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1、声学材料,王斌中南大学材料学学与工程学院,目录,1 吸声材料2 声光材料3 吸波材料4 扬声器材,1.1吸声材料原理,吸声材料是可以吸收由空气传递的声波能量的建筑材料。为了改善声波传播质量，保持良好的音响效果和减少噪音，在音乐厅、影剧院、大会堂、播音室等室内的墙面、地面、顶棚等部位，应用吸声材料。,1.2吸声材料现状及发展,人们对声环境的要求已经愈来愈高。噪声危害着人们的听力、睡眠、生理、心理,社会对吸声材料的需求量迅猛增长,同时也对吸声材料的性能提出更高的要求。,1.2吸声材料现状及发展,吸声材料必须实现从过去单一吸声功能向高吸声性、装饰性、经济性和环保性等多功能转变,1.3吸声材料分类,1
2、.穿孔吸声材料2.矿棉吸声板3.阻燃轻质吸收材料4.纤维喷涂 K-13喷覆式材料 5.空间吸声体 6.反声罩,1.3.1穿孔板吸声材料,穿孔板吸声结构是用穿孔的胶合板、纤维板、金属板或石膏板等为结构主体，与板后的墙面之间的空气层（可填充多孔材料）构成吸声结构。穿孔板结构吸声的频带较宽，对中频的吸声能力最强。,1.穿孔板吸声材料原理,经钻孔处理后的材料，增加了有效吸声表面面积，同时使声波易进入材料深处，从而材料的吸声性能。穿孔板后面贴附玻璃棉更增强了吸声效果。,“帕特”穿孔木制吸声板,2.复合穿孔吸声板的应用,1.3.2矿棉吸声板,矿棉吸声板是以矿渣棉为主要原料，加入胶粘剂、防尘剂和憎水剂经加压
3、成型、烘干、固化、切割、贴面等工序而成。具有保温、吸声、抗震、不燃等特性。,矿棉吸声板,1.3.3阻燃轻质吸声材料,该材料是由天然植物纤维素，如碎纸、废棉絮等经防火和防尘处理，吸声保温性能接近玻璃棉。现场喷粘或成品铺装而成。,阻燃轻质吸声材料,K-13是由天然植物纤维经化学处理而成的喷涂式吸声、隔声、保温材料。天然植物纤维经特殊化学处理后具有防火性，抗压性及防霉、防虫蛀的特性。,1.3.4纤维喷涂 K-13喷覆式材料,K-13系列喷涂式声学材料包括：K-13、Sonaspray“fc”、Celbar、Protek-13及Sonakote五个品种，分别适用于体育馆、会议厅、游泳馆等各种需要作声学
4、及保温处理的场所。K-13：材质较为细腻，主要应用于6米以上的高层空间。如：体育场馆、会展中心的屋面底层。Sonaspray“fc”：材质非常细腻，装饰效果美观大方，主要用于会议室、学校、礼堂等较低空间的屋面底层。Celbar材质较为粗糙，主要用于隔墙、电梯井等无需外露的地方。Protek-13：外表面坚实，可冲洗，抗磨损；主要用于走廊、墙壁等较易受到损坏的地方。Sonakote：材质细腻，可冲洗，为Sonaspray“fc”的高一级产品，主要用于游泳馆、滑冰馆等水汽较重及装饰性很强的场所。,1.K-13系列喷涂式声学材料种类,纤维喷涂 K-13喷覆式材料,2.纤维喷涂 K-13喷覆式材料应用
5、,1.3.4空间吸声体介绍,空间吸声体具有较高的吸声效率。空间吸声体具有更大的有效吸声面积（包括空间吸声体的上顶面、下底面和侧面）。声波在吸声体的上顶面和建筑物顶面之间多次反射，经多次吸收提高了吸声效率。,空间吸声体应用,空间吸声体,空间吸声体主要用于降低厅堂和工厂车间内的混响时间与混响场声级，具有设计灵活、简单，使用安装方便、美观等许多优点。,反声罩由上顶反声板、后反声板和侧反声板三部分组成，充分地利用自然声能，而不使用扩音设备，避免声音失真。反声罩采用复合铝蜂窝结构，由预成型的盒状面板和背板与铝合金蜂窝芯材热压复合成型。,1.3.5反声罩,反声罩的应用,反声罩是音乐厅不可或缺的建筑声学结构
