常用穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的影響因素分析

楊志剛

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

廳堂音質(zhì)設(shè)計中，吸聲構(gòu)造運用較多的是穿孔吸聲板（以下簡稱“穿孔板”），主要是因為覆面的穿孔板可以與觀眾廳墻面的裝飾風格相一致（圖1～圖3）。穿孔板后襯的吸聲棉通常采用離心玻璃棉。

本文通過專業(yè)吸聲模擬軟件進行模擬分析，采用Beranek正常入射角的吸聲計算模型，以圖表形式直觀地反映影響穿孔板吸聲效果的10種因素。需要說明的是，吸聲模擬軟件模擬吸聲結(jié)果和混響室實測數(shù)據(jù)會有一定的差別，只是從中尋找吸聲系數(shù)的變化規(guī)律，供聲學工程設(shè)計師選用吸聲材料時參考。

1 常用穿孔板的構(gòu)造和吸聲特性

1.1 構(gòu)造節(jié)點

常用穿孔板的構(gòu)造節(jié)點見圖4。

圖1 邯鄲大劇院（木質(zhì)條縫圓孔穿孔板）

圖2 山西大劇院（GRG定制條縫圓孔穿孔板）

圖3 云南大劇院（GRG貼木皮穿孔板）

1.2 吸聲特性

常用穿孔板的吸聲特性是吸聲棉（多孔性材料）的吸聲特性與穿孔板的共振吸聲特性的綜合體現(xiàn)（圖5）。需要說明的是，降噪系數(shù)NRC本為0.05的最小倍數(shù)，為了觀察細微變化規(guī)律，本文NRC的值并沒有取0.05的最小倍數(shù)。密度單位kg/m3，在圖表中簡化為k。

圖4 常用穿孔板的構(gòu)造節(jié)點圖

圖5 穿孔板（A）、吸聲棉（B）以及兩者結(jié)合的吸聲特性圖

吸聲棉的吸聲系數(shù)從低頻到高頻逐漸升高；穿孔板的共振吸聲特性為有一個共振吸聲峰。穿孔板后空腔內(nèi)添加吸聲棉，可以拓寬和增大共振吸聲峰。合理配置這兩種吸聲構(gòu)造可以互相彌補不足，得到所需要的吸聲效果。

2 影響穿孔板吸聲構(gòu)造吸聲效果的因素分析

2.1 穿孔板的厚度

以“墻體+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉+穿孔率10%、孔徑4 mm的穿孔板”吸聲構(gòu)造為例，穿孔板厚度對吸聲系數(shù)的影響見圖6。可以看出，隨著穿孔板厚度增大，吸聲峰向低頻移動，低頻吸聲系數(shù)增大較少，而高頻吸聲系數(shù)減小較多，NRC逐漸減小。

2.2 穿孔板的孔徑

以“墻體+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉+6 mm厚、穿孔率10%或穿孔率20%的穿孔板”吸聲構(gòu)造為例，穿孔板孔徑對吸聲系數(shù)的影響見圖7～圖8。可以看出，在穿孔率10%時，隨著孔徑增大，吸聲峰減小，低頻吸聲系數(shù)增大，高頻吸聲系數(shù)減小，NRC逐漸減小，但變化不大。在穿孔率20%時，隨著孔徑增大，吸聲峰變化不大，低頻吸聲系數(shù)增大，高頻吸聲系數(shù)減小，NRC變化不大。總體來說，穿孔板的孔徑大小對NRC影響不大，但對吸聲系數(shù)的頻率特性還是有一定的影響。

2.3 穿孔板的開孔式樣

以“墻體+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉+6 mm厚、穿孔率20%的穿孔板”吸聲構(gòu)造為例，穿孔板的開孔式樣（圖9）對吸聲系數(shù)的影響見圖10。可以看出，在同樣穿孔率和厚度的情況下，隨著單個孔的面積增大，低、中頻吸聲系數(shù)略有減小，而高頻吸聲系數(shù)略有增大，NRC變化不大。總體來說，穿孔板的開孔式樣對吸聲系數(shù)影響不大。

