多孔吸聲材料的展望小論文

1、多孔吸聲材料的展望小論文材料成型前沿探討多孔吸聲材料的展望課程名稱：材料成型趨勢前沿探討姓名:王勇班級：08302031學(xué)號：08430220摘要：木文結(jié)合吸聲材料的吸聲原理和實際應(yīng)用，通過生活常識性的舉例來進(jìn)一步的闡述，多空吸聲材料的原理及優(yōu)越性。在簡單介紹0前研究的兩類主要吸聲材料的基礎(chǔ)上，重點介紹了多孔材料的吸聲性能及其影響因素。多孔吸聲材料具有吸聲系數(shù)高、吸聲頻帶寬等優(yōu)點，結(jié)合工程實際，研宄多孔材料孔隙率、孔徑、厚度以及結(jié)構(gòu)因子對多孔材料吸聲性能的影響，對實際的設(shè)計有一定參考價值1。也最后對吸聲材料的發(fā)展趨勢作了展望。關(guān)鍵詞：吸聲材料；多孔材料；泡沬材料；吸聲系數(shù)prospect of

2、 porous absorption materialsabstract:： this paper represents sound absorption theory and practicalapplication of acoustic mater ials, and also briefly intr oduced the currentstudy of the major types of acoustic materials it focuses on the acousticpropert ies of porous materials and the impact factor

3、s. poroussound-absorbing materials are widely used because of its high soundabsorption coefficient and wide absorption frequency range. the influence of porosity, diameter of holes, thickness and structure of the material on itssound-absorbing property is analyzed. this work provides a reference for

4、 the development of new sound-absorbing material. finally, a prospect for thedevelopment of the acoustic materials are made.1材料成型前沿探討key words:： acoustic material; porous material; foamed material；absorption coefficient目 錄1引言32吸聲及多孔吸聲材料原理32.1吸聲材料的原理42.2多孔吸聲材料的結(jié)構(gòu)及機理43多孔吸聲材料的分類43.1纖維結(jié)構(gòu)吸聲材料53.1.1纖維吸聲結(jié)構(gòu)

5、材料的分類53.2泡沫結(jié)構(gòu)吸聲材料53.2.1泡沫吸聲結(jié)構(gòu)的原理63.2.2泡沫吸聲結(jié)構(gòu)的分類64影響多孔吸聲材料的因素74.1空氣阻流的影響74.2空隙率的影響84.3孔徑的影響84.4厚度的影響94.5背后空腔的影響10 5復(fù)合型吸聲材料105.1梯度孔徑通孔多孔鋁合金105.2穿孔板背面緊貼吸聲薄層的結(jié)構(gòu)105.3雙層的電解多孔鐵鎳薄板復(fù)合結(jié)構(gòu).10 6其他的研究結(jié)果及未來展望102材料成型前沿探討6.1其他研究結(jié)果106.2未來展望107參考文獻(xiàn)111引言在我們現(xiàn)在的社會，隨著現(xiàn)代工業(yè)和交通運輸事業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染 也隨著產(chǎn)生，噪聲污染是當(dāng)今世界污染的三大問題之一，噪聲不僅危害人 的聽

6、覺系統(tǒng)，使人疲倦、耳聾，而且還會加速建筑物和機械結(jié)構(gòu)的老化，影 響設(shè)備及儀表的精度和使用壽命2。因此吸聲降噪逐漸演變成為一個有 關(guān)高科技、環(huán)境以及人類協(xié)調(diào)發(fā)展急需解決的重要課題，而吸聲降噪新材料的結(jié)構(gòu)、聲學(xué)特性及其應(yīng)用是一個涉及多學(xué)科交叉的重要課題。這樣的我們就會擁有一份安靜的生活。對噪聲的防治措施主耍是控制聲源和采用吸聲材料3。聲源控制主要是通過改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高加工和裝配質(zhì)量, 以降低聲源的輻射能量；而實際應(yīng)用中最有效的噪聲治理則是通過采用吸聲材料來達(dá)到降噪的效果。雪后為什么很寂靜，在冬天，一場大雪過后，人們會感到窗外萬籟倶寂。這是怎么回事?難道是人為的活動減少了嗎?為什么在雪被人踩過后，