6、，是在乐队演奏或独唱中改善剧场声学条件的设备。,声学材料,2.声光材料,2.1 声光材料的发展史2.2 声光材料的原理2.3 声光材料的分类2.4 性能及影响因素2.5 应用领域2.6 展望及研发,2.1声光材料的发展史,1922年,L.N.布里渊在理论上预言了声光衍射。1932年 P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为
7、光信号处理的一个分支。,2.2声光材料的原理,声光材料是具有声光效应的材料。超声波引起介质的局部弹性应变，随时间和空间作周期性变化,介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅，当光通过这种状态的介质时就会发生衍射现象,这种现象就是声光效应。,2.3声光材料的分类,声光材料的分类,声光材料有 液态和固态。水是很好的声光互作用介质。其他液态材料因对声波和热的作用易于产生骚动而不能保持稳定的光学性能和声衰减过大没有使用意义。固态材料包括玻璃和晶体两类，是目前使用较多的声光材料。,2.3.1声光玻璃材料的优点,玻璃是最常用的声光介质材料。玻璃介质具有某些突出的优点：（1）易于批量生产,易得形状各异的大尺
8、寸块体;（2）退火后,其光学均匀性良好,光损耗小;（3）易于加工;（4）价格低廉。价格低廉是玻璃被广泛地用作声光介质的最主要原因之一。,声光玻璃材料的缺点,玻璃介质主要缺点是：难以获得折射率大于2.1的透明玻璃。玻璃的弹光系数都小。两个原因造成玻璃的声光优值较低；而且玻璃中声衰减与频率的二次方成正比，玻璃只适用于声频低于100MHz的声光器件。,声光玻璃,2.3.2声光晶体材料,单晶介质是应用最多的声光材料，声衰减系数小，适宜用来制造频率高于100MHz的高效率声光器件。各向异性使单晶材料选择声模和光模的最佳组合来获得独特声光性能。晶体生长技术相当复杂，难于获得实用的大晶体，生产成本高，研究周
9、期长，耗资大。,声光晶体材料种类,其中常用的声光晶体材料为：Te02、PbMo04、GaP、LiNbO3、Tl3AsS4、Tl3AsSe4、Ge和GaAs。而前两种尤为重要，下面详细介绍。,二氧化碲（Te02）声光晶体材料,二氧化碲单晶属四方晶系，点群为422，空间群为P4，2，2，具有变形金红石结构。单晶具有压电、声学和光学等多种性能。,二氧化碲（Te02）晶体,2.4性能及影响因素,一种优良的声光材料，须具备下列条件：1）在使用光波范围内有良好的光学质量和透明度；2)容易获得大的尺寸，化学稳定好、机械强度高；3)光学和声学衰减低；4)声速的温度系数低；5)声光优值高。,2.5声光材料的应用
10、领域,声光材料主要应用在以下几个方面：声光调制器，声光偏转器，声光滤波器声光器件在信息方面也有重要应用，如脉冲压缩、光学相关器和射频频谱分析等。,声光调制器，改变超声波的强度便可改变经声光材料衍射的衍射光束强度。从而实现对衍射光的强度调制。,光纤耦合声光调制器,声光偏转器，改变声波的驱动频率便可改变衍射光束的方向，用这一原理可制成高速偏转光束的声光偏转器。,声光偏转器,声光滤波器，声光衍射原理在许多方面与透射型衍射光栅相似，而声光光栅常数可以用电控改变，完全有可能制成电子调谐分光计。,声光可调滤波器,2.6展望及研发,在过去的多年的时间里，由于许多介质材料的声光性能不断提高和新声光介质的出现，
11、促使声光器件的性能取得了很大的提高，并为人们广泛利用。声光器件性能的进一步提高，并扩大其应用范围，除了有赖于设计原理进一步改进外，还有赖于现有声光介质材料性能的进一步改善及新声光材料的开发应用。,声学材料,3.吸波材料,3.1 吸波材料概念3.2 吸波原理3.3 吸波的材料背景3.4吸波材料的分类3.5 吸波材料的军事用途,3.1吸波材料概念,吸波材料：将电磁波转换为其他形式的能量（如机械能、电能和热能）而消耗掉的材料。,3.2 吸波原理,入射波,反射波,折射波,3.3 吸波材料的背景,电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场，飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院，移动电话常会干扰各种电子
