穿孔率对木质穿孔板吸声性能的影响

朱广勇 ，彭立民 ，傅 峰 ，王 东 ，宋博骐

（1.中国林科院 木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点试验室，北京100091；2.六盘水师范学院，贵州 六盘水 553004）

穿孔率对木质穿孔板吸声性能的影响

朱广勇1，2，彭立民1，傅 峰1，王 东1，宋博骐1

（1.中国林科院 木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点试验室，北京100091；2.六盘水师范学院，贵州 六盘水 553004）

木质穿孔板具备良好的吸声特性，可用于控制噪声和优化室内声环境，且具有一定的强度和尺寸稳定性，已被广泛用做装饰材料。以中密度纤维板(MDF)为基材，利用阻抗管传递函数法测试穿孔率分别为0、3.14%、4.91%和7.07%的木质穿孔板吸声性能，测试时板后空腔为50 mm，分析穿孔率变化对木质穿孔板吸声特性各指标的影响规律，结果表明：随着穿孔率的增加，木质穿孔板的吸声系数峰值有所下降，吸声频带增宽，共振频率往高频方向移动。试验研究得出木质穿孔板的吸声规律与穿孔率的关系，为穿孔板的加工、应用及今后的进一步研究提供了一定的理论支撑。

木质穿孔板；穿孔率；吸声系数峰值；吸声频带；共振频率

关于穿孔板吸声结构的研究，最早可追溯至1947年，Bolt首次提出将穿孔板作为吸声板材使用[1]，并对其吸声性能作了简单的分析。Callaway发现穿孔率是影响穿孔板吸声性能的主要因数，当穿孔板穿孔率低于5%时，吸声系数随材料密度增加而增加、随穿孔率的增加而降低[2]。Suuivan和Croeker测量研究了穿孔率为4.2%穿孔板的吸声性能[3]。这些研究都是集中在金属材料的穿孔板，而金属穿孔板主要应用于消声器的设计和制造，很少用于室内装修。

当今的建筑装饰材料很大一部分采用的是木质材料，然而针对木质穿孔板吸声性能的研究并不多，钟祥璋[4]测试了穿孔率分别为6.5%和12%槽木穿孔板吸声性能，当在这两种板后留一定空腔深度和加入适当的多孔吸声材料，整个吸声结构的吸声性能良好。侯清泉采用驻波管的方法，对以4 mm中密度纤维板为基材，穿孔率分别为3%、6%和10%的木质穿孔板吸声系数进行了测试，并用有限元软件Ansys进行了分析[5]。台湾研究人员采用混响室法测试研究穿孔率0%、8.4%和15.1%的20 mm厚花旗松刨花板穿孔板吸声系数，结果显示，3种不同穿孔率的穿孔板在中高频段的吸声系数有显著的差异[6]；还研究了穿孔率分別为0%、7.9%和14.8%的孟宗竹半穿孔竹复合嵌板吸声特性[7]，结果表明，在特定的范围内，不同穿孔率对穿孔板吸声性能的影响呈现一定的规律。除此之外，未见更多关于木质穿孔板的研究[8]。

综上所述，我国学者仅仅对厚度为4 mm不同穿孔率的薄中密度纤维板进行了初步研究，对于市场常用厚度的中密度纤维板还没有进行研究，台湾学者也仅仅对刨花板和竹木复合穿孔板进行研究。为了进一步探讨穿孔率对木质穿孔板声性能的影响规律，本研究以15 mm厚度的中密度纤维板为试验材料，研究不同穿孔率的板材吸声性能，总结穿孔率对木质穿孔板吸声性能的影响规律，为今后木质穿孔板进一步研究和加工应用提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

中密度纤维板，板厚15 mm，含水率8.5%，密度为719.0 kg/m3，购置于北京森然木业有限公司。

1.2 加工测试方法

试件加工：采用计算机控制加工系统Ncstudio匹配精雕机床加工被测试件，大管测试试件直径Φ100 mm，小管测试试件直径Φ30 mm，开孔直径均为3 mm，孔间距分别为10 、12、15 mm，对应的穿孔率分别为7.07%、4.91%、3.14%，制备一组不开孔的试件作为对照组，每组加工3个试件。

北京声望公司生产的阻抗管测试系统：阻抗管SW422（直径100 mm），阻抗管SW477（直径30 mm），校准器CA111，功率放大器PA50，四通道声学分析仪MC3242，噪声振动测试软件VA-Lab。

测试条件：大气温度，20.0 ℃；相对湿度，50.0%；大气压力，101 325.0 Pa；大气密度，1.2 kg/m3；声速，343.237 m/s；空气的特征阻抗，412.568 Pa·s/m。

依据ISO 10534-2:1998(GB/T18696.2-2002)《声学-阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第二部分：传递函数法》进行吸声系数测量，测试时板后空腔深度为50 mm，频率范围为80～6 300 Hz，取1/3倍频程中心位置对应的吸声系数。

2 结果与分析

图1为4条曲线表示穿孔率分别为7.07%、4.91%、3.14%和0的木质穿孔板吸声系数。

图1 不同穿孔率木质穿孔板的吸声系数Fig.1 Relative curves of sound absorption coef fi cients and frequency of perforated panel with different perforation rate

