多孔吸声材料的吸声原理及其分类一、 多孔材料的吸声原理惠更斯原理:声源的振动引起波动,波动的传播是由于介质中质点间的相互作用。在连续介质中,任何一点的振动,都将直接引起邻近质点的振动。声波在空气中的传播满足其原理。多孔吸声材料具有许多微小的间隙和连续的气泡,因而具有一定的通气性。当声波入射到多孔材料表面时,主要是两种机理引起声波的衰减:首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成和孔壁的摩擦,紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减,反射声减弱达到吸声的目的;其次,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减。另外,高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快,空气与孔壁的热交换也加快。这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。二、多孔吸声材料的分类多孔吸声材料按其选材的柔顺程度分为柔顺性和非柔顺性材料,其中柔顺性吸声材料主要是通过骨架内部摩擦、空气摩擦和热交换来达到吸声的效果;非柔顺性材料主要靠空气的粘滞性来达到吸声的功能。多孔吸声材料按其选材的物理特性和外观主要分为有机纤维材料,无机纤维材料,吸声金属材料和泡沫材料四大类。1 有机纤维材料早期使用的吸声材料主要为植物纤维制品,如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板、水泥木丝板以及稻草板等有机天然纤维材料。有机合成纤维材料主要是化学纤维,如晴纶棉、涤纶棉等。这些材料在中、高频范围内具有良好的吸声性能,但防火、防腐、防潮等性能较差。除此之外,文献还对纺织类纤维超高频声波的吸声性能进行了研究,证实在超高频声波场中,这种纤维材料基本上没有任何吸声作用。2 无机纤维材料无机纤维材料不断问世,如玻璃棉、矿渣棉和岩棉等。这类材料不仅具有良好的吸声性能,而且具有质轻、不燃、不腐、不易老化、价格低廉等特性,从而替代了天然纤维的吸声材料,在声学工程中获得广泛的应用。但无机纤维吸声材料存在性脆易断、受潮后吸声性能急剧下降、质地松软需外加复杂的保护材料等缺点。3 金属吸声材料金属吸声材料是一种新型实用工程材料,于七十年代后期出现于发达工业国家。如今比较典型的金属材料是铝纤维吸声板和变截面金属纤维材料。其中铝纤维吸声板具有如下特点:(1) 超薄轻质,吸声性能优异。(2) 强度高,加工及安装方便。由于全部采用铝质材料,故可耐受气流冲击和震动,适用于气流速度较大或震动剧烈的场所。铝的柔韧性较好,故钻孔、弯曲和裁切加工都很容易。材料也不会飞散污染环境和刺激皮肤。(3) 耐候、耐高温性能良好。铝纤维难以吸水,浸水后取出水分立即流失,且易于干燥,干燥后吸声性能可以完全恢复。含水结冰时材料不受损坏,因而对冷热环境都适用。(4) 不含有机粘结剂,可回收利用。既不会形成大量的废弃垃圾,也节省了资源,称得上是绿色环保型材料,具有电磁屏蔽效果和良好的导热性能,可用于特殊要求的场所。铝质纤维吸声材料在国外的使用已很普遍,较多使用在音乐厅、展览馆、教室、高架公路底面的吸声材料,高速公路或冷却塔的声屏障,地铁、隧道等地下潮湿环境的吸声材料。由于特殊的耐侯性能,特别适宜在室外露天使用。铝质纤维吸声材料的不足之处就是生产成本高。目前仅日本能够生产这种铝纤维,上海已经有了生产铝质纤维吸声材料的企业,但原材料必须依赖进口。由于铝质纤维吸声材料的突出优点,今后其将在我国声环境的改善和噪声控制中发挥作用。变截面金属纤维材料近年来已逐渐在国外汽车上开始使用,国内奥迪、桑塔纳汽车也开始使用这种材料作为消声器芯的汽车消声器。马健敏等人对变截面不锈钢纤维材料的吸声特性进行了较全面的实验研究,分析了材料厚度、材料容重、材料含水量及材料背后加空气层对吸声性能的影响;张燕等人还进一步对不锈钢纤维加穿孔板复合结构的吸声特性进行了研究10 。综合以上的研究发现,金属纤维材料具有如下特点:(1) 单一材料吸收高频噪声的性能优异,在配合微穿孔板或增加空气层后,金属纤维材料的低频吸声性能得到明显改善;(2) 抗恶劣工作环境的能力强,在高温、油污、水汽等条件下,仍可以作为理想的吸声材料。4 泡沫材料根据泡沫孔形式的不同,可分为开孔型泡沫材料和闭孔型泡沫材料。