新世紀吸音材料─異型微孔吸音板

 
2018/05/15 許榮均 | 台灣海洋大學系統工程暨造船學系
陳智隆 | 台灣海洋大學系統工程暨造船學系
呂世明 | 青鋼應用材料股份有限公司     2,031
聲學是在19世紀由英國的雷利爵士(Lord Rayleigh)和德國的赫姆茲(Helmholtz)兩位大師集前人奠定的基礎所成就的完備理論,他們也把這項聲音的科學運用在日常生活中。與聲音有關的運用遍及許多領域,例如:建築聲學設計、樂器設計、汽車排氣管聲響設計、消音器設計、噪音主動控制、機械設備故障診斷、非破壞性檢測、超音波設計、電聲換能器、地震偵測等。

 

當聲音是為人所喜歡並接受時,眾人會為之喝采,但若聲音轉為人們不喜歡的音色,也就是噪音時,人人避之惟恐不及。在聲學的應用中,噪音的控制或室內音質的改善一般都以吸音處理。市售的吸音材料種類眾多,性能也各異。一般而言,傳統使用的大多是多孔纖維性吸音材料,如玻璃棉、礦棉、岩棉、泡棉、麻纖維、棉纖維等。但這類吸音材飽受環保人士批評,責難其對環境造成的汙染,這是因為傳統的多孔纖維性吸音材料有以下的缺點:

 

(1)吸音泡棉製品非常容易著火,一旦燒起來火勢蔓延很快,同時會產生有毒的化學濃煙,非常危險。例如2011年台中市ALA PUB大火造成九死的慘劇,調查發現該場所的天花板裝潢了易燃的泡棉,市府早知這個缺點卻遲無作為,成了爭議的焦點。

 

(2)玻璃棉或岩棉這類纖維性吸音材料是不助燃也不自燃的材料,但由於其纖維細小,在安裝與切割的過程中會產生細短的纖維飄浮在四周空氣中,若沾在衣服或皮膚上會有刺痛感,對人體呼吸道及肺部傷害尤其嚴重。

 

(3)吸水性強,表面不美觀,使用在戶外,遇到下雨或潮溼的環境容易破壞,需要進一步防護補強處理,因而限制了使用的機會。

 

(4)多孔吸音材料耐用度較差,使用期僅約兩年就會風化或掉屑,而降低其消音效果,甚至失效,使得噪音控制的維護成本增加。

 

綜合上述,尋求無纖維化綠色吸音材料勢在必行,很幸運的近年來有一種新型的消音材料開發出來。它除了具備優秀的消音性能外,又可以克服發泡類和纖維類吸音材料的不足和缺陷,那就是超微孔金屬吸音板。

 

市售傳統吸音材

吸音材種類

代表性材料

吸音特性

吸音率

多孔性

玻璃棉、岩棉、泡棉、礦棉麻織與棉纖維等吸音材

具不錯的中高頻吸音能力,背後預留空氣層有助低頻吸音能力提升。(多孔性材料多依材料厚度決定材料的吸音率,也就是材料厚度越厚,吸音率越高)

0.4~0.9

板狀

合板、石膏板、塑膠板、金屬板、水泥板

吸收低頻較有效。(這種材料對低頻效果佳,但中高頻以上效果較不佳,目前噪音控制較少使用這種材料。)

0.2~0.4

穿孔板

穿孔石膏板、穿孔合板、穿孔鋁板、穿孔鋼板、細孔板

一般使用狀態吸收中頻,與多孔性材料配合使用時吸收中高頻,背後預留空氣層還能吸收低頻。

0.4~0.9

異變型微孔板

微孔吸音鋁板、微孔綠建材吸音鋁板

屬於吸收全頻特性,可藉由控制背後空氣層厚度,削減低、中、高頻音能,低頻尤佳。

0.7~0.9

 

微孔金屬吸音板

微穿孔金屬吸音板是一種共振吸音結構,由孔徑在1毫米以下的穿孔薄板和板後的空腔所構成。由於這種構造有不受材料限制,又可回收重複使用、堅固等優點,成為今日頗受歡迎的噪音控制結構。

 

利用「微小孔」和「窄縫中空氣的摩擦」以吸收聲能的概念,可以溯及1941年的俄羅斯科學家瑞斯捷金(Rschevkin)。但是其理論研究、實驗證明和實用方向的完整建立,則是由中國科學院院士馬大猶教授於1975年完成的。

 

