抑制噪音之新發展—共振器式吸音薄板

機械工程系孫嘉宏助理教授

現今之生活隨著科技及工業化高度發展，在提升生活品質的正面影響外，也伴隨而來許多環境汙染及破壞等負面作用，而噪音即為當中一項負面作用。若是長期暴露於吵雜的工作場所中，除影響工作效率，嚴重甚至可造成職業傷害；生活環境中若是充滿噪音除干擾日常作息，影響生活品質之外，長期累積更對身心健康造成負擔。桃園國際機場聯外捷運系統於新北環河快速道路與疏洪東路一段轉彎處之噪音，即是因公共建設引發之噪音危害，近期也引起社會大眾的矚目及關心。噪音防制向來是工程領域中重要的研究課題之一。

傳統上噪音之抑制分為隔音工程與吸音工程兩種方式。隔音工程是利用空氣與固體阻抗間的巨大差異，可將入射聲波由隔音牆等裝置予以反射。但隔音僅得到聲音的隔絕，在開放性空間中，反射式噪音的隔絕方式效率有限；若是處於密閉空間中，則可能造成能量放大，甚至是產生共振的現象。在吸音工程方面，則分為多孔性的吸音材料應用及共振式的吸音結構兩大類處理方法，兩者都是藉由空氣振動摩擦，使能量轉為熱能散失至環境中，達到削弱噪音的目的。前者可吸收各頻率的波，而共振式的吸音結構則可針對特定頻率有良好的吸效率。然而，人耳主要感受的低頻聲波的波長較長，不論使用隔音牆的裝置或多孔性吸音材料，聲波都容易繞過障礙物的阻隔，造成使用上的困難。

機械系超聲波實驗室團隊針對低頻聲波的抑止，進行共振器式吸音薄板之研究，以期應用於生活及工業中。共振式吸音結構具有荷姆霍茲(Helmholtz)及四分之一波長共振腔。其中，荷姆霍茲共振腔由一大腔體與一小頸口組成，而四分之一波長共振腔則為一端開口、一端閉口的直管。工業上應用荷姆霍茲共振器做為吸音結構的應用已成熟發展，通常安裝於管道的側邊以吸收經管道傳遞的噪音，但其共振腔具有尺寸巨大的缺點。四分之一波長共振腔則結構簡單易於製作，但同樣在吸收低頻噪音時，其共振腔也具有佔用大量空間的缺點。以波長約為 0.85公尺的400 Hz的聲波為例，共振腔的長度需要約0.21公尺才有最佳吸收效率。近期發展出螺旋形共振腔的薄型吸音板，可將四分之一波長共振器或微穿孔板後的空氣腔長度大幅降低。機械系聲波實驗室團隊針對兩種共振器形式加以分析。在荷姆霍茲共振器部份，透過系統性的分析，可設計微型的共振腔體吸收低頻噪音。直徑5.5公分，高1公分，搭配0.5公分長頸口的腔體，對於646 Hz之噪音吸收率達90%以上。四分之一波長共振腔研究上，聲波實驗室團隊對於四分之一波長螺旋式的共振腔進一步提出「雙螺旋共振腔」的設計，可更有效地使用每個單元的面積，同時達成寬頻化的目的，使之更為實用與便利。兩種共振器單元經設計後，其厚度尺寸僅有1.5至2公分，面積約在100平方公分等級。相較以往的吸音結構，新設計之共振式吸音板佔用之體積大幅降低，容易製作成吸收噪音元件。有利於布置在建築物外牆吸收特定頻率噪音，尤其適用於交通、工廠等環境，可有效抑制噪音之危害，提升大眾之生活品質。