蜂窝与微穿孔声学结构研究进展及其 在木结构建筑中的应用∗

赵心悦 孙献娥 杨小军 黄俣劼 王 正

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037； 2.连云港宫良木业有限公司，江苏 连云港 222002）

多种建筑类型中，木结构建筑因绿色环保、造型设计灵活、施工周期短等优点深受人们喜爱。同时木结构建筑的环境噪声控制也一直是人们关注的问题。在GB 50118—2010《民用建筑隔声设计规范》中对住宅建筑隔声标准有严格的要求，其中住宅卧室和起居室允许噪声级为A声级，卧室的昼间应小于或等于45 dB，夜间应小于或等于37 dB；而起居室要求昼夜期间都应小于或等于45 dB[2]。国内外学者对木结构建筑的声学性能展开研究，认为采用吸声材料是达到降噪效果最有效的噪声治理方法。研究者仿照天然蜂巢结构，设计了一种蜂窝夹层结构，该结构由两块面板与中间芯层组成，面板为高强度材料以保证足够的强度，芯层为蜂窝结构，以达到降噪目的。由于蜂窝结构具有优异的隔声、隔热与减振性能，并在较轻质量下仍具有较高的强度和刚度，目前在航空航天、医学、机械、建筑和交通运输等行业的应用取得了很大进展[3]。我国著名声学专家马大猷院士提出微穿孔板吸声结构，该结构只需在原来面板上进行微穿孔就能产生与大气声阻相匹配的声阻，不需要添加任何声阻尼材料就可以对声能进行消耗，可用于汽车、道路交通和建筑等领域的减振降噪。本文主要对国内外蜂窝结构、微穿孔结构及蜂窝与微穿孔体复合结构的相关研究进行介绍，并探讨了其在木结构建筑的应用，以期为今后蜂窝与微穿孔结构的深化研究及其在木结构建筑中的应用研究与实践提供参考。

1 蜂窝隔声结构性能研究

阻碍噪声传播，使噪声能量减小的结构，称为隔声结构[4]，影响其隔声效果的主要因素如下：1）隔声结构所用材料的种类、面密度、阻尼和弹性等因素，一般而言，材料的面密度和隔声效果呈正相关，面密度越大，隔声量就越高，并且增加材料的阻尼可有效抑制共振效应，从而达到更好的隔声效果；2）构件的几何形状和尺寸；3）噪声源特性，噪声源特性不同，隔声效果也会有所差异，如声源频率和声波的入射角度等。蜂窝结构是一种通过特定的几何形状在保证力学强度的同时能提升隔声性能的隔声结构。声波在传播过程中遇到构件阻隔时会发生声能耗散，如声波通过建筑物的墙板和楼盖时，普通砖墙可以通过反射隔绝部分入射声波，但仍有一定的声波透射，而对于木质隔板，则会有更多的声波透射。因此研究声波在反射体附近不同介质分界面处的传播规律，有助于对反射体隔声理论的分析和研究[4]。

声波在通过不同介质时发生一定的反射、透射和衍射，会消耗一部分能量，这也是蜂窝夹层结构隔声的主要原理。当声波接触到蜂窝结构表层时，表层的高密度材料相当于声屏障，能有效阻止直达声波的传播，并削弱透射声和衍射声[5]。由于空气是流体，在进行相对运动时会产生内摩擦力，空气的粘滞性使得声波在进入蜂窝夹层的空腔中传播时，将声能转化为热能。此外，当声波频率与空气的固有频率接近时产生共振，会发生能量转换，也使一定的声能被吸收。蜂窝结构的隔声效果还与结构表板的面密度、厚度及中间空腔层的高度有关，因此在设计时也需要注意蜂窝结构的边长和壁厚。