由图1可以看出，未穿孔时，在整个测试频带范围内，中密度纤维板的吸声系数均不到0.1，几乎没有吸声性能。在穿孔情况下，木质穿孔板的吸声特性主要集中在1 000 Hz以下的中低频范围内，穿孔率为3.14%的穿孔板共振频率为315 Hz，穿孔率为4.91%的穿孔板共振频率为400 Hz，穿孔率为7.07%的穿孔板共振频率为500 Hz。随着穿孔率的增大，有效吸声频带宽度变宽，吸声系数峰值变小，共振频率位置向高频方向移动；共振频率以后的中高频范围内，穿孔率较大的木质穿孔板同一频率位置上的吸声系数较大，具有较好吸声性能。木质穿孔板的有效吸声范围主要集中在共振频率附近，一旦偏离共振频率位置，吸声系数迅速下降；在有效吸声频带范围内，不同穿孔率的穿孔板吸声系数曲线均是先增加，达到最大值后，又随着频率的增加而逐渐减小。1 000 Hz以后的高频段，吸声系数曲线几乎平行于x轴，穿孔率越大的木质穿孔板，高频吸声系数稍大，但不同穿孔率之间的差异并不大。

2.1 穿孔率对共振频率的影响

穿孔板吸声结构每个孔及其后面对应的空腔可近似地看作是一个赫姆霍兹共振器，因此整个穿孔板结构等效于由许多赫姆霍兹共振器并联而成[9]。当声波进入穿孔板上的小孔后，由于板后留有一定的空气层，波动引起的声压强变化刺激孔内的空气柱往复运动，使得空腔内的空气被反复压缩，当入射声波频率与穿孔板结构固有频率相等时，孔内空气柱与空腔内空气组成的系统便发生共振。系统达到共振，其共振频率为：

式中：f0表示共振频率（Hz）；L表示板后空腔空气层深度(m)；t表示板厚（m)；d表示孔径（m）；c表示空气中声速（m/s）；P表示穿孔率。

根据公式（1）可计算出不同穿孔率的穿孔板的理论共振频率；根据试验数据曲线，吸声系数峰值对应的频率值即为穿孔板的实际测量共振频率，由吸声系数与频率的关系曲线可以直接读出，将理论共振频率与实测共振频率进行对比。如图2所示，随着穿孔率的增加，木质穿孔板的共振频率逐渐升高，结果与 Lin and Tsai等[10]研究发现穿孔板穿孔率增加时，共振频率向高频偏移结果相一致。

图2 不同穿孔率木质穿孔板的共振频率Fig.2 Resonant frequency of different perforation rate wood perforated plates

试验测试得到的穿孔率为3.14%和4.91%的木质穿孔板共振频率比理论计算得到的要小，而穿孔率为7.07%的木质穿孔板实测共振频率比理论计算值要大，共振频率与穿孔率近似呈线性关系，试验测试值与理论计算值误差在5%以内，理论共振频率与实测共振频率差异不大，结果吻合良好。

2.2 穿孔率对吸声系数峰值的影响

当穿孔板结构系统在外界声波的刺激下达到共振时，系统振动最激烈，声能以最快的速度转化为热能，声能损失最多，故吸声系数达到最大值。

由图3可以看出，中密度纤维板在没有开孔时，吸声系数最大值仅为0.09，几乎没有吸声效果，结果与冮贵军的研究成果相吻合[11]。原因在于中密度纤维板的纤维比较密实，当声波到达试件表面时，90%以上发生了反射，仅有很少一部分被吸收消耗。

图3 不同穿孔率木质穿孔板的吸声系数峰值Fig.3 Sound absorption peak values of different perforation rate wooden perforated panels

经过钻孔加工形成穿孔板以后，吸声系数峰值明显提高：当穿孔率为3.14%时，木质穿孔板的吸声系数峰值达到0.80；然而随着穿孔率的增加，吸声系数峰值有所下降，穿孔率增加到4.91%时，吸声系数峰值为0.64；随着穿孔率的增加，吸声吸声系数峰值下降的程度有所减弱，当穿孔率继续增加到7.07%时，吸声系数峰值下降到0.58。穿孔率越大，声波进出穿孔板结构就越容易。在穿孔率较大时，声波经过穿孔孔洞进入板后空腔，在还未引起充分的振动以后，便又在板后刚性壁面发声反射后轻易地传出穿孔板结构，从而使声能未能在穿孔板结构内部充分地消耗，所以吸声系数有所下降。

2.3 穿孔率对吸声频带宽度的影响

穿孔板吸声性能随频率的变化而变化，在不同的频率范围吸声性能的差异很大，吸声频带宽度是描述穿孔板有效吸声范围的重要指标，吸声频带宽度是指吸声系数峰值的1/2对应的两个频率位置之间的差值，较大的为上限频率，较小的为下限频率。上限频率与下限频率的差值即为吸声频带宽度。试验测试得到不同穿孔率木质穿孔板吸声上限频率和下限频率见表1，并可根据上下限频率计算得到吸声频带宽度。