2.4 穿孔板的穿孔率

圖6 穿孔板厚度對吸聲系數(shù)的影響

圖7 孔徑對吸聲系數(shù)的影響（穿孔率10%）

圖8 孔徑對吸聲系數(shù)的影響（穿孔率20%）

圖9 穿孔板的三種開孔式樣（圓孔、條形孔、條縫）

圖10 穿孔板的開孔式樣對吸聲系數(shù)的影響

圖11 ≤20%穿孔率變化對吸聲系數(shù)的影響

圖12 ≥20%穿孔率變化對吸聲系數(shù)的影響

以“墻體+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉+孔徑5 mm、6 mm厚的穿孔板”吸聲構(gòu)造為例，穿孔板穿孔率對吸聲系數(shù)的影響見圖11～圖12。可以看出，面層增加穿孔板后，低頻吸聲系數(shù)增大，高頻吸聲系數(shù)減小。隨著穿孔率增大，吸聲峰向高頻移動，低頻吸聲系數(shù)逐漸減小（但仍大于無穿孔板的吸聲系數(shù)），而高頻吸聲系數(shù)逐漸增大，并接近無穿孔板的吸聲系數(shù)，NRC先增大后減小，在20%～30%時達到最高。

有關(guān)文獻描述“穿孔率≥20%就對吸聲系數(shù)影響不大”的說法是欠妥的。顯然在20%～30%，高頻的吸聲系數(shù)還是明顯下降。

穿孔率達到50%左右時，高頻吸聲系數(shù)除了4 000 Hz（0.86）和5 000 Hz（0.74）略低以外，其它都在0.9以上。同時，低頻吸聲系數(shù)還有一定的提升。因此，達到50%穿孔率時，在聲學上可以認為對板后吸聲棉的吸聲系數(shù)基本沒有影響。

高頻吸聲系數(shù)在穿孔率達到80%左右時，才接近無穿孔板。這也是劇院揚聲器前面的護面材料通常要求≥80%穿孔率的緣故。

2.5 防護材料

為了避免外界灰塵通過板孔進入離心玻璃棉堵塞孔隙，同時，也為了防止離心玻璃棉散入外界而造成環(huán)境污染，因此，在穿孔板與離心玻璃棉中間都會加一層防護材料。常用的防護材料為無紡布、透聲織物和玻璃纖維薄氈等。

無紡布、透聲織物和玻璃纖維薄氈等對吸聲效果的影響非常微小，可以忽略不計。需要說明的是，玻璃纖維薄氈透聲性能比較好（圖13），不同于室外聲屏障包裹吸聲棉的無堿憎水玻璃絲布（圖14）。由于無堿憎水玻璃絲布涂了特殊防水涂層，其吸聲影響是低頻吸聲有所增大，中高頻吸聲減小較多（圖15）。

如果無紡布和透聲織物表面噴涂或涂刷油漆，將會堵塞透氣孔，相應的聲阻會增大，導致中高頻吸聲系數(shù)大幅下降，低頻吸聲系數(shù)略有提高（圖16）。甘肅定西文化藝術(shù)中心大劇院的GRG裝修面層噴涂油漆時，把孔洞內(nèi)的無紡布也噴涂上油漆（圖17），導致無紡布的透氣孔堵塞，中高頻吸聲系數(shù)大幅下降，表現(xiàn)在實測混響時間的高頻部分偏長。

圖13 透聲性能比較好的玻璃纖維薄氈

圖14 無堿憎水玻璃絲布

圖15 無紡布和玻璃絲布內(nèi)襯對吸聲系數(shù)的影響[1]

圖16 油漆涂層對吸聲系數(shù)的影響[2]

圖17 定西文化藝術(shù)中心（孔內(nèi)無紡布被油漆堵塞）

圖18 鋁箔貼面的離心玻璃棉板

圖19 吸聲棉厚度對吸聲系數(shù)的影響

圖20 吸聲棉密度對吸聲系數(shù)的影響

有些施工單位為了方便，直接采購帶鋁膜（或鋁箔紙）的吸聲棉（多用作風管保溫，圖18）。鋁膜可起到防潮、防塵的作用，對低頻吸聲有提高作用。但是，對高頻的吸聲影響較大，其吸聲特性如同噴了油漆涂刷一度的無紡布。

