蜂窩與微穿孔聲學結構研究進展及其 在木結構建筑中的應用?

趙心悅 孫獻娥 楊小軍 黃俁劼 王 正

（1.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037； 2.連云港宮良木業有限公司，江蘇 連云港 222002）

多種建筑類型中，木結構建筑因綠色環保、造型設計靈活、施工周期短等優點深受人們喜愛。同時木結構建筑的環境噪聲控制也一直是人們關注的問題。在GB 50118—2010《民用建筑隔聲設計規范》中對住宅建筑隔聲標準有嚴格的要求，其中住宅臥室和起居室允許噪聲級為A聲級，臥室的晝間應小于或等于45 dB，夜間應小于或等于37 dB；而起居室要求晝夜期間都應小于或等于45 dB[2]。國內外學者對木結構建筑的聲學性能展開研究，認為采用吸聲材料是達到降噪效果最有效的噪聲治理方法。研究者仿照天然蜂巢結構，設計了一種蜂窩夾層結構，該結構由兩塊面板與中間芯層組成，面板為高強度材料以保證足夠的強度，芯層為蜂窩結構，以達到降噪目的。由于蜂窩結構具有優異的隔聲、隔熱與減振性能，并在較輕質量下仍具有較高的強度和剛度，目前在航空航天、醫學、機械、建筑和交通運輸等行業的應用取得了很大進展[3]。我國著名聲學專家馬大猷院士提出微穿孔板吸聲結構，該結構只需在原來面板上進行微穿孔就能產生與大氣聲阻相匹配的聲阻，不需要添加任何聲阻尼材料就可以對聲能進行消耗，可用于汽車、道路交通和建筑等領域的減振降噪。本文主要對國內外蜂窩結構、微穿孔結構及蜂窩與微穿孔體復合結構的相關研究進行介紹，并探討了其在木結構建筑的應用，以期為今后蜂窩與微穿孔結構的深化研究及其在木結構建筑中的應用研究與實踐提供參考。

1 蜂窩隔聲結構性能研究

阻礙噪聲傳播，使噪聲能量減小的結構，稱為隔聲結構[4]，影響其隔聲效果的主要因素如下：1）隔聲結構所用材料的種類、面密度、阻尼和彈性等因素，一般而言，材料的面密度和隔聲效果呈正相關，面密度越大，隔聲量就越高，并且增加材料的阻尼可有效抑制共振效應，從而達到更好的隔聲效果；2）構件的幾何形狀和尺寸；3）噪聲源特性，噪聲源特性不同，隔聲效果也會有所差異，如聲源頻率和聲波的入射角度等。蜂窩結構是一種通過特定的幾何形狀在保證力學強度的同時能提升隔聲性能的隔聲結構。聲波在傳播過程中遇到構件阻隔時會發生聲能耗散，如聲波通過建筑物的墻板和樓蓋時，普通磚墻可以通過反射隔絕部分入射聲波，但仍有一定的聲波透射，而對于木質隔板，則會有更多的聲波透射。因此研究聲波在反射體附近不同介質分界面處的傳播規律，有助于對反射體隔聲理論的分析和研究[4]。

聲波在通過不同介質時發生一定的反射、透射和衍射，會消耗一部分能量，這也是蜂窩夾層結構隔聲的主要原理。當聲波接觸到蜂窩結構表層時，表層的高密度材料相當于聲屏障，能有效阻止直達聲波的傳播，并削弱透射聲和衍射聲[5]。由于空氣是流體，在進行相對運動時會產生內摩擦力，空氣的粘滯性使得聲波在進入蜂窩夾層的空腔中傳播時，將聲能轉化為熱能。此外，當聲波頻率與空氣的固有頻率接近時產生共振，會發生能量轉換，也使一定的聲能被吸收。蜂窩結構的隔聲效果還與結構表板的面密度、厚度及中間空腔層的高度有關，因此在設計時也需要注意蜂窩結構的邊長和壁厚。