表1 不同穿孔率木质穿孔板吸声频带宽度Table 1 Sound absorption band width of different perforation rate wooden perforated panels

随着穿孔率的增加，木质穿孔板的上限频率和下限频率均升高，且上限频率升高的幅度更大，故穿孔率越大的木质穿孔板吸声频带宽度越宽。

当孔径不变，穿孔率增加意味着孔间距减小，所以相同面积的试件上孔的数量增多；板后空腔深度一定，单位面积上的孔数量增加；每个孔内的空气柱及其粘滞附加长度一定，振动过程中受到的摩擦阻力也不变，所以单位试件面积上所受到的摩擦阻力总和加大。所以穿孔率越大，相当于等效机械弹簧振动系统的质量原件增大，在振动过程中所受到的阻尼作用增大，即系统的品质因数减小，故有效频带增宽[12]。

3 结 论

穿孔率是影响木质穿孔板吸声性能的一个主要因素，随着穿孔率的增加（3.14%增加到4.92%再增加到7.07%），木质穿孔板的共振频率向高频方向移动（由315 Hz增加到400 Hz再增加到500 Hz），吸声系数峰值减小（0.80减小到0.64再减小到0.58），吸声频带宽度变宽，但木质穿孔板总体吸声频带宽度较窄，最宽仅有305 Hz，木质穿孔板的吸声性能选择性强，适用于有明显低频噪声场合进行吸声降噪和声环境优化。

[1]Bolt R H. On the design of perforated facings for acoustic materials [J]. J. Acoust. Soc. Am.,1947,19: 917-921.

[2]Callaway D B,Ramer L G. The use of perforated facings in designing low frequency resonant absorbers [J]. J. Acoustic. Soc.Am.,1952,24: 309-312.

[3]Bolt R H. On the design of perforated facings for acoustic materials [J]. J.Acoust. Soc. Am.,1947,19: 917-921.

[4]钟祥璋.木质穿孔装饰吸音板及其应用[J].音响技术设备与应用,2008,(8):27-30.

[5]侯清泉.木质穿孔板结构的吸声性能及模拟仿真研究[D]. 哈尔滨:东北林业大学，2012.

[6]蔡冈廷,赖荣平.花旗松穿孔构造吸音性能之研究[J].中华民国建筑学会建筑学报(技术专刊)，2009,(68):1-14.

[7]蔡冈廷,周秀雯.台湾竹材半穿孔吸音构造之性能研究[C].中华民国音响学会年会暨第二十届论文发表会发表会论文集,2007.

[8]王 东,彭立民,傅 峰,等. 柳杉木材吸声性能的研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(10):137-140.

[9]田汉平.穿孔板吸声结构的频率特性分析[J].淮北煤炭师范学院学报,2005,(3):37-39.

[10]Lin M D,Tsai K T,Su B S. Estimating the sound absorption coefficients of perforated Wooden panels by using artificial neural networks[J]. Applied Acoustics,2009，70: 31-40

[11]冮贵军.木质人造板的吸声性能试验分析[J].林业科技,2008,33(20): 51-53.

[12]杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础[M].南京：南京大学出版社,2012: 12-18.

In fl uence of perforation rate on sound absorption properties of wood perforated plate

ZHU Guang-yong1,2,PENG Li-min1,FU Feng1,WANG Dong1,SONG Bo-qi1
(1.Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry and Key Lab. of Wood Science and Technology,State Forestry Administration,Beijing 100091,China; 2. Liupanshui Normol University,Liupanshui 553004,Guizhou,China)

Wood perforated panels have good sound absorption properties,they are used to control noise and optimize the sound environment indoor,and have a certain strength and dimensional stability; so wood perforated panels are widely used as decorative materials. Medium density fi berboard (MDF) was used as the substrates,Sound absorption properties of wood perforated plates with perforation rate 0,3.14%,4.91% and 7.07% were tested with impedance tube transfer function method. The changes of perforation rate in fl uencing on sound absorption characteristics of wooden perforated plate each index were detailedly analyzed. The results show that with the increase of perforation rate,the peak value of sound absorption coef fi cient of wood perforated plate was decreased,the frequency band width of sound absorption was widened,and the resonance frequency was moved to the high frequency; In fl uence of perforation rate on sound absorption law of wood perforated panels could be obtained through experimental studies. The fi ndings could provide theoretical support for processing,application and further research of perforated panels in the future.

wood perforated plates; perforation rate; peak value of sound absorption coefficient; sound absorption band width;resonance frequency

S718.38

A

1673-923X(2016)01-0119-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.020

2014-06-09

国家十二五科技支撑计划课题：家装材与室外材增值制造技术研究与示范（2012BAD24B02）

朱广勇，助教，硕士 通讯作者：彭立民，副研究员，博士；E-mail：penglm@caf.ac.cn

朱广勇,彭立民,傅 峰,等. 穿孔率对木质穿孔板吸声性能的影响[J].中南林业科技大学学报，2016,36(1): 119-122.

[本文编校：谢荣秀]