2.6 吸聲棉的厚度

以“墻體+ 32 kg/m3吸聲棉”吸聲構(gòu)造為例，吸聲棉的厚度對吸聲系數(shù)的影響見圖19。可以看出，隨著吸聲棉的厚度增大，低中頻吸聲系數(shù)明顯增大，高頻吸聲系數(shù)相對增大較少，NRC明顯增大。

2.7 吸聲棉的密度

以“墻體+50 mm吸聲棉”吸聲構(gòu)造為例，吸聲棉的密度對吸聲系數(shù)的影響見圖20。可以看出，隨著吸聲棉的密度增大，低頻吸聲系數(shù)增大，而高頻吸聲系數(shù)減小，NRC略有增加。

2.8 空腔的位置

以“墻體+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉，空腔厚度為50 mm”吸聲構(gòu)造為例，空腔位置對吸聲系數(shù)的影響見圖21。同樣的空腔布置在吸聲棉的前面和后面，吸聲效果有明顯的區(qū)別。顯然，空腔布置在吸聲棉的后面，吸聲效果更好，主要表現(xiàn)在低中頻吸聲系數(shù)得到較大提升；空腔布置在吸聲棉的前面，和沒有空腔的吸聲效果基本一樣。

2.9 吸聲棉后的空腔深度

圖21 空腔位置對吸聲系數(shù)的影響

圖22 空腔深度對吸聲系數(shù)的影響

圖23 濕度變化對吸聲系數(shù)的影響[1]

圖24 溫度變化對吸聲系數(shù)的影響[2]

以“墻體+空腔+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉”吸聲構(gòu)造為例，吸聲棉后的空腔深度對吸聲系數(shù)的影響見圖22。可以看出，隨著吸聲棉后空腔深度的增大，低頻吸聲系數(shù)增大，而高頻吸聲系數(shù)有起伏，NRC增大。總體來說，增加空腔深度，雖然低頻吸聲系數(shù)得到明顯增大，但中高頻也出現(xiàn)明顯的吸聲低谷，而且空腔越大，吸聲低谷越明顯（注：實際測試報告中吸聲低谷并沒那么明顯）。

一般墻體（混凝土或砌塊粉刷墻）都是剛性壁，當空腔深度等于1/4波長的奇數(shù)倍時，相應的頻率可獲得最大的吸聲系數(shù)。因為離剛性壁面1/4波長處的聲壓為零，但空氣質(zhì)點的振動速度最大，因此，材料所起的摩擦阻尼損耗的聲能也最大，從而使材料產(chǎn)生最大的吸聲效果。空腔深度等于1/2波長處的聲壓最大，相應頻率的吸聲系數(shù)最小。

因此，“墻體+空腔+50 mm厚、32 kg/m3吸聲棉”吸聲構(gòu)造的吸聲效果，既包括聲能通過多孔材料摩擦轉(zhuǎn)變成熱能的效果，也有空氣質(zhì)點振動損耗的聲能。

2.10 外界條件

（1）濕度

當濕度較大時，材料孔隙中含水量增大，部分孔隙會被堵塞，吸聲性能下降。從圖23可以看出，含水率在一定范圍內(nèi)（低于50%）時，離心玻璃棉吸聲性能隨含水率變化不明顯；當含水率繼續(xù)增加時，低頻吸聲系數(shù)略有增大，中高頻吸聲系數(shù)大幅減小。

（2）溫度

在常溫下，溫度對吸聲棉的吸聲系數(shù)幾乎沒有影響。溫度變化引起聲波波長變化，因此，吸聲系數(shù)的頻率特性作相應的移動。從圖24可以看出，當?shù)蜏貢r，吸聲系數(shù)的頻率特性向低頻整體移動；當高溫時，吸聲系數(shù)的頻率特性向高頻整體移動。

綜上所述，常用穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的10種影響因素匯總見表1。

3 對實際工程應用的指導價值

劇院觀眾廳的穿孔板多為木質(zhì)、GRG、鋁板或金屬網(wǎng)。由于劇院防火要求越來越高，多要求采用A級防火材料，所以采用木質(zhì)穿孔板將會越來越少。同時，由于揚聲器容易激發(fā)鋁板或金屬網(wǎng)共振（圖25～圖26）而產(chǎn)生噪聲，在劇院中采用的也不多。所以，GRG穿孔板在劇院觀眾廳運用越來越多。

