CN1121364A - 吊顶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑物屋内吊顶，该吊顶具有打孔金属平板能吸收声波。它可设有一个或多个刚性设计不能振动的平板(1，6)，最下面一层金属平板层上有许多均匀或不均匀排列的直径在1-3mm的小孔(4，7)，小孔表面部分小于平板总表面积的4％，小孔(4，7)中的空气和空腔(11)中的空气构成一个薄膜减振器形式的有阻尼作用的弹簧-质量系统。

Description

吊顶

本发明涉及一种建筑物房间中的吊顶，它可以吸收声波并具有打有多个小孔的金属板，具体可参照奥·弗瑞克等的《建筑结构学》第一部分，Teubner，stuttgart1992。

最好是轻的、可大部分预制、干燥的并且安装简单的天花板系统被广泛地以多种方式用在从整体支承天花板口悬挂下来的亚结构之中。在一些居住房间、行政管理室、教室或是工业、展览、运动大厅以及办公室、商站或是医院的新建或翻修中，所述的天花板的正面装饰和吊顶既具有装饰功能，又有结构功能。

作为安装在与整体天花板有一定距离的镶板，吊顶还可以帮助满足建筑物中不同的物理结构需要，如绝热、耐火、隔音等。但是，它也适用于在单个房间的照明、室内设计或室内声学设计中，作为一个前板，使它们能适应各自特定的用途。最后，在未经装饰的天花板和吊顶之间的大的空间可用来掩盖各种管道、电线和各种建筑工程装置的出口和入口。

吊顶和组成吊顶的大部分平面部件，在三个方面有较高的要求。

第一是在结构方面：

a)质量轻但稳定性要好，

b)具有平滑、坚固的表面质量，

c)轻，并且可翻转安装。

第二是在结构声学方面：

a)单位面积质量要大(5—10kg/m²)，

b)封闭无接缝的模块式结构(边长50—200cm)，

c)纤维状/多孔的空腔缓冲减振(边长50—100nm)

第三是室内声学方面：

a)孔隙率高(20—40％)

b)纤维/多孔的吸声表面(10—50mm)

c)悬空高度(20—50cm)

在这些部分抵触的要求中哪一个更重要取决于房间各自的用途。传统的吊顶系统作声学结构时仍有一些基本问题没有得到解决。

即使是在弗瑞克等在《干式建造法》7/92《Heiss—UmkampfteKuhle》中所述的仅用来遮盖天花板空腔中的装置或者说仅用来隔音，那些被广泛用作为板层构件、天花板盖板层和空腔减振隔音的矿物纤维板和衬垫由于在安装时对受力很敏感并且出于那些对身体健康要求较高的房间对健康考虑以及纤维的磨损和排出后对人的生理影响，已显出了其缺点和不利方面。

图1为弗瑞克等所述的传统活性吸声器。图a为平板谐振器，图b为亥姆霍兹谐振器，图c表示声波吸收率。

用很轻的薄板和孔隙率高的平板(从室内声学考虑)的传统的吊顶和视觉的保护和结构上要求的朝房间一面尽可能封闭的有不太轻的前板相矛盾。

根据弗瑞克等的观点，从室内声学考虑的减振隔音板要有大的悬挂高度来吸收低频，而结构声学却要求有少量的通过天花板的空心的空间向邻近空间的波的横向传递，即使这个空间中充满了大量纤维或多孔消音材料。这样，就产生了矛盾。

但是，当吊顶不仅用于装饰和声学目的，而且时作为如低压通风天花板、辐射加热天花板或表面冷却天花板等其它建筑室内工程技术功能时，这些基本上从声学考虑的必要的纤维状/多孔疏松的减振隔音材料就露出了很大的弊端。它们不仅影响安装和施工，而且也不利于运行和维护。因此，有迫切需要去开发一种新的吊顶系统，不用任何多孔吸声器但能达到室内和结构声学的要求，同时比传统的隔音吊顶更能迎合结构方面的要求。