國內外學者運用統計能量法、波傳遞法、數值法等對蜂窩夾層結構進行大量試驗研究，并取得顯著成果。Kurtzeh等[6]利用波傳遞法計算夾層結構的總阻抗和結構中彎曲波的傳播速度，并與實驗結果相耦合。Ruzzene[7]通過有限元方法對蜂窩夾層結構的振動和聲輻射進行研究并優化，優化后的整體夾層結構振動可以衰減為零。Rajaram等[8]對蜂窩結構腔內氣體介質與隔聲量關系進行研究，在蜂窩結構腔中充以空氣、氮氣、氬氣和氦氣，測量其隔聲量變化，結果表明：氦氣填充可以大幅提高結構隔聲量，在2～10 kHz范圍內，平均可提高6～8 dB。Wang等[9]對蜂窩夾層結構計算的實驗方法進行研究，并與相關資料中的實驗結果進行對比，結果表明：Biot理論和傳遞矩陣法的計算結果準確性高。Ng等[10]通過理論、模態分析和實驗相結合的方法，以芳綸1313 為材料改善蜂窩夾層結構，結果表明：與傳統隔聲結構相比，該結構在100～250 Hz的低頻范圍內擁有更佳隔聲效果。Wang[11]采用改進的統計能量法，應用連續高階夾層板理論，計算夾層結構中傳播的波數、蜂窩夾層結構的隔聲量，得出理論數據與實驗一致性提高的結論。Zhou等[12]采用統計能量法理論對泡沫填充蜂窩夾層結構的傳聲損失進行預測，并對比實驗結果和預測結果，兩者在一定的頻率范圍內具有高度相似性，說明該實驗方法的預測結果準確。Wang等[13]對正交各向異性蜂窩夾層板進行研究，分析不同材料參數對傳聲性能的影響，結果表明：結構表面夾層板的剪切剛度對傳聲性能的影響十分顯著，在試驗研究時不可忽略該影響因素，否則會造成很大誤差。Palumbo等[14]通過混響室-消聲室法對蜂窩夾層結構的隔聲量進行測試研究，結果表明：增加蜂窩夾芯層中的空洞密度和凹陷程度，可提高蜂窩夾層結構的隔聲性能，可較大幅度提高蜂窩夾層板的傳聲損失。

國內對于蜂窩結構隔聲技術的研究起步較晚，1990 年，黃文超[15]通過實驗測試蜂窩夾層結構的隔聲量，在螺旋槳飛機的駕駛艙中對比蜂窩夾層結構和普通結構的隔聲量，結果表明：蜂窩夾層結構可以有效增強壁板的隔聲降噪性能。王志瑾等[16]采用混響室法對皺褶夾芯形式的蜂窩夾層結構進行隔聲性能研究，通過實驗測試，得到各頻率段影響其隔聲量的主要參數，發現這種特定形式的蜂窩夾層結構隔聲頻率范圍大大增加，在高、中、低頻的隔聲性能均較好。趙穎坤等[17]利用波傳原理和傳遞矩陣法將蜂窩夾層結構應用于水下噪聲控制，對蜂窩夾層結構在水這種特殊介質中的隔聲量進行測定，試驗對比打孔橡膠夾層和均質橡膠夾層兩種材料，結果表明蜂窩夾層結構在低頻的隔聲性能優異。辛鋒先等[18]采用三明治夾層板理論對蜂窩夾層結構進行研究，對比不同的芯層形式得出，六邊形芯層的蜂窩夾層結構隔聲效果相對較好。王盛春等[19]利用電聲類比的方法對蜂窩夾層結構封閉聲腔進行研究，研究表明：蜂窩結構面板增厚以及夾層加高可有效降低空腔中的聲壓，采用相同材料的蜂窩夾層結構在面板厚度較厚或芯層高度較高時，隔聲性能較好。陳浩杰等[20]利用ABAQUS軟件，對比分析蜂窩墻體和普通實心墻體在豎向荷載條件下的受力情況，結果表明：蜂窩結構墻體比實心墻體的抗彎強度更高，同時蜂窩墻體較普通墻體具有更好的隔音性能。

從現有蜂窩隔聲結構性能研究情況看，蜂窩結構質量輕，力學性能良好，具有隔音性能的網狀結構，應用于建筑中可顯著改善聲學環境。利用蜂窩結構控制木結構建筑的中低頻噪聲，提高居住舒適度具有較高的可操作性。但目前蜂窩結構在建筑，尤其是木結構建筑中的應用方面的理論與試驗研究相對較少，對于其在建筑中的具體應用還有待進一步研究與探索。

2 微穿孔吸聲結構性能研究

室內噪聲除外界聲源傳來的直達聲外，還包括直達聲經由墻壁反復發射而產生的混響聲，而吸聲處理能夠有效降低建筑室內的混響聲。吸聲處理是利用材料自身屬性或構造某種結構，使聲波在傳播時消耗聲能，從而達到減震降噪的目的。吸聲結構的吸聲性能用吸聲系數表達，當吸聲系數大于0.2 時，可稱為吸聲結構。微穿孔板是一種典型的共振式吸聲結構，是在穿孔板共振器基礎上發展而來的新型吸聲結構，其特點是孔徑微小，從而具有更大的聲阻，通過計算設計，可以有效改善室內的低、中頻聲環境，具有很好的工程實用價值[5]。