3.1 改善吸聲效果較明顯的措施

增大離心玻璃棉厚度，是提高吸聲效果較明顯的措施，其中低中頻增大最為明顯。增大離心玻璃棉密度和空腔，效果同增大厚度，只是提高吸聲效果稍弱一些。

3.2 空腔一定要設(shè)置在吸聲棉的后方

在實際工程中，聲學設(shè)計通常要求把空腔設(shè)置在吸聲棉的后方（即吸聲棉緊貼穿孔板放置），施工單位則必須在墻體和吸聲棉之間設(shè)置龍骨和金屬網(wǎng)，以避免吸聲棉倒向墻體，施工相對比較麻煩。為了施工方便，很多施工單位經(jīng)常把吸聲棉靠墻放置，結(jié)果就是空腔沒有起到提高吸聲系數(shù)的作用。

表1 常用穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的10種影響因素匯總表

圖25 大連國際會議中心大劇院（鋁穿孔板）

圖26 山西大同大劇院（金屬穿孔網(wǎng)）

3.3 空腔比較大時，應采取措施避免中頻吸聲低谷

降低中頻吸聲低谷的措施主要有四種。

（1）空腔深度不宜大于50 mm

從圖20可以看出，空腔深度不宜超過50 mm，否則，中頻的吸聲低谷就很明顯。

圖27 200 mm空腔、50 mm厚吸聲棉密度變化對吸聲系數(shù)的影響

（2）提高吸聲棉的密度

以中頻吸聲低谷比較明顯的“200 mm空腔”為例，吸聲構(gòu)造為“墻體+200 mm空腔+50 mm厚吸聲棉”。從圖27可以看出，吸聲棉密度達到80 kg/m3，可以有效減緩吸聲低谷，但NRC也整體減小。

（3）提高吸聲棉的厚度

同樣是“200 mm空腔”，吸聲構(gòu)造為“墻體+200 mm空腔+80 kg/m3吸聲棉”。從圖28可以看出，增加吸聲棉厚度，可以有效減緩吸聲低谷。當厚度達到75 mm厚時，吸聲低谷已經(jīng)基本消失。

圖28 200 mm空腔、80 kg/m3吸聲棉厚度變化對吸聲系數(shù)的影響

圖29 增加對應吸聲峰的穿孔板對吸聲系數(shù)的影響

圖30 武威天馬大劇院（GRG擴散穿孔板）

圖31 國家大劇院歌劇廳（后墻織物軟包吸聲板）

圖32 北京天橋藝術(shù)中心大劇院（后墻雪花狀穿孔板）

（4）加上穿孔率10%的穿孔板

以中頻吸聲低谷比較明顯的“200 mm空腔”為例，吸聲最低谷在630 Hz。穿孔率10%的穿孔板的共振吸聲峰也在630 Hz。從圖29可以看出，將兩者結(jié)合（墻體+200 mm空腔+32 kg/m3吸聲棉+孔徑5 mm、6 mm厚、穿孔率10%的穿孔板），增加穿孔率10%的穿孔板確實有效減緩了吸聲低谷，帶來的副作用是高頻吸聲系數(shù)也大幅下降。

3.4 穿孔板還應考慮高頻擴散造型

實際工程中，穿孔板需要和周圍裝飾用材相一致（多為GRG），穿孔板的穿孔率一般并不高，多為5%～20%，如邯鄲大劇院、山西大劇院。由于穿孔率不高，所以高頻（≥2 000 Hz）的吸聲系數(shù)并不高（圖30）。在劇院建筑中，吸聲材料多布置在后墻，既起到調(diào)節(jié)混響時間的作用，又避免來自后墻的回聲。由于穿孔板高頻吸聲系數(shù)并不高，所以，來自后墻的高頻回聲依然有存在的風險。最好的辦法就是穿孔板要做一定的擴散造型。2 000 Hz對應的有效擴散尺度為4.25 cm（1/4波長），也就是說，擴散造型的凹凸尺度變化應不小于4.25 cm。

3.5 采用織物軟包或穿孔率接近50%的格柵

采用織物保護材料或穿孔率≥50%的格柵，對吸聲效果基本沒有影響。因此，采用織物軟包或穿孔率≥50%的格柵是不錯的選擇（圖31～圖32）。