前者的泡沫孔是相互连通的,属于吸声泡沫材料,如吸声泡沫塑料、吸声泡沫玻璃、吸声陶瓷、吸声泡沫混凝土等。后者的泡沫孔是封闭的,泡沫孔之间是互不相通的,其吸声性能很差,属于保温隔热材料。如聚苯乙烯泡沫、隔热泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。图1 以泡沫铝为例给出了开孔和闭孔泡沫铝材料的结构示意图。图1 泡沫铝的形貌以上各类多孔吸声材料均有优缺点和各自的适用范围,然而随着研究工作的进一步开展,各类材料的新产品数量不断增多,它们的一些缺点得到克服,其适用范围也得到扩大,其中尤以泡沫材料的发展最为迅速,开发的种类也相对较多。本文将对泡沫吸声材料的研究进展情况进行比较详细的介绍。多孔材料是如何吸声的？一般多孔材料内部具有大量的小孔，这些微小细孔相互连通并直接通向材料的表面，当声波入射到这种开孔性材料表面时，一部分声波会透入材料内部，一部分声波在材料表面反射。透入材料内部的声波在缝隙和小孔中传播，空气运动会产生粘滞和摩擦作用，同时小孔中空气受压缩时温度升高，稀疏时温度降低，以及材料的热传导效应，从而使声能逐渐转变成热能所消耗，这种能量的转变是不可逆的，因此材料就产生了吸声作用。对于这种具有良好吸声性能的材料，一般被称为多孔吸声材料。其吸声性能与小孔的大小、数量、构造形式等有关，而且材料就产生了一定的厚度才能起吸声作用。对于材料内部虽具有大量微孔，但这些微小细孔相互封闭而不连通的多孔材料，当使波入射到这种材料表面时，因声波无法透入材料内部，因此它不会产生吸声作用。这类多孔材料一般具有良好的隔热保温作用，被称为隔热或者绝热材料。如聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯板、酚醛泡沫板等。开孔型多孔吸声材料和闭孔型多孔隔热材料中的小孔。多孔型吸声材料一般是中高频的吸声系数比较大，而低频段的吸声系数比较小。如果材料内部有很多互相连通的细微空隙，由空隙形成的空气通道，可模拟为由固体框架间形成许多细管或毛细管组成的管道构造。当声波传入时，因细管中*近管壁与管中间的声波振动速度不同，由媒质间速度差引起的内摩擦，使声波振动能量转化为热能而被吸收。好的吸声材料多为纤维性材料，称多孔性吸声材料，如玻璃棉、岩棉、矿碴棉、棉麻和人造纤维棉、特制的金属纤维棉等等，也包括空隙连通的泡沫塑料之类。吸声性能与材料的纤维空隙结构有关，如纤维的粗细(微米至几十微米间为好)和材料密度(决定纤维之间 “ 毛细管 ” 的等效直径)、材料内空气容积与材料体积之比(称空隙率，玻璃棉的空隙率在90%以上)、材料内空隙的形状结构等。从使用的角度，可以不管吸声的机理，只要查阅材料吸声系数的实验结果即可。当然在选用时还要注意材料的防潮、防火以及可装饰性等其他要求。多孔性吸声材料有一个基本吸声特性，即低频吸声差，高频吸声好。定性的吸声频率特性见图1。频率高到一定值附近，见图1中f0，吸声系数 达到最大值，频率继续增大时，吸声系数在高端有些波动。这个f0的位置，大体上是f0对应的波长为材料厚度t的4倍。当材料厚度增加时，可以改善低频的吸声特性。图1中t2大于t1，相同频率时t2的吸声系数大于t1的吸声系数。如果t2=2t1，则相同吸声系数对应的频率大约为f2=f1，即厚度增加一倍，低频吸声系数的频率特性向低频移一个倍频程。但并非可以一直增加厚度来提高低频吸声系数的，因为声波在材料的空隙中传播时有阻尼，使增加厚度来改善低频吸声受到限制。不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一类好的吸声材料，一般用5cm左右的厚度，很少用到10cm以上。而像纤维板一类较微密的材料，其材料纤维间空隙非常小，声波传播的阻尼非常大，不仅吸声系数小，而且有效厚度也非常小。一般平板状吸声材料的低频吸声性能差是普遍规律。一种改进的方法是将整块的吸声材料切割成尖劈形状，见图2，当声波传播到尖劈状材料时，从尖部到基部，空气与材料的比例逐渐变化，也即声阻抗逐渐变化，声波传播就超出平板状材料有效厚度的限制，达到材料的基部，从而可改善低频吸声性能。吸声频率特性仍与图1相似，最大吸声系数的频率f0对应的波长大约为尖劈吸声结构长度t的4倍。例如要使100hz以上频率都有很高的吸声系数，吸声尖劈的长度约为87cm左右。当然这样的吸声结构一般不宜用于室内装修，主要用于声学实验室或特殊的噪声控制工程。4