馬大猶教授是在研究降低火箭噪音的計畫中,對原有的穿孔板結構吸音理論仔細分析。他發現根據圓管中聲阻與管徑平方有反比的關係,若把圓管的孔徑縮小到一定的尺度,聲阻應會顯著地增加,聲音的吸收效果就會更好,而且這樣也可以簡化原有穿孔吸音板,板後需填加多孔吸音材料的工法。

馬大猷教授除了導出單層微穿孔板的吸音理論外,也研究了雙層微穿孔板。所謂雙層就是在單層板的後面空腔中再加一塊微穿孔板,形成兩個空腔,經過計算和實驗證明,雙層微穿孔板吸音結構是加寬微穿孔板吸音頻帶的一個有效方法。

 

1996年馬大猷先生再研究高聲強作用下的微穿孔板性能,並於1997年提出了微穿孔板吸音結構的準確理論與設計。他發現在穿孔板常數k值小於1的範圍內,微穿孔板吸音具有寬頻帶的性質,所需空腔深度約為1∕4波長,但當穿孔板常數k值大於2時,微穿孔板的吸音性質就會近似於1975年他提出的的微穿孔板理論,其頻帶較窄,但空腔甚淺。

 

由於在1993年時解決了德國新建聯邦議會大廳的嚴重聲學問題,微穿孔板的產品開始聲名大噪,確定了其功效。原來德國這座圓形大廳四周是由玻璃圍起來的,有嚴重的聲音聚焦現象,明知問題已出現,但建築師仍堅持己見,一定要保留玻璃圍牆的透明性,於是中國聲學科學家查雪琴首創的有機玻璃吸音板就成為唯一可選擇的材料。

 

當時的設計是利用5毫米厚的有機玻璃板,使用雷射光打出直徑1毫米以下的無數微孔,再把它裝在厚玻璃牆上。完工後實測發現確實有很好的吸音效果,自此微穿孔板吸音材料的品種又多了一項。1997年更確定微孔的孔徑在0.5毫米以下,開孔率在1%以下。

 

國內發展微穿孔板的理論或實驗,始於台灣南部某公司成功開發超微孔金屬板應用材料。自2001年起,配合國科會產業提昇計畫與成功大學音響研究室進行研究,成功開發出寬頻的「幾何圖型超微孔吸音板」,孔徑只有0.04毫米,遠小於各國開發的0.3毫米。

超微孔金屬吸音鋁板又較傳統的礦棉、玻璃棉材質更具吸音效率,且具環保、防塵、防火、防水、無毒害等特性。實測吸音率(NRC)更高達0.7~0.9,吸音效率也不會因時間而遞減,與傳統吸音棉3~5年必須更換相比,更具環保及成本優勢,可以說是健康的建材。

 

這項產品除了可當成傳統建材吸音板外,另外因材質是金屬,又可應用在高溫、高溼、超淨與高速氣流的場所,如地鐵、隧道、音樂廳、汽車、電器、醫院等,在建材、運輸、振動、演藝、環控等產業都有很大的發展空間。微穿孔板材具有的優勢是:不需貼覆任何吸音材料就有良好的吸音能力;全金屬鋁板不燃燒且易回收;無傳統吸音棉吸溼導致吸音能力下降的問題,適用於各種環境。

 

超微孔金屬吸音鋁板

 

異型微孔吸音金屬板不同於傳統的直圓孔,是異型斜向的幾何孔,也就是正面與背面的孔徑不在同一個軸線方向上,而呈現一個角度的斜面,孔徑的形狀也不相同。這樣的加工技術得到的孔型吸音效果,比微孔理論的傳統直圓孔好、吸音的頻寬廣,配合背後空氣層的構造設計又可以調整各頻譜噪音的吸收。

 

低頻部分可以獲得比傳統多孔質吸音材還好的效果,而中高頻部分則呈現適當的吸音效果,不至於像傳統多孔的吸音材(如岩棉、玻璃棉、聚酯棉)般,高頻的吸音效果很好,低頻效果則很差,雖然聲音能量的總音壓降低了,卻讓低頻遮蔽了中高頻語音的清晰度,造成不佳的溝通環境。這一特性千萬不可輕忽!