国内外学者运用统计能量法、波传递法、数值法等对蜂窝夹层结构进行大量试验研究，并取得显著成果。Kurtzeh等[6]利用波传递法计算夹层结构的总阻抗和结构中弯曲波的传播速度，并与实验结果相耦合。Ruzzene[7]通过有限元方法对蜂窝夹层结构的振动和声辐射进行研究并优化，优化后的整体夹层结构振动可以衰减为零。Rajaram等[8]对蜂窝结构腔内气体介质与隔声量关系进行研究，在蜂窝结构腔中充以空气、氮气、氩气和氦气，测量其隔声量变化，结果表明：氦气填充可以大幅提高结构隔声量，在2～10 kHz范围内，平均可提高6～8 dB。Wang等[9]对蜂窝夹层结构计算的实验方法进行研究，并与相关资料中的实验结果进行对比，结果表明：Biot理论和传递矩阵法的计算结果准确性高。Ng等[10]通过理论、模态分析和实验相结合的方法，以芳纶1313 为材料改善蜂窝夹层结构，结果表明：与传统隔声结构相比，该结构在100～250 Hz的低频范围内拥有更佳隔声效果。Wang[11]采用改进的统计能量法，应用连续高阶夹层板理论，计算夹层结构中传播的波数、蜂窝夹层结构的隔声量，得出理论数据与实验一致性提高的结论。Zhou等[12]采用统计能量法理论对泡沫填充蜂窝夹层结构的传声损失进行预测，并对比实验结果和预测结果，两者在一定的频率范围内具有高度相似性，说明该实验方法的预测结果准确。Wang等[13]对正交各向异性蜂窝夹层板进行研究，分析不同材料参数对传声性能的影响，结果表明：结构表面夹层板的剪切刚度对传声性能的影响十分显著，在试验研究时不可忽略该影响因素，否则会造成很大误差。Palumbo等[14]通过混响室-消声室法对蜂窝夹层结构的隔声量进行测试研究，结果表明：增加蜂窝夹芯层中的空洞密度和凹陷程度，可提高蜂窝夹层结构的隔声性能，可较大幅度提高蜂窝夹层板的传声损失。

国内对于蜂窝结构隔声技术的研究起步较晚，1990 年，黄文超[15]通过实验测试蜂窝夹层结构的隔声量，在螺旋桨飞机的驾驶舱中对比蜂窝夹层结构和普通结构的隔声量，结果表明：蜂窝夹层结构可以有效增强壁板的隔声降噪性能。王志瑾等[16]采用混响室法对皱褶夹芯形式的蜂窝夹层结构进行隔声性能研究，通过实验测试，得到各频率段影响其隔声量的主要参数，发现这种特定形式的蜂窝夹层结构隔声频率范围大大增加，在高、中、低频的隔声性能均较好。赵颖坤等[17]利用波传原理和传递矩阵法将蜂窝夹层结构应用于水下噪声控制，对蜂窝夹层结构在水这种特殊介质中的隔声量进行测定，试验对比打孔橡胶夹层和均质橡胶夹层两种材料，结果表明蜂窝夹层结构在低频的隔声性能优异。辛锋先等[18]采用三明治夹层板理论对蜂窝夹层结构进行研究，对比不同的芯层形式得出，六边形芯层的蜂窝夹层结构隔声效果相对较好。王盛春等[19]利用电声类比的方法对蜂窝夹层结构封闭声腔进行研究，研究表明：蜂窝结构面板增厚以及夹层加高可有效降低空腔中的声压，采用相同材料的蜂窝夹层结构在面板厚度较厚或芯层高度较高时，隔声性能较好。陈浩杰等[20]利用ABAQUS软件，对比分析蜂窝墙体和普通实心墙体在竖向荷载条件下的受力情况，结果表明：蜂窝结构墙体比实心墙体的抗弯强度更高，同时蜂窝墙体较普通墙体具有更好的隔音性能。

从现有蜂窝隔声结构性能研究情况看，蜂窝结构质量轻，力学性能良好，具有隔音性能的网状结构，应用于建筑中可显著改善声学环境。利用蜂窝结构控制木结构建筑的中低频噪声，提高居住舒适度具有较高的可操作性。但目前蜂窝结构在建筑，尤其是木结构建筑中的应用方面的理论与试验研究相对较少，对于其在建筑中的具体应用还有待进一步研究与探索。

2 微穿孔吸声结构性能研究

室内噪声除外界声源传来的直达声外，还包括直达声经由墙壁反复发射而产生的混响声，而吸声处理能够有效降低建筑室内的混响声。吸声处理是利用材料自身属性或构造某种结构，使声波在传播时消耗声能，从而达到减震降噪的目的。吸声结构的吸声性能用吸声系数表达，当吸声系数大于0.2 时，可称为吸声结构。微穿孔板是一种典型的共振式吸声结构，是在穿孔板共振器基础上发展而来的新型吸声结构，其特点是孔径微小，从而具有更大的声阻，通过计算设计，可以有效改善室内的低、中频声环境，具有很好的工程实用价值[5]。