7、大自然又恢復(fù)了以前的喧囂？原來，剛下過的雪是新鮮蓬松的，它的表面層有許多小氣孔。當(dāng)外界的聲波傳入這些小氣孔時便要發(fā)生反射。由于氣孔往往是內(nèi)部大而口徑小。所以，僅有少部分波的能量能通過出口反射回來，而大部分的能量則被吸收掉了，從而導(dǎo)致自然界聲音的大部分能量均被這個表面層吸收，故出現(xiàn)了萬籟倶寂的場囬。而雪被人踩過后，情況就大不相同了。原本新鮮蓬松的雪就會被壓實，從而減小了對聲波能量的吸收。所以，自然界便又恢復(fù)了往h的喧囂。根據(jù)疏松多孔的材料對聲音的這種特性，人們制造出了吸聲材料，即多孔吸聲材料，所謂多孔吸聲材料，顧名思義就是這類材料是由固體筋絡(luò)和微孔或間隙所組成。材料從表到里都含有大量的互相貫通的

8、微孔或間隙，具冇3材料成型前沿探討適當(dāng)?shù)耐笟庑裕⒖紫蛲獬ㄩ_，使聲波易于進(jìn)入微孔內(nèi)。要想有更好的吸聲性能，多孔吸聲材料不僅孔隙率要高，要通孔，而且這些孔隙還應(yīng)該盡可能地細(xì)小，并且在材料內(nèi)部均勻分布，這樣，材料內(nèi)部的筋絡(luò)總表面積大，有利于聲能吸收。多孔材料是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的吸聲材料，它的類型包括無機與有機纖維狀多孔吸聲材料、泡沬狀多孔吸聲材料、顆粒狀多孔吸聲材料等。隨著聲學(xué)、技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新，聲學(xué)工作 者的潛心研究以及市場的開發(fā)，還會有新的多孔吸聲材料問世。目前，多 孔吸聲材料在會議廳、音樂廳、大禮堂、等對聲音要求較高的建筑上，應(yīng)用的很廣泛4。2吸聲及多孔吸聲材料原理2.1吸聲原理吸聲材料吸聲

9、是聲波通過材料的孔隙與固體骨骼相互摩擦而消耗其能量的5。在吸聲材料中，聲波與固體接觸，要有能量交換，主要是黏滯性與熱傳導(dǎo)作用。根據(jù)克?；舴虻难芯拷Y(jié)果，運動方程只受黏滯系數(shù)的影響，而連續(xù)性方程則只受熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響，這種區(qū)分大大簡化推導(dǎo)工作，根裾運動方程，計入粘滯系數(shù)，很容易地求出管|aj的聲阻抗及其吸聲特性。通過微孔粘滯吸聲理論模型進(jìn)行一些修改，可以更精確定量地分析多孔材料孔徑人小、厚度、孔隙率等參數(shù)對多孔材料吸聲性能的影響。按吸聲機理可以分為共振吸聲結(jié)構(gòu)材料和多孔吸聲結(jié)構(gòu)材料。共振吸聲結(jié)構(gòu)材料，主要結(jié)構(gòu)為亥姆霍茲共鳴器式結(jié)構(gòu)，它是利用入射聲波在結(jié) 構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生共振，從而使大量能量耗逸。而由多孔材

10、料構(gòu)成的吸聲材料，能 使大部分聲波進(jìn)入材料，從而具有很強的吸聲能力，使進(jìn)入該材料的聲波 在傳播過程中逐漸消耗殆盡。第一種共振吸聲結(jié)構(gòu)，利用了共振原理，因 而吸聲的頻帶較窄，而后一種多孔材料的吸聲頻帶則比較寬6。下面主要介紹一下多孔吸聲材料。2.2多孔吸聲材料結(jié)構(gòu)特性及機理一一材料內(nèi)部具有大量互相連通的微孔或間隙，而且 孔隙細(xì)小且在材料內(nèi)部均勻分布。其吸聲機理是當(dāng)聲波入射到材料表面時,一部分在材料表面反射，另一部分則透人到材料內(nèi)部向前傳播，在傳播過 程屮，4材料成型前沿探討引起孔隙中的空氣運動，與形成孔壁的固體孔筋或孔壁發(fā)生摩擦，由 于粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簟Ｂ暡ㄔ趧傂员诿娣?/p>

