声学黑洞为木质天花板带来更好的降噪体验

Empa目前正在完成对木质建筑隔音的研究。利用20世纪90年代的物理理论和数字化工具，一个研究小组开发了由实木面板制成的新地板材料，这些面板具有所谓的声学黑洞。这个想法来自Dempa在Dübendorf的建筑声学实验室负责人Stefan Schoenwald。自1987年首次发表以来，他已经在会议和科学出版物中多次遇到声学黑洞理论。根据莫斯科安德烈耶夫声学研究所的俄罗斯科学家M.A. Mironov的说法，材料中的抛物线凹槽可以像声音一样吸收振动，并允许它们产生共振——换句话说，吞噬它们。声学黑洞已经用于汽车和飞机，它们的降噪效果确实得到了证实。

但是，用非常薄的硬材料制造它们并不容易。无论是在木结构建筑中，还是在建筑声学中，米罗诺夫凹槽的实验都从未发生过。现在，实验室经理Stefan Schoenwald和他的同事Sven Vallely正在改变这一点。两位研究人员希望使用新型交叉层压木板元件来改善木结构建筑中的冲击隔音。

就像空气中有声波一样，材料中也有声波，即所谓的结构声波。“当你撞到地板上时，就像把一块石头扔进池塘里：声波在材料中向各个方向传播。”Schoenwald解释说。当根据特定的数学函数从材料中磨出透镜凹陷时，声波进入该区域。在此过程中，振幅保持放大，而振荡的波长减小。“如果你能在这些凹区域使板块无限薄，那么声波实际上会在这些’黑洞’中自行消失，所以镜头中不会有任何东西出来。”Schoenwald说。然而，在凹槽的有限深度下是否也会发生降噪效果是值得怀疑的——因为数学理论所要求的“无限薄的材料厚度”在实践中是不可行的。

在木结构中试验声学黑洞的想法是在Stefan Schoenwald工作时想到的。他请他的同事Vallely在计算机上模拟和计算降噪效果。为了消除静态问题，苏黎世联邦理工学院的木材建筑专家Andrea Frangi被要求进行评估。不仅他的反馈很有希望，而且降噪的计算机建模也是如此。因此，Schoenwald委托Seewen的木结构建筑公司Strüby AG的原型和一个由相同材料制成的普通控制面板。木材建筑专家Alex Bellmont使用CNC机床将透镜空心从交叉层压的木板中铣削出来，并具有尺寸精度。

这两块板块——一个有声黑洞，一个无声黑洞——在Empa进行了振动分析。在这种测量中，声音作为整个相关声谱的振动被传导到测试体中。激光在多个点以网格模式测量测试板的振动。然后，测量值可用于计算振动如何通过板，以及铣削的凹痕是否实际“捕获”声音并使其以热量的形式消散。

十年前，这样的一系列实验是不可行的。即使是对小带宽范围的振动进行建模，也是计算工作量方面的一篇论文。今天，Schoenwald和Vallely在一个下午计算出整个声谱，并使振动立即可视化。实验的目的是检查模拟结果是否与测量值相对应。毕竟，如果计算机模型与现实相对应，那么计算机上几乎可以免费更改所有可能的参数，而不必每次都制作新的测试板。通过这种方式，可以计算出世界各地木制元素的降噪量，而无需进行耗时的实验。这意味着可以针对所有可能尺寸和几何形状的木制元件优化降噪，而无需进行耗时的实验。

测试结果：测量值与模型计算非常吻合。Stefan Schoenwald对偏差只有5%左右非常满意。这种偏差可以通过木板的生产和木材的自然变化来解释，Vallely补充道。在Seewen制造的测试板的下一步测试现在将遵循：“我们目前正在进行冲击声测量，我们正在按照国际标准规范进行。下一步是确认防火和结构性能，“Schoenwald解释说。这些进一步的测试旨在确保交叉层压木板不仅至少在标准市场水平上隔热，而且还获得用于建筑的所有必要认证。

“在隔离冲击声时，我必须同时牢记三个属性：一方面是部件的质量，另一方面是其刚度和阻尼。刚度和阻尼是相互矛盾的——软部件可以很好地阻尼，刚性部件则不行。”Schoenwald举了一个例子：“经典的实木天花板既轻又硬，所以这里结合了两个不利的特性。一种可能的方法是增加组件的质量。因此，在现代木屋中，建筑师安装厚厚的砾石层进行加权。这样，如果一个成年人走过木制天花板或一个孩子在家里蹦蹦跳跳，木制天花板就不太可能振动。

Schoenwald和Vallely正在采取不同的方法。“我们使木制天花板在某些地方格外柔软，这样它们就可以在那里振动得格外强烈。在这些点上，我们用少量的沙子或砾石专门抑制振动。“Stefan Schoenwald解释说。同样的材料，即砾石，在这里有一个完全不同的目的：“在我们的例子中，砾石不是用来称重的。相反，它应该通过其内部摩擦移动并将振动转化为热能。”

结果：带有声学黑洞的木制天花板比传统天花板轻得多，但抑制冲击声音要好得多。保留了整个天花板结构的结构优势刚度。

信息源于：

Acoustic black holes as noise traps in wooden structures (phys.org)