 

微孔金屬吸音鋁板的研究仍不斷發展中,從最初的單層結構到雙層結構、三層結構,微穿孔板的吸音性能也在大幅改善。對微穿孔板進行不同型式的串聯和並聯的結構組合,也可提升其吸音性能。研究顯示單層異型微孔吸音板在不同背後空腔厚度下的吸音率,性能比現行多孔質吸音材料頻寬還寬,特別是低頻部分。二層微孔吸音材設計更可在同空腔中針對環境噪音特性調整吸音頻譜,另外也發現二層微孔吸音板具有可調式吸音頻譜的特性。

 

多孔吸音材料最為人垢病的缺點就是髒汙!尤其是台灣這種高溼度、灰塵多的環境,要保有材料的潔淨度與功能非常困難。因此大多數公共工程的天花板材無不以髒汙兩字來形容,尤其在高速氣流下的交通運輸場所,潔淨度的維護更不容易。

 

異型微孔吸音板由於每平方米達四十幾萬孔且孔寬只有0.04毫米,在這布滿均勻的微細孔平面上,灰塵不易因回風效應進入板材孔內,因此不容易阻塞,得以長期保持該有的潔淨度與原有的吸音功能。即使做為戶外吸隔音牆,因採用了自潔性的四氟乙烯耐候塗料,能有效利用雨水自潔,可以保持該有的潔淨度。

 

關於異型微孔吸音板粉塵髒汙與吸音功能影響度,新加坡PSB音響實驗室進行了相關的測試。先對這產品進行吸音測試後再置放於工地一個月,在無清理狀況下就進入實驗室進行第二次吸音測試,結果證明其吸音功能不受影響。戶外髒汙性部分,進行雨水自潔性的測試效果也很好。

 

下文介紹幾則微孔吸音板的應用案例,說明應用前的環境狀況及改善後的狀況:

案例一:大眾運輸站體內天花板─在捷運站或公共建築大廳的安全廣播系統,並非只要求喇叭聲量大就好,同時須注意室內的背景噪音(通常是空調系統的噪音)要儘量降低,因此大廳的天花板、牆壁應該有適當的吸音效果,以控制在合理的殘響時間以下。

 

以台北捷運某站體為例,全面施以微孔天花板至今四年,仍一切如新(風壓穿透需達一定壓力,回風效應夾帶的粉塵不易穿透。傳統沖孔板加棉在有氣流產生的場所,易變成過濾棉而使板片髒汙)。觀察該站安裝後的餘響時間量測,可發現各倍頻的平均餘響時間都在1秒以下,結果令人滿意。再以某廣場測試,自更換天花板為超微孔吸音板後,在人來人往中、各組音樂響起時,依然保持著清靜度,提供學子們一個舞動青春的好場地與舞台。

案例二:水世界、泳池、SPA館─在游泳池、SPA館等高溼、高溫場館,為考慮防水特性,表面大多採用不具吸音效果的水泥粉光、防水漆。在諸多水流沖擊音及人聲下,室內通常很吵,傳統的多孔質吸音材都無法使用,環境噪音大且語言清晰度差,使得教學很困難,安全性也堪慮。

 

某泳池於採用障板型式的微孔吸音板後,室內餘響時間獲得了改善,室內噪音也減小了。微孔吸音板在表面水壓5帕(Pa)以下不透水,而溫水游泳池易產生水汽結露,使用的微孔板材料因具透氣性,幾乎沒有滴水現象,是室內游泳池適用的吸音材料。

 

經檢測泳池的餘響時間,由於經費限制,微孔吸音板只能安裝泳池面積的37%,但對於500~2,000 Hz的語言帶頻率已明顯改善,整體噪音量減少了11分貝。

案例三:戶外吸隔音牆─傳統的吸音式隔音牆暴露在自然環境中風吹、日曬、雨淋,隔音牆結構內安裝的吸音棉常因吸水而下沉,影響隔音效果。此外,每一塊界線都會發黑,再加上高速氣流變化,使得鼓出變形,很不美觀。為了改善這些困擾,高鐵台南站的隔音牆就安裝了這個產品。讀者有機會乘坐高鐵時,不妨留意一下全線的隔音牆。另外,為了解決出發站前暖車噪音的問題,也運用了微孔板設計出1.5米高的吸隔音牆,取代原設計的玻纖棉吸隔音牆。

 

微孔板是個新世紀的吸音材料,全世界都在爭相發展,它改寫了教科書對吸音材料的分類。德國赫爾姆特.富克斯(Helmut Fuchs)出版的一本新書《噪聲控制與聲舒適》(Schallasober and Schalldumpfer)就如此描述:它擺脫了吸音材料長年依附著多孔質材的限制,成為一種不怕水、不怕火、質輕、耐久的新吸音材料,今後還有很多新型式尚待開發。

 

最後期待國內聲學控制與環境噪音控制的專家能對微孔吸音板多一份認識,對國內環境噪音與建築聲學的控制運用多一種吸音材料的選擇,讓我們的生活環境得以更安靜一點,以增進國人的身體健康與生活品質!