12、诊疗仪器的正常工作。寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料吸波材料，已成为材料科学的一大课题。,要想对电磁波进行有效的吸收：,(1)使电磁波最大限度进入到材料内部，以减少电磁波的直接反射。,介质对电磁波的反射系数为：,Z和Z0分别是介质的特性阻抗和自由空间的波阻抗,(2)电磁波进入材料内部后，要设法对入射的电磁波进行有效的吸收和衰减。,tanD=tanDE+tanDM=Ed/Ec+Ld/Lc,能量损耗:,DL为感应电场D相对于外加电场的滞后相位；DM为感应磁场B相对于外加磁场的滞后相位；Ed为在外加电场下，材料的电偶极矩产生重拍引起的损耗的量度；Ld为在外加磁场下，材料的磁偶极矩产生重拍引起的损
13、耗量度；Ec和Lc分别为材料在电场和磁场作用下产生极化和磁化的程度。,3.4 吸波材料的分类,按材料的成型工艺和承载能力,涂覆型吸波材料,结构型吸波材料,按吸波原理,吸收型,干涉型,按材料的损耗机理,电损耗型:介质的极化弛豫损耗,磁损耗型:磁滞损耗和磁畴共振,按研究的时期,传统的吸波材料:铁氧体、金属微粉、石墨、碳化硅、导电纤维等,新型的吸波材料:纳米材料、手性材料、导电高聚物、多晶纤维等。,几种吸波材料,（1）涂覆型吸波材料,涂覆型吸波材料主要包括吸收型、干涉型和谐振型，电磁波吸收剂是导电介质的粉体。电波入射到材料表面时，受有线电导率和有限磁导率作用而把电磁能转换成热能损耗掉。,吸波涂料,涂
14、覆型吸波材料主要特点和应用,主要特点:具有厚度薄、吸收频带宽（218GHZ），对镜面波和表面波都具有良好的吸收特性。适合于复杂、曲面的施工。主要应用领域:RCS减缩、抗电磁干扰等。,（2）泡沫类吸波材料,泡沫类吸波材料采用电磁波吸收剂与透波材料复合。电磁波吸收剂包括碳粉，碳纤维，石墨粉，铁氧体等。透波材料包括聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯等塑料，是发泡的主体。多孔的发泡结构，高达30倍的发泡密度，可将充分的吸收电磁波。,泡沫类吸波材料的特点及应用领域,主要特点:重量轻、柔性好、吸收性能良好。主要应用领域雷达及微波通信系统的杂波抑制，抗电磁干扰、微博暗室等技术领域。,3.5 吸波材料的军事用途,在雷达
15、或通信设备表面涂复吸波材料，可更灵敏、更准确地发现敌方目标；雷达抛物线天线开口的四周壁上涂复吸波材料，降低假目标反射的干扰作用；应用于卫星通信系统可以改善星载通信机和地面站的灵敏度，提高通信质量。,3.5 吸波材料的军事用途,在飞机、导弹、坦克、舰艇、仓库等各种武器装备和军事设施上面涂复吸波材料，就可以吸收侦察电波、衰减反射信号，减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器袭击的一种方法，这是反雷达侦察的一种有力手段。,3.5 吸波材料的军事用途,歼20,声学材料,4.扬声器材,4.扬声器材,4.1 扬声器分类4.2 结构原理4.3 扬声器系统4.4 扬声器（音箱）的选用,扬声器 Loudspeak
16、er：换能器电能机械能声能,4.1 扬声器分类,换能原理：电磁式、压电式、电动式（动圈、带式、平面驱动式）、静电式辐射原理：直辐式 间辐式（号筒式）,辐射口径：小100mm中200mm大辐射频段：低频、中频、高频、全频膜片形状：锥形、球顶、平板磁路结构：内磁、外磁,4.2 结构原理,动圈式:FBIL当载流导体在磁场作用下作机械运动时，电能转换为 机械能，这 是扬声器换 能原理。,低音单元,低音单元主要是负责低音频段重放的扬声器，最常见的有以下几种：纸盆，又有敷胶纸盆、纸基羊毛盆、紧压制盆等几种。,(1)、纸盆扬声器：音频电流,纸盆扬声器结构简单、低音丰满、音质柔和、频带宽，但效率较低。,（2）