微穿孔结构吸声原理是当声波在孔径中传播时，由于孔径较细，孔径中的各层质点速度会产生梯度并引起摩擦，其中声波产生摩擦阻尼，使一部分声能在传播过程中转变为热能，从而达到降噪的目的。而微穿孔后的空腔设计主要是利用亥姆霍兹吸声原理，即封闭的空腔通过孔与外部空间相联系，微穿孔板与空气腔形成空腔共振吸声结构。

马大猷院士[21]基于火箭降噪研究创新提出的微穿孔板吸声结构，通过不同形式的串联和并联组合，显著提高了吸声性能。在该研究基础上，国内研究人员针对微穿孔结构进行了深入研究，研究的主要方法有声电类比法、传递函数法、阻抗转移法和实验法。张晓杰[22]对多层微穿孔板进行优化设计，结果表明：根据设计参数可以拓宽吸声频带和增大吸声系数，这为之后的研究提供了参考依据。栾海霞等[23]对双层串联的微穿孔结构进行研究，利用声电类比原理对不同的结构参数进行对比，提出了双层串联微穿孔新型结构的设计方法。刘鹏辉等[24]的研究表明：将合理设计的微穿孔结构应用于城市轨道交通的声屏障结构中，可以显著提高结构的吸声性能。张斌等[25]对实验方法提出优化改进，根据声的传播和辐射特性进行计算和对比测试，分析微穿孔板微孔间的相互作用，研究表明：考虑微孔间相互作用可以提高共振频率和吸声系数的计算精度。黄景达等[26]根据马大猷微穿孔理论，针对建筑中的木质人造声学板的两种结构（孔加槽结构和变截面结构）进行吸声系数测试，结果表明：微穿孔结构吸音板中低频率段吸声系数显著提高，拓宽了吸音的频率，而变截面结构加槽结构在100～150 Hz低频段的吸声系数较普通槽高0.15 左右。赵晓丹等[27]对微穿孔板结构声学性能的计算方法进行对比分析，研究得出，采用声电类比法计算多层微穿孔板结构声学特性存在误差，而阻抗转移法和传递矩阵法计算吸声系数虽在形式上不同，但本质上是相同的。王珏等[28]对微穿孔板的基体材料、穿孔板层数、微穿孔板组合结构进行分析，并对其在建筑领域中的应用进行阐述。

国外学者对微穿孔结构的吸声特性以及在不同领域应用的研究也取得了一定的成果。德国议会大厅中透明微穿孔吸声板的应用，表明该结构可以很大程度改善大厅的声学环境[29]。Morimoto等[30]研究厚微穿孔板应用中存在的加工困难和孔阻抗过大问题的解决方案，实验表明：锥形孔可以在不破坏其吸声性能情况下解决实际应用问题。Toyoda等[31]研究传统微穿孔吸声结构，对微孔后的空腔采用了空腔细分技术，通过对空气腔进行分区，每个单元可以形成局部一维声场，使亥姆霍兹型共振吸收达到最有效的条件，结果表明：微穿孔后空腔细分结构在中频段有更好的吸声性能。Sakagami[32]利用声电类比法探讨微穿孔吸声结构和板-薄膜吸声结构的吸声原理，研究表明：这两种吸声结构可以通过转换穿孔率这一参数进行相互之间的转换，板-膜型吸收仅在穿孔率为0 时发生；而微穿孔吸收仅在穿孔率不为0 时发生；当穿孔率比为0时，吸收振型由板-膜型转变为亥姆霍兹共振型。

马大猷院士提出的微穿孔结构是一种仅仅依靠结构自身特点而不附加其他材料就能实现较宽频带的吸声结构，具有清洁无污染等优点。在此基础上，一些研究者为拓宽吸声频带进行了一系列改进，例如变截面穿孔板、多层微穿孔以及对微孔后的空腔进行设计等，使微穿孔结构的吸声性能进一步提高。其中木质穿孔板由于良好的视觉特性，在提高建筑内层的吸声降噪性能的同时还兼具优良的装饰性，因而被广泛应用于室内装饰[33]。但微穿孔也存在一定的局限性，其吸声性能主要依赖共振频率，在共振频率附近吸声性能较好，反之则吸声性能降低；并且微穿孔结构对高频噪声有较好的吸声效果，对中低频的吸声效果不显著，因此对木质穿孔板的结构设计和产品工艺还有待进一步研究。