在传统的隔音吊顶里面只用了被动的纤维/多孔吸声器《干式构造流》7/92)。为了使空气波无阻挡地进入减振隔音材料，顶层平板必需要有高的孔隙率(15—50％)，这只能保证一个相应小的对进入顶层容腔中的通过空气传播的声波的隔音效果。传统的活性的(平板/薄片/亥姆霍兹)吸声器(见图1)要求一个封闭的空腔，为了达到适当的宽频吸声作用此空腔必须填充减振吸音材料。根据图2(斗状结构)和图3(薄膜吸收器)和如在Fuchs，H.V.的“在录音室中吸收低频声波”一文(Rundfunktechnishe Mitteilungen rtm36(1992)，H.，1，P1—11)所述从所述的薄膜吸收器不用纤维/多孔疏松材料，但它需要一个5—10cm深的空腔。它在一个相对狭窄网眼(10—20cm)的蜂窝状结构上有三层构造，用来作为普通的隔音板显示是太复杂及贵了一点。但它必要时能作为一个全封闭的金属盒子置于顶部空腔或是作为整体吊顶的组件来补充吸收具有特殊声学要求的房间内的低频声波。

本发明的目的就是提供一种能吸收宽频带且不含纤维的能满足声学要求的吊顶。

通过本发明权利要求1所的吊顶系统可实现上述目的，最佳实施例在从属权利要求提出。

上述作为谐振减振器在分级平面板的基础之上的吊顶构件结合了微孔和薄膜吸声器的特点，其特点在：虽然具有一个面向房间的几乎光滑的、封闭表面，但其面向空腔的一面不需要自己有空腔或是蜂窝式结构，并完全不需要多孔/纤维材料。

这种新的可直接作为天花板覆盖层或者作为吊顶挂在整体天花板上的顶板吸声器可用在前面提及的各种场合并具有其所要求的性能和功能，但是没有上面所提及的缺点。

这种吊顶系统在声学方面的优点如下：

a)作为前板的吊顶：

作为前板的不含纤维的吊顶(图10)用于增强对整体天花板对空气传播声波和脚步声的隔音效果。

—它是由密度大且有足够单位面积质量(5—10kg/m²)如金属、木材、塑料等组成，声波不会在其中造成振动，

—并且在其表面上有均匀或不均匀的小孔(d＜2mm孔所占面积很小(小于总面积的2％)，

—对着空腔的那一面用横梁、肋条来加固(见图10b)。

这样通过小孔的声波可以忽略并且避免了顶板的下垂，即使在各吊杆之间有大的格栅场(到200cm)。

b)作为朝房间一侧的声波场中的吸声器的吊顶；

用于降低噪音对室内声学进行调整的不含纤维的吊顶(图10)，

—由薄板1组成，在板的小孔里的空气和顶层空腔11中的空气能产生由于对房间一侧声波场激励的、衰减的最好在中高频率的自然振动，

—具有均匀或不均匀排列的小孔(d＜2mm)，孔表面部分＜2％)的平板。小孔中的空气和由加强件2组成的空间的空气通过房间一侧声波场在小孔中激励产生的被衰减的最好是中高频的振动。

c)作为天花板空间中空气中传声的隔声用的吊顶：

不合纤维的吊顶作为声波传递通道—顶层空腔的声波吸收框架，它类似上面b项所描述的减振机构，可产生由空腔里面声波场激励的、被衰减的宽频范围的振动，因而可以减少声波横向传递到邻近的空间。

这种均匀的，对房间一侧有微孔的，密度较大的平板盖层组成的吊顶构件完全可能工业预制，这些很小的孔可能实现全视觉保护和封闭顶层平面的光学印象，并且能使天花板装饰性地放松。