微穿孔結構吸聲原理是當聲波在孔徑中傳播時，由于孔徑較細，孔徑中的各層質點速度會產生梯度并引起摩擦，其中聲波產生摩擦阻尼，使一部分聲能在傳播過程中轉變為熱能，從而達到降噪的目的。而微穿孔后的空腔設計主要是利用亥姆霍茲吸聲原理，即封閉的空腔通過孔與外部空間相聯系，微穿孔板與空氣腔形成空腔共振吸聲結構。

馬大猷院士[21]基于火箭降噪研究創新提出的微穿孔板吸聲結構，通過不同形式的串聯和并聯組合，顯著提高了吸聲性能。在該研究基礎上，國內研究人員針對微穿孔結構進行了深入研究，研究的主要方法有聲電類比法、傳遞函數法、阻抗轉移法和實驗法。張曉杰[22]對多層微穿孔板進行優化設計，結果表明：根據設計參數可以拓寬吸聲頻帶和增大吸聲系數，這為之后的研究提供了參考依據。欒海霞等[23]對雙層串聯的微穿孔結構進行研究，利用聲電類比原理對不同的結構參數進行對比，提出了雙層串聯微穿孔新型結構的設計方法。劉鵬輝等[24]的研究表明：將合理設計的微穿孔結構應用于城市軌道交通的聲屏障結構中，可以顯著提高結構的吸聲性能。張斌等[25]對實驗方法提出優化改進，根據聲的傳播和輻射特性進行計算和對比測試，分析微穿孔板微孔間的相互作用，研究表明：考慮微孔間相互作用可以提高共振頻率和吸聲系數的計算精度。黃景達等[26]根據馬大猷微穿孔理論，針對建筑中的木質人造聲學板的兩種結構（孔加槽結構和變截面結構）進行吸聲系數測試，結果表明：微穿孔結構吸音板中低頻率段吸聲系數顯著提高，拓寬了吸音的頻率，而變截面結構加槽結構在100～150 Hz低頻段的吸聲系數較普通槽高0.15 左右。趙曉丹等[27]對微穿孔板結構聲學性能的計算方法進行對比分析，研究得出，采用聲電類比法計算多層微穿孔板結構聲學特性存在誤差，而阻抗轉移法和傳遞矩陣法計算吸聲系數雖在形式上不同，但本質上是相同的。王玨等[28]對微穿孔板的基體材料、穿孔板層數、微穿孔板組合結構進行分析，并對其在建筑領域中的應用進行闡述。

國外學者對微穿孔結構的吸聲特性以及在不同領域應用的研究也取得了一定的成果。德國議會大廳中透明微穿孔吸聲板的應用，表明該結構可以很大程度改善大廳的聲學環境[29]。Morimoto等[30]研究厚微穿孔板應用中存在的加工困難和孔阻抗過大問題的解決方案，實驗表明：錐形孔可以在不破壞其吸聲性能情況下解決實際應用問題。Toyoda等[31]研究傳統微穿孔吸聲結構，對微孔后的空腔采用了空腔細分技術，通過對空氣腔進行分區，每個單元可以形成局部一維聲場，使亥姆霍茲型共振吸收達到最有效的條件，結果表明：微穿孔后空腔細分結構在中頻段有更好的吸聲性能。Sakagami[32]利用聲電類比法探討微穿孔吸聲結構和板-薄膜吸聲結構的吸聲原理，研究表明：這兩種吸聲結構可以通過轉換穿孔率這一參數進行相互之間的轉換，板-膜型吸收僅在穿孔率為0 時發生；而微穿孔吸收僅在穿孔率不為0 時發生；當穿孔率比為0時，吸收振型由板-膜型轉變為亥姆霍茲共振型。

馬大猷院士提出的微穿孔結構是一種僅僅依靠結構自身特點而不附加其他材料就能實現較寬頻帶的吸聲結構，具有清潔無污染等優點。在此基礎上，一些研究者為拓寬吸聲頻帶進行了一系列改進，例如變截面穿孔板、多層微穿孔以及對微孔后的空腔進行設計等，使微穿孔結構的吸聲性能進一步提高。其中木質穿孔板由于良好的視覺特性，在提高建筑內層的吸聲降噪性能的同時還兼具優良的裝飾性，因而被廣泛應用于室內裝飾[33]。但微穿孔也存在一定的局限性，其吸聲性能主要依賴共振頻率，在共振頻率附近吸聲性能較好，反之則吸聲性能降低；并且微穿孔結構對高頻噪聲有較好的吸聲效果，對中低頻的吸聲效果不顯著，因此對木質穿孔板的結構設計和產品工藝還有待進一步研究。