3 蜂窝与微穿孔体复合结构的声学性能研究

蜂窝结构多使用薄而轻的网孔形状，整体质量很小，对中低频的隔声效果较好，被广泛应用于航空航天、舰船及高铁等领域；微穿孔结构只需在原来面板上进行微穿孔就能产生与大气声阻相匹配的声阻，具有清洁、无污染和耐高温等优点，广泛应用于汽车、道路交通和建筑等行业。将这两种新型声学结构结合使用，即上下两个面板和中间六边蜂窝结构组合，上面板具有与内部蜂窝中心位置对应分布的微穿孔，而在内部蜂窝的中心位置增加分布有微穿孔的板材料，下面板不做处理。传统微穿孔板的吸声频带较窄，采用多层的微穿孔板则可以拓宽吸声频带，增强吸声效果。张丰辉[34]提出一种微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料，实验结果表明：其能够在自身厚度为80 mm的情况下，实现在310 Hz时具有0.5 以上吸声系数，并且在700 Hz时达到声音完全被吸收的效果。附微穿孔的蜂窝结构通过微穿孔与其后的蜂窝腔可以形成不同形状的亥姆霍兹共鸣器，根据亥姆霍兹吸声原理，当声波的入射频率达到共振频率时，蜂窝腔内的气压变化会导致腔内空气剧烈振动，从而将声能部分转化为热能消耗，得到较好的声学性能。因此，在蜂窝腔中安置微穿孔板，可以提升吸声效果，当微穿孔面板的穿孔直径和穿孔率均大于内部微穿孔板的穿孔直径和穿孔率时，吸声效果得到提升；当内部微穿孔板的穿孔直径达到0.2 mm时，吸声系数显著增大，吸声频带拓宽；微穿孔板后背腔高度小于内置的微穿孔板后背腔时，吸声效果较好；当内置双层微穿孔板时吸声频带拓宽，吸声效果提高，但需要保证内置微穿孔板的穿孔直径和穿孔率较小。

蜂窝与微穿孔结构组成的复合结构综合了蜂窝结构的隔声性能和微穿孔结构的吸声性能，具有较为优异的声学性能，但基于现有研究还无法实现具有最理想声学性能的结构尺寸设计，微穿孔的穿孔直径、穿孔率以及蜂窝腔的尺寸等参数均会影响其声学性能，对于这种复合结构还未形成理想的设计方案，在木结构建筑中的应用也尚无相应的研究[35]。木材作为该复合结构材料时，声学性能效果尚不理想，为获得声学性能优异的声学结构，仍需进一步研究合适的声学材料；同时需对微穿孔的孔径大小、内置穿孔板的数量以及蜂窝结构的腔体直径大小等参数进行不断实验比较，以获得理想的设计数据。

4 结语

近年来，国内研究者对轻型木结构建筑中填充保温棉的声学性能进行了一系列的研究，但对于声学结构的研究相对较少。今后应在已有研究成果和国内外发布的规范标准基础上，对蜂窝结构、微穿孔结构在木结构中的应用进行深入探索，以提升木结构建筑声学性能。如在轻型木结构的墙骨柱框架中采用蜂窝与微穿孔体复合结构替代传统的保温棉材料，以有效提高中低频噪声的减振降噪性能；对于木建筑楼盖，则可以在搁栅间隔处填充蜂窝与微穿孔体复合结构，以降低楼板撞击噪声；建筑内门中可填充蜂窝结构，既可以提高门的隔声性能，同时可使其具有良好的刚性和稳定性。此外，为改善木结构建筑的声学环境，可以在建筑厅堂以及住宅多功能厅的内墙体表面设计微穿孔，使室内声场分布更为合理，从而解决声聚焦和声场不均匀的问题；木结构的大型会议室或阶梯教室，可在讲台上部吊顶上设置微穿孔结构，其余吊顶作普通吸声处理，以提高教室后部的声压级和降低低频混响，改善声环境。为提高木结构建筑整体的声学性能，改善居住舒适性，在木结构建筑中引入蜂窝结构、微穿孔结构等新结构技术具有重要现实意义。