17、羊毛编织盆扬声器质地较软，对柔和音乐与轻音乐的表现十分优异，但是低音效果不佳，缺乏力度与震撼力。,羊毛盆低音单元,（2）PP(聚丙烯)盆广泛流行于高档音箱中，一致性好失真低，各方面表现都可圈可点。,聚丙烯pp盆低音单,高音单元,高音单元是为了重播高频声音的扬声器单元。结构形式主要有号角式、锥盆式、球顶式和铝带式几大类。,(2)球顶式高音单元是目前在家用音箱和小型监听音箱中最常用的高音单元。,球顶式高音单元从球顶材料上分，又分为硬球顶和软球顶两大类。,硬球顶高音的振膜材料有铝合金、钛合金、钛合金复合膜、玻璃膜、钻石膜等数种。硬球顶高音单元所重播的高音，音色明亮，具有金属感。,软球顶高音的振膜材料
18、有绢膜、蚕丝膜、橡胶膜和防弹布膜等数种。软球顶高音单元重播音乐时的高音灵巧、松弛，具有很好的自然表现力。,号角式高音单元由于指向性强，在号角正面能听到强大的高音，多用于大功率的扩声、会议音箱和一少部分的监听音箱。,(2)、号筒扬声器：,它的频率高、音量大，常用于室外及广场扩声。,扬声器口径尺寸大，低频特性好；扬声器口径尺寸小，高频特性好；即扬声器的口径对应其辐射的高低频特性。家庭影院扩声系统中通常使用内磁式扬声器。,4.3 扬声器系统,一只扬声器不带任何附件而单独使用时，称之为扬声器单元。,扬声器系统又称为音箱，一般由单只或多只扬声器、分频器、衰减器、箱体等组成。常见的音箱有敞开式、密闭式、倒
19、相式、声阻尼式。,为什么用音响系统：由于扬声器结构的特殊性，一般单个扬声器不能覆盖整个音频频率范围，只能对应音频范围内的某个特定区域。所以一般用多个（2个或3个）不同工作频域扬声器构装在一个音箱里，承担完整的音频频域放音。,1、敞开式：由障板与共鸣腔组合而成，盖面上有许多孔眼，如家用收录机，电视机等。2、声阻尼式：在音箱的开口孔道内，装有许多玻璃石等声阻材料以此来降低箱内的共振频率，改善音箱的低频特性。3、密闭式：把音箱封闭起来，在面板上只留喇叭口，减少声反射。使扬声器前后的墀不会产生干涉，改善低频特性，同时丰富中、高音，体积小，讯息工期方便。,4、倒相式：在扬声器面板上开一个口或插入一根倒相
20、管，使箱内的弹性空气和管内空气发生共振，使墀产生180度倒相，当纸盆振动时，前后声波相叠加，增加低频辐射。,5、声柱：是一种特殊音箱，常用于大型剧场，用金属板材或木料制成一个长方形的柱状体，在柱体内以直线排列一定数量的扬声器，形成同轴辐射声的扬声器系统（如图）。,分频器：把从功放输出的整个音频频带范围的声音分解为高、中、低频（或高、低频）信号分别送到高、中、低频扬声器单元。有两种分频方式：功率分频 电子分频,使用电子分频器能有效降低高音与低音扬声器间的互调失真。,音箱,音箱,独立分频器,三组功放,4.4 扬声器（音箱）的选用,专业扩声用扬声器多用于各种类型的室内外演出，主要是向广大观众或听众播放音乐，歌曲等节目。要选用功率大、频带宽、失真小、灵敏度高的扬声器，高频单元一般选用号角式扬声器。中、低频单元多选用纸盆扬声器，大型剧场使用声柱。,监听用扬声器A、供调控人员及演奏人员监听用：监控室监听由调控人员来监听节目信号，及时发现节目声音出现的问题并加以调整和处理，所以要求这类扬声器保真度要高，瞬态特性要好，能真实反映原声信号的质量。多选用扩散型组合音箱。B、供演奏人员监听用的扬声器：一般称为返送扬声器，多使用小型扬声器，指向性要强，中高音特性要好，以保证返回的声音信号有较高的清晰度，并防止演奏现场声反馈,谢谢！,