这种不合纤维平板构件可根据作为光的反射器，空气通风和辐射热量的入口和出口的要求做成几乎是任意形状，但是并不因此而影响其声学作用效果。

微孔吊顶系统因为不用任何多孔/纤维状减振材料，不大可能形成沉积并且内外部擦抹消毒一样方便这几个原因可达到很高的清洁卫生要求。

该系统为安装、拆卸和再安装创造了良好的条件，并且因为其简单均匀的构造可实现完全、经济的正反两面可用。使用金属材料的吊顶构件符合行政管理大楼和集会场所夏天的冷却降温目前的趋势。用大部分标准化的金属构件组成的“冷却天花板”可以省去在传统的空调装置里占总运行成本50％的通风的功率消耗，并且也可以降低二氧化碳的生成量，同时消除在居住或工作室中产生的恼人的通风、噪音污染和过敏症产生的根源。在冷却剂(如水)的管道系统上面的绝热保护中(例如包铝的高热阻泡沫材料)冷却片层和绝缘层的间距、冷却片的厚度、小孔的直径和每平方米小孔数这几个方面是相互制约、相互决定的，因此可以找到一个房间的最佳交混回响时间或者声源的最佳发射频谱。该不含纤维、微孔的吊顶系统在采暖和通风方面也明显地传统的吊顶系统优越。

上述吊顶构件可以有单层、双层甚至多层构造。作为简单的前板，它可以是完全均匀，平滑的但也可以设有一些装饰性花纹和加强肋、卷边和折边。作为悬挂的格式吊顶其空腔可被用作通风通道。其面对真正原来顶层空间的后部隔板能够被设计成既有利于声学效果又有功能性的优点的方式。

—有不同的邻近并列空腔深度来增强吸声效果，

—在顶层实际的空腔后侧有凹槽及模板用来安放内部管线和室内安装时的一些元件，

—在格式空腔中天花板上面一侧通过模板和中间隔板设有进气、排气和配电线等通道。

以下把图8，9，10中所描述的本发明与图1到图7所述的现有技术情况进行比较。

图1指的是上面简短说明的活性吸声器。

图1a描述了一个平板谐振器。其中平板作为质量件在如弹簧的空气缓冲器前面振动。为了得到如图1c达到的较宽频带的减振效果需要用多孔材料作为边缘减振器。

图2所示的根据DE2758041的所谓薄膜减振器能达到在一个非常复杂的杯状结构中激起大量不同频率的不同的平板振动，这样即使不用多孔材料也能在中频段实现宽带吸收频谱。

用例如DE35042208和3412432所述的薄膜吸收器，首次可以连续建立起一个平板和亥姆霍兹谐振器，这样可在一个完全平面构件中激起宽频带的和通过多个空气层和小孔联接的多个振动。若在这些活性吸声器的天花板层前置一个多孔材料薄层(1—5mm)时(见图3)，由图4和图5可知，对于高频段的吸收可得到提高。

在图3中标号15指的是覆盖膜板层，标号16是具有防水层17或机械保护层18的多孔材料，覆盖膜板层15下面是打有小孔的膜板层14和与之有一定距离的后壁板12。覆盖膜板层、小孔膜板层和后壁板都不是刚性的、都能振动，当它们受激振动时，可以吸收声波中的一部分能量。小孔膜板层上孔径在3—10mm。标号13指的是具有蜂窝状结构的隔板，标号11是空腔，通常充满空气。这些薄膜吸声器也能作为模块加工，其中膜板层12，14，15和13可以用塑料和金属制成。

另外，用小孔平板覆盖大量的多孔疏松吸声器时，小孔平板只用作机械防护。这些多孔吸声器由例如压缩的矿物纤维板构成放在悬挂的吊顶的背面，为了增强实用性，它们通常被粘上一层铝膜或者用塑料薄膜包起来。可知这样通过薄膜便会大幅度阻止声波进入被动吸声器中，因此，薄膜上需要穿孔成为“可透声的”。

图6是与D—Y《微孔平板声波吸收结构理论和设计》(ScientiaSinca18(1975)，H.1，55—71)中的吸收频谱，在一个刚性隔板前设置一个微孔平板。但是这个理论研究还没得到技术上的应用。