11、射 后，經(jīng)過材料回到表面時，一部分聲波透射到空氣中，一部分又反射回材 料內(nèi)部，聲波通過這種反復(fù)傳播，使能量不斷轉(zhuǎn)換耗散，如此反復(fù)，直到 平衡，由此使材料吸收部分聲能7。0前采用的多孔吸聲材料可分泡沫 類吸聲材料和纖維類吸聲材料8。3多孔吸聲材料的分類3.1纖維結(jié)構(gòu)多孔吸聲材料纖維材料按其選材的物理特性和外觀主要分為有機纖維吸聲材料、無機纖維吸聲材料、金屬纖維吸聲材料等9?，F(xiàn)在的研宄中，更注重各種纖維材料在實際中的應(yīng)用。3. 1.1有機纖維材料傳統(tǒng)的有機纖維吸聲材料在中、高頻范圍具有良好的吸聲性能，如棉麻纖維、毛氈、廿蔗纖維板、木質(zhì)纖維板、水泥木絲板等有機天然纖維材料，以及丙烯腈纖維、聚酯纖維1

12、0、三聚氰胺11等化學(xué)纖維材料，但 這類材料的防火、防腐、防潮等性能較差，應(yīng)用時受環(huán)境條件的制約。3.1.2無機纖維材料無機纖維材料主要有巖棉、玻璃棉、礦渣棉以及硅酸鋁纖維棉12等, 由于具有吸聲性能好、質(zhì)輕、不蛀、不腐、不燃、不老化等特點，從而逐漸替代了傳統(tǒng)的天然纖維吸聲材料，在聲學(xué)工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是由 于纖維性脆，易于折斷，產(chǎn)生的纖維粉木會在空屮飛揚，形成的粉塵會刺 癢皮膚，污染環(huán)境，影響呼吸，這是它在應(yīng)用中的缺點。過去的玻璃纖維和天然纖維與合成有機纖維相比不易老化的特性曾經(jīng)是玻纖材料性能的一個優(yōu)點，但是從環(huán)境保護(hù)的角度來看，材料的不易降解使其最終會成為固體廢棄物，對環(huán)境造成 二次

13、污染13.3.1.3金屬纖維材料5材料成型前沿探討金屬纖維材料具有強度高、耐沖擊、易加工、耐高溫、抗惡劣工作環(huán)境的能力強等優(yōu)點，可用于高溫、承載、震動等特殊的吸聲場所，例如噴氣 式飛機的發(fā)動機消聲裝置14。較常見的有鋁質(zhì)纖維吸聲材料、變截詘金 屬纖維材料以及不銹鋼纖維吸聲材料15等。鋁質(zhì)纖維吸聲材料是由兩片 鋁網(wǎng)板夾住中間的鋁纖維氈16，利用其塑性通過壓機滾壓而成，加工工藝簡單，產(chǎn)品成本大大降低，易于彎折成型，甚至可做成圓筒形的空間吸聲體。由于具有強度高、抗風(fēng)、不燃、耐水、導(dǎo)水、耐熱以及抗凍等優(yōu)異的耐候性能，因此十分適合于戶外露天環(huán)境和地下建筑中使用。對于燒結(jié) 金屬纖維材料，當(dāng)存在溫度梯度場作

14、用時，應(yīng)重視溫度梯度對多孔金屬材 料總體吸聲性能的影響，在一定條件下，負(fù)溫度梯度可以提高材料的吸聲 性能，而正溫度梯度可使材料吸聲性能趨于降低17。3.2泡沬結(jié)構(gòu)吸聲材料泡沬吸聲結(jié)構(gòu)材料的分類根據(jù)泡沬材料孔形式的不同，可分為閉孔、 幵孔和半開孔3種。微孔間互相封閉的稱為閉孔型泡沬材料，互相連通的 稱為開孔型泡沫材料，既有連通又有封閉的為半開孔型泡沫材料18。3.2.1閉孔泡沬材料閉孔結(jié)構(gòu)的泡沬金屬材料，以閉孔泡沬鋁為代表，閉孔泡沬鋁的吸聲 系數(shù)比較低，是由于聲波很難到達(dá)孔隙內(nèi)部，與其內(nèi)部相互作用，僅有一 些裂縫和微孔，木身并不能作良好的吸聲材料19,20】。6材料成型前沿探討圖1閉孔泡沬鋁宏觀