3 蜂窩與微穿孔體復合結構的聲學性能研究

蜂窩結構多使用薄而輕的網孔形狀，整體質量很小，對中低頻的隔聲效果較好，被廣泛應用于航空航天、艦船及高鐵等領域；微穿孔結構只需在原來面板上進行微穿孔就能產生與大氣聲阻相匹配的聲阻，具有清潔、無污染和耐高溫等優點，廣泛應用于汽車、道路交通和建筑等行業。將這兩種新型聲學結構結合使用，即上下兩個面板和中間六邊蜂窩結構組合，上面板具有與內部蜂窩中心位置對應分布的微穿孔，而在內部蜂窩的中心位置增加分布有微穿孔的板材料，下面板不做處理。傳統微穿孔板的吸聲頻帶較窄，采用多層的微穿孔板則可以拓寬吸聲頻帶，增強吸聲效果。張豐輝[34]提出一種微穿孔蜂窩-波紋復合聲學超材料，實驗結果表明：其能夠在自身厚度為80 mm的情況下，實現在310 Hz時具有0.5 以上吸聲系數，并且在700 Hz時達到聲音完全被吸收的效果。附微穿孔的蜂窩結構通過微穿孔與其后的蜂窩腔可以形成不同形狀的亥姆霍茲共鳴器，根據亥姆霍茲吸聲原理，當聲波的入射頻率達到共振頻率時，蜂窩腔內的氣壓變化會導致腔內空氣劇烈振動，從而將聲能部分轉化為熱能消耗，得到較好的聲學性能。因此，在蜂窩腔中安置微穿孔板，可以提升吸聲效果，當微穿孔面板的穿孔直徑和穿孔率均大于內部微穿孔板的穿孔直徑和穿孔率時，吸聲效果得到提升；當內部微穿孔板的穿孔直徑達到0.2 mm時，吸聲系數顯著增大，吸聲頻帶拓寬；微穿孔板后背腔高度小于內置的微穿孔板后背腔時，吸聲效果較好；當內置雙層微穿孔板時吸聲頻帶拓寬，吸聲效果提高，但需要保證內置微穿孔板的穿孔直徑和穿孔率較小。

蜂窩與微穿孔結構組成的復合結構綜合了蜂窩結構的隔聲性能和微穿孔結構的吸聲性能，具有較為優異的聲學性能，但基于現有研究還無法實現具有最理想聲學性能的結構尺寸設計，微穿孔的穿孔直徑、穿孔率以及蜂窩腔的尺寸等參數均會影響其聲學性能，對于這種復合結構還未形成理想的設計方案，在木結構建筑中的應用也尚無相應的研究[35]。木材作為該復合結構材料時，聲學性能效果尚不理想，為獲得聲學性能優異的聲學結構，仍需進一步研究合適的聲學材料；同時需對微穿孔的孔徑大小、內置穿孔板的數量以及蜂窩結構的腔體直徑大小等參數進行不斷實驗比較，以獲得理想的設計數據。

4 結語

近年來，國內研究者對輕型木結構建筑中填充保溫棉的聲學性能進行了一系列的研究，但對于聲學結構的研究相對較少。今后應在已有研究成果和國內外發布的規范標準基礎上，對蜂窩結構、微穿孔結構在木結構中的應用進行深入探索，以提升木結構建筑聲學性能。如在輕型木結構的墻骨柱框架中采用蜂窩與微穿孔體復合結構替代傳統的保溫棉材料，以有效提高中低頻噪聲的減振降噪性能；對于木建筑樓蓋，則可以在擱柵間隔處填充蜂窩與微穿孔體復合結構，以降低樓板撞擊噪聲；建筑內門中可填充蜂窩結構，既可以提高門的隔聲性能，同時可使其具有良好的剛性和穩定性。此外，為改善木結構建筑的聲學環境，可以在建筑廳堂以及住宅多功能廳的內墻體表面設計微穿孔，使室內聲場分布更為合理，從而解決聲聚焦和聲場不均勻的問題；木結構的大型會議室或階梯教室，可在講臺上部吊頂上設置微穿孔結構，其余吊頂作普通吸聲處理，以提高教室后部的聲壓級和降低低頻混響，改善聲環境。為提高木結構建筑整體的聲學性能，改善居住舒適性，在木結構建筑中引入蜂窩結構、微穿孔結構等新結構技術具有重要現實意義。