到目前为止只有按图3的上述薄膜板吸声器能够激起与后面的蜂窝结构匹配的膜板层的确定的自然振动并且可利用在所希望的声波吸收方面。目前所使用的室内声学要求较厚的刚性平板谐振器中，各自空气缓冲层前面平板的“较高振荡模式”频率一般都远在“基本振荡模式”频率之上，因此它们没有用到吸收房间中的声音能量。如果薄膜隔板吸声器作为如空调装置中气流通道，通常将其做得比较薄。通道中远高于质量/弹簧谐振频率部分的声波被交替地(在通道上)设置的纯的被动吸声器要比平板的任意较高振荡模式频率吸收强。即使后者相应于平板的尺寸规格在基本频率附近的一个有利的频率范围能够被引起，由于一边对着完全平面填压的矿棉而不可能合适地振动发展。这可能就是为什么不根据图6在微孔吸声器激起较高振荡模式从而加宽作用的频率范围的原因。

相对于上述现有技术，按本发明的吊顶在一个不振动的壁板5或后隔板7前至少有一个微孔的塑料或薄金属板，它不用设置任何声波吸收材料或者在中间空隙层放置多孔的、纤维状减振材料。

《干式构造法》7/92列出了许多有打孔的金属平板的吊顶，为了符合声学要求可用一种吸收声波的矿物棉填充“(第2页，第24到26行)，矿物棉直接放在完全平面的打孔平板上。因为这种系统在许多工业生产中作为吊顶使用，本发明的申请人曾多次在声波室里对其进行技术测量。在图7中是具有0.5mm厚钢片，2.5mm孔径和16％小孔面积的这种系统，钢片在天花板下200mm处，图中也给出了吸收频谱。人们可看出无纺材料在较高频率范围吸收声音相当大部分。吸收频率fx/4＝Co/4D(Co为声波速度，D为平板和后壁板间距)如预料有一个比x/2频率高的吸声率。这同时还表明这种结果是由于吊顶中有了减振材料。吊顶孔中的空气只把投射到有孔金属板层的声波的声音振动传送进入到它后面的减振材料中直到声波能量通过材料的纤维或小孔摩擦变成热能，因此使声波的能量减小。

最新研究表明，传统的声波隔音减振材料如石棉、玻璃纤维会致癌、有吸湿性、能产生粉尖和发生磨损，这就要求去寻找新的隔音减振材料。另外，虽然薄膜减振器人们已认识很久了，但和相对价廉的石棉或玻璃纤维相比仍比较贵，因此还不能得到广泛应用。再则，薄膜吸声器无论其杯状构型或设有一个劈裂面的以前结构方式，为了获得一个拓宽的吸收频谱总是显得相对复杂和昂贵。

相比之下按本发明的吊顶由于由有细孔的金属薄膜层和空气间隙的边缘限制平面以及各板的平面后壁板组成因而生产简单、易于安装使用并且价格便宜。大部分直径在0.4—0.8mm的小孔不是用来作为使声波能量无阻碍地进入天花板和吊顶之间空气层中的“开口”。按本发明极其小面积的小孔部分(最多占总面积5％，大部分在0.5％—3％之间)对传送声波能量进入空气层中没有目前技术上开孔(其孔表面部分达15％—50％)的合适。而根据本发明微孔金属板层孔中空气和中间空间的空气缓冲层的作用象一个特别的质量—弹簧振动系统，可通过在微孔金属板层上反馈产生的声波场可产生在各自特定范围内的振动。其频率范围由选定一些几何参数尤其是微孔金属板厚度、空腔厚度、小孔直径、孔间距、小孔形状、小孔面积占总表面的比例和有孔板层的形状来决定。