15、照片20fig 1 typical structure of close celled aluminum foam3.2.2半開孔泡沫材料半開孔泡沫鋁，可以通過高壓滲流制備，在其制備過程中，通過控制 制備參數(shù)，來達(dá)到預(yù)計的孔連接性21。圖2半開孔泡沫鋁的結(jié)構(gòu)圖20fig 2 typical microstructure of semiopen7材料成型前沿探討aluminum foam3.2.3開孔泡沬材料可以通過控制顆粒的形狀尺寸，來控制孔隙率和孔形狀，能夠制得孔 隙率為0 9的高孔率材料，由于開孔泡沫材料具有復(fù)雜的渠道結(jié)構(gòu)以及表面粗糙的內(nèi)部空隙，導(dǎo)致其具有較高流阻，所以開孔泡沫鋁的整體吸聲

16、性 能要比閉孔的好的多22。3開孔泡沫鋁的的樣品圖23fig 3typical structure of open celled aluminum foam4影響多孔吸聲材料的因素4.1空氣阻流的影響空氣流阻定義為材料兩面的靜壓差和氣流線速度之比，它反映了空氣 通過多孔材料時材料的透氣性問題，而單位材料厚度的流阻稱為流阻率。 流阻越大，材料的透氣性就越小，聲波越不容易深入材料內(nèi)部，吸聲性能 會下降；但流阻太小，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能的效率又會過低。所以，多孔材料存8材料成型前沿探討在一個最佳的流阻值，過高和過低的流阻值都無法使材料具有良好的 吸聲性能244.2空隙率的影響孔隙率定義為材料中孔隙體積和

17、材料總體積的比值，總體來說，孔隙 率越大，泡沫金屬的吸聲系數(shù)越大25。這主要是因為孔隙度越大，孔隙 的曲折度越大，內(nèi)部通道越復(fù)雜。當(dāng)聲音進(jìn)入后，發(fā)生漫反射和折射，并且 孔隙中的空氣隨之而振動，由于孔隙壁的摩擦以及空氣粘滯阻力等而使得 相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被耗散26。圖4吸聲系數(shù)與孔隙率的關(guān)系porsity4.3孔徑的影響對于具有相同孔隙率、孔隙形貌以及厚度的多孔材料來說，孔徑越小, 高頻吸聲性能越高，低頻吸聲性能沒有很大變化?？讖匠?、r對吸聲性能在 高頻時影響較大是因為高頻時聲波能量較大，當(dāng)孔隙較小時，聲波進(jìn)入后, 可以與孔隙壁發(fā)生二次或多次非彈性碰撞，再經(jīng)過多次反射和折射后，聲波的9材

18、料成型前沿探討能量損失較多，吸聲性能較好27圖5吸聲系數(shù)與孔徑的關(guān)系fig.5 realtionship between sound-absorption coefficient andhole siz4.4厚度的影響這是由于在孔徑和孔隙率一定的情況下，隨著厚度的增大，進(jìn)入孔隙的聲波經(jīng)過孔隙通道也就越長，受到曲折通道的阻擋次數(shù)增多，聲波在孔隙發(fā)生的能量損失也越多。多孔吸聲材料中，高頻聲波主要在材料的表面被吸收，低頻聲波的吸收在材料內(nèi)部，隨著厚度的增大，低頻時吸聲系數(shù)隨厚度的增加而增加的趨勢，而高頻吸聲系數(shù)有所下降27。10材料成型前沿探討圖6吸聲系數(shù)與材料淳度的關(guān)系thickness4.5背后

19、空腔的影響材料背后加空腔，對于閉孔的材料，可以作為亥姆霍茲共振腔，對于 多孔材料來說，背后加空腔，可以提高材料的低頻吸聲性能19。5復(fù)合型吸聲材料5.1梯度孔徑通孔多孔鋁合金28相同厚度下，寬頻范圍內(nèi)梯度孔徑多孔鋁合金的吸聲系數(shù)波動平緩， 整體吸聲性能較現(xiàn)有多孔鋁合金(孔徑等于梯度多孔鋁的平均孔徑)提高 約55%;相同孔徑范圍下，隨著試樣厚度增加，吸聲系數(shù)曲線向低頻偏移，整體吸聲性能增強。5.2穿孔板背面緊貼吸聲薄層的結(jié)構(gòu)29當(dāng)穿孔板背后緊貼吸聲薄層后，由于穿孔末端增加的附加聲阻，將會 敁著提高穿孔板的吸聲效果，同時拓寬吸聲頻帶寬度。5.3雙層的電解多孔鐵鎳薄板復(fù)合結(jié)構(gòu)30可以明顯的拓寬吸聲頻

