0.2的材料才叫吸声材料，平均吸声系数a≥0.8的材料称之为强吸声材料。从多孔吸声材料的化学性质来区分，目前主要有有机吸声材料及无机吸声材料。

3.1 无机吸声材料

无机吸声材料主要由钙、磷等元素组成，无机材料具有不燃、抗老化、耐高低温以及抗剪强度和抗压强度高的特点。矿渣棉、岩棉、超细玻璃纤维棉、膨胀珍珠岩、膨涨秄石、陶粒等吸声材料。它们都具有来源广泛，价格低廉的优势。但是，尚存在着对操作员的人体健康的危害以及如遗弃后不能降解导致对环境的危害的担心。

3.2 有机吸声材料

有机吸声材料由碳、氢、氧、氮等元素组成，有机纤维吸声材料一般都能够在常温常压下燃烧，在自然环境里能够降解。但是，有机纤维往往是可燃材料，有机纤维材料的阻燃性取决于其阻燃剂的质量、稳定性及用量的均匀性，它的防火等级在最理想的配比状况下是B1级阻燃材料而非A级不燃材料。在消防要求日益严格的今天，已影响到有机纤维吸声材料的使用范围。

3.3 吸声装饰材料的发展及选择

吸声装饰材料的应用日益广泛，促进了吸声材料工业的发展，品种规格不断增加，而且吸声系数高、材料性能优异以及装饰效果好。

4 多孔吸声材料的使用

4.1 吸声材料的护面装饰

由于多孔吸声材料具有的特性，如果作为装修面层其应用范围会受到局限。故在实际使用中，往往设置吸声材料的护面装饰层。如穿孔石膏板、金属穿孔板、铝合金穿孔板、金属微穿孔吸声板、木质吸声板、金属箔贴面、布艺饰面等。

4.2 墙面吸声材料的预留空腔

吸声材料和隔声材料的声学特性首先是与频率有关，不同频率的材料吸声系数和隔声量是有差异的，与材料的密度、厚度、孔隙率、阻尼等有关。对于同一材料安装条件如安装时应预留材料后背空气层的深度，即所谓的“空腔”。适当的空腔可相当于增加吸声材料的厚度，有利于提高材料的吸声系数，特别是低频频段吸声系数的提高。

4.3 吸声材料的设置

根据赛宾公式，吸声材料的设置不受具体位置局限，只要在室内任何位置均能达到有效吸声的目的。鉴于吸声材料及其护面装饰层有的多孔的特性，吸声材料较不适宜安装在人们可触摸的位置。最佳的安装位置是顶棚或天花。如条件许可，将吸声材料作成空间吸声体，空间吸声体可多面吸声，同等的吸声材料总表面吸声面积大于墙面吸声材料，而且空间吸声体安装方便，可根据场馆的设计风格，灵活多样设置。

5 共振吸声结构

当吸声材料和结构的自振频率与声波的频率一致时，发生共振，声波激发吸声材料和结构产生振动，并使振幅达到最大，从而消耗声能，达到吸声的目的，因此共振吸声材料和结构的吸声特征呈现峰值吸声的现象，即吸声系数在某一个频率达到最大，在离开这个频率附近的吸声系数逐渐降低，在远离这个频率的频段则吸声系数很低。主要对中低频有很好的吸声特性。

5.1 薄膜吸声结构

皮革、人造革、塑料薄膜等具有不透气、柔软、受张拉时有弹性等特征，这些材料与其背后的空气层形成共振系统，吸收共振频率附近的声能。

通常薄膜的共振频率在200Hz～1000Hz之间，最大吸声系数为0.3～0.4，一般可视为中、低频吸声材料。

5.2 薄板吸声结构

玻璃、胶合板、石膏板、石棉水泥板或金属板均可以作为共振吸声结构。因为低频声比高频声更容易激起薄板振动，所以它具有低频的吸声特性。工程中常用的薄板共振吸声结构的共振频率在80-300Hz之间，其吸声系数为0.2-0.5。

6 场馆总吸声量的确定

6.1 吸声结构吸声系数的确定

安装护面装饰层后，由于护面装饰层的吸声系数，穿孔的孔径、穿孔率等因素的影响，吸声结构的吸声系数与吸声材料的吸声系数会有一定程度的衰减。所以，有护面装饰层的穿孔吸声板、弹性吸声板、吸声窗帘的吸声系数不应以吸声材料的检测吸声系数作为计算依据。应该重新检测，调整吸声系数标准或安装后实际检测。

6.2 吸声结构有效吸声面积的确定

吸声结构的内安装龙骨，外包边及收口会占用部分吸声结构面积，由此导致减少吸声结构的有效吸声面积。所以，实际工程上应考虑到这个因素。应有吸声结构面积及有效吸声结构的面积比例的指标。

6.3 共振吸声结构的吸声量

在室内装修中经常用到板材，它们都有一定的共振吸声效应，其共振吸声量、吸声频率与板材的几何尺寸和物理常数有关，同时与边缘固定状况有关，例如钉子钉多少，钉紧的程度，是否用胶固定等。

薄板愈厚、饰面处理愈多、薄板单位面积的重量愈大，其吸声频率愈低。薄板后面龙骨愈密，其共振吸声效应愈差，安装薄板的螺丝钉钉距越稀疏，共振吸声效应愈好。薄板后的空气层填充多孔吸声材料，共振频率向低频移动，吸声频率范围也会增加。

6.4 非吸声结构的吸声量

在场馆的室内总表面积中，装饰有大量的非通常意义上的吸声材料。如玻璃、木地板、混凝土水泥砂浆乳胶漆喷涂、木质收边等等，尽管其吸声系数α≤0.2而不是作为吸声材料使用，但由于其表面积往往占室内总表面积50%以上，其吸声量不可忽视。况且，其吸声量中低频部分的比例往往高于所定义的吸声材料。

场馆的通道、开启的门窗，均是噪声无障碍逃逸的通道，其面积基本相当于噪声的全频吸收。

[1]章奎生.演艺建筑工程与建筑声学专业的发展和思考[J].噪声与振动控制，2009.6.5.

[2]听府网留言[Z].清华大学建筑声学网

[3]JGJ/T131-2000.体育馆声学设计及测量规程[S].2000.