小孔几何参数的选择不仅确定吸收频率范围，同时还确定在这些范围内的吸收效果。必要的减振吸收不是按图1a或7通过安装孔状或纤维状的“吸收物质”来实现的，而只能是通过小孔中空气颗粒与孔壁的摩擦来实现的。所预期的频率范围和要求的摩擦可最适合调整到各自的实际情况。这样便可能近乎完全地吸收入射的声波能量。平盖板被设计成厚和稳定的，这样，入射的声波不会引起它的振动。若平盖板没有本发明所述的微孔，是设计成可按图8那样振动的，则象一个弹簧—质量减振系统它将总在一个低频并频带窄的范围内谐振(按虚线1)，并吸收声音。另一方面，微孔(见曲线2)可得到一个根据图8的较宽的中高频吸收频带，这是因为孔中较轻的空气作为质量和空腔中的空气作为弹簧产生了谐振。如图9中具有两个顺序排列的刚性微孔平盖板的装置可得到一更宽的吸收频带，而且不用附加减振吸收材料或者固定元件如象谐振器必须谐振那样。

图10a到1e描述的是按本发明的吊顶。图10e为作为模组件的吊顶，它是以盒式形式置于天花板下。

图10中，标号1和b指的是带有孔4的由金属薄板或硬质塑料组成的微孔平板层，标号7是能振动的平面板层可作为模组件后隔板，标号3b是模组件的刚性框架，标号11是充满空气的空腔或中间空间，标号3是悬挂架，标号3a为梁或支撑吊顶的各前板亚结构。因为平板或模组件以约1m²的单元交货，通过调节悬架3或是亚结构3a可得到吊顶板和后板之间的不同距离D，这样便可拓宽吸收频谱。标号2是用来加强板1和b的加固件，自然能够沿板的总长和总宽设置，这样板就不会振动了。

图11描述的是一个微孔铝板的频谱，该板厚0.15mm、孔径为0.16mm，孔距1.2mm，在该板和后隔板或吊顶之间的空气层厚600mm，通过孔径和间距给出的孔表面部分P为1.4％。根据马氏理论，在要求的谐振频率 $f_R=54\×{10}^3\·\sqrt{\mathrm{\σ}}/D\·f\·\mathrm{km}$ 中，σ是小孔面积/总表面积，D是空气层厚度，Km是一个常数，它和孔径乘以fBx正比。参数平板厚度，孔表面部分面积、直径一定的孔数量和空气隙厚D可在一定范围内变化，因此对于一块3mm厚孔表面部分P占1.4％且空气间隙厚50mm的铝板其孔径为0.45mm。若小孔大小不变，但数量增多，根据此理论谐振频率会变高，同样通过减小孔尺寸也能达到此目的。此外，若板轻微向下拱，如在1000mm板宽时有60—80mm弯曲时可得到一个加宽的频谱。

Claims (7)

1.一种建筑房间内的吊顶，可用来吸收声波并且装有打孔的金属平板，其特征是：设有一悬挂的平板(1)，它设计成不能振动并带有许多直径在0.2—3mm之间的均匀或不均匀排列的小孔(4)，小孔表面部分为4％，在小孔(4)中的空气与位于空腔(11)中的空气组成一个弹簧—质量系统，所述的平板(1)由长度方向可变化的悬挂支架(3)或者是亚机构(3a)固定。

2.按权利要求1所述之吊顶，其特征是：小孔(4)的直径在0.1—1mm之间，大部分在0.2—0.8mm之间，小孔表面部分不到2％。

3.按权利要求1所述之吊顶，其特征是：具有多块平板(1)和(6)，上述平板有一个对于天花板能增加的距离D。

4.按权利要求1到3所述之吊顶，其特征是：所述的平板(1，6)由塑料、复合材料或金属组成。

5.按权利要求1到4所述之吊顶，其特征是：所述的吊顶板设有加强件(2)，可防止下垂。

6.按权利要求1到5所述之吊顶，其特征是：上述平板(1，6)被设计成向下拱的拱形。

7.按权利要求1到6所述之吊顶，其特征是：所述的具有边框架(3b)和一个平面的后隔板(7)的平板(1，6)可被设计成模组件。

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