20、帶，提高吸聲性能，在250 hz2 khz頻率范11材料成型前沿探討圍內(nèi)和等厚度的超細(xì)玻璃棉的吸聲性能大致相當(dāng)。6其他的研究結(jié)果及未來展望6.1其他研究結(jié)果(1) 文獻(xiàn)31對金屬多孔材料吸聲板的優(yōu)化模型進(jìn)行了研宄，在背后 空腔添加廿汕等液體的情況下，通過調(diào)整金屬多孔吸聲板在液體介質(zhì)中吸聲的主要無量綱控制參數(shù)，可以在特定頻率范圍內(nèi)和不超過特定厚度的條 件下，為使吸聲結(jié)構(gòu)達(dá)到特定的吸聲指標(biāo)，提供一個利用無量綱參數(shù)設(shè)計 水下低頻薄層吸聲結(jié)構(gòu)的模型31。(2) 文獻(xiàn)32對金屬纖維多孔材料在高聲強下的吸聲性能預(yù)測進(jìn)行 了研究，結(jié)合非線性流阻模型和umnov aat tenbo rough的聲學(xué)模型，預(yù)測

21、了金屬纖維材料在高聲強下的非線性吸聲性能，并與實驗做了比較，結(jié)果 比較一致，這種預(yù)測方法對在高聲強下纖維吸聲材料的設(shè)計和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。6.2未來展望各類吸聲材料，各具特色和使用價值，纖維制品的吸聲性能較好，但 是在一些物理性能上比泡沫金屬類的材料差33。作為一種有效的吸音材 料，多孔材料已廣泛應(yīng)用于噪聲管理，雖然木質(zhì)纖維板、微穿孔板等也具 有較好的降噪功能，但其應(yīng)用范圍經(jīng)常受到強度和剛度不夠高的限制，多孔金屬降噪材料具冇高比強度、高比剛度、耐腐蝕、防火、防潮、無毒、美觀等良好特性34,在歐美已被用于大城市高架橋吸聲底襯、高速公路 隔聲屏障、隧道壁墻、室內(nèi)天花板等，常用的木質(zhì)或化學(xué)纖維雖

22、然具有很 好的空氣吸聲效果，但其在水下使用時由于阻抗不匹配以及水壓水溫的影 響而受到限制，然而實用性多孔金屬在解決阻抗匹配以及水溫水壓影響方 面則具有不可多得的優(yōu)勢，同時還避免了化學(xué)纖維的易污染性，而在汽車、 船舶以及航空飛行結(jié)構(gòu)屮的阻尼減震方面，多孔金屬因為輕質(zhì)高強的特點 具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景35,36。然而對于金屬多孔材料來說，吸聲性能 有很人的選擇性，生產(chǎn)成木也較高，所以如何降低生產(chǎn)成木，使生產(chǎn)規(guī)?；?，產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化，應(yīng)是今后該領(lǐng)域的研12材料成型前沿探討究重點。環(huán)境問題己經(jīng)成為我們現(xiàn)在而臨的最嚴(yán)重的，就如我們平常的教室，我們總希望它能很好的隔絕噪音，而在教室里面卻能有很好的音質(zhì)效果。多孔泡

23、沬金屬的發(fā)明及應(yīng)用將會是金屬材料的一個很大的改革。7參考文獻(xiàn)1段翠云，崔光，劉培生.材料導(dǎo)報.第18卷第1期2011年2月2齊共金，等j材料開發(fā)與應(yīng)用，2002, 17( 5): 40443李海濤，朱錫，石勇，等.材料科學(xué)與工程學(xué)報,2004, 22( 6): 9349384n.生活現(xiàn)象，2009年第3期5劉鵬輝，楊宜謙，姚京川.j.多孔吸聲材料的吸聲特性研 究.2010-06-176何琳，朱海潮，邱小軍，杜功煥，聲學(xué)理論與工程應(yīng)用m.北京： 科學(xué)出版社,2008: 1051237羅劍,等.j西建筑,2008, 34( 27): 1921938李海濤，等門材料科學(xué)與工程學(xué)報,2004, 22(

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