多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類

1、多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類一、多孔材料的吸聲原理惠更斯原理 : 聲源的振動(dòng)引起波動(dòng) , 波動(dòng)的傳播是由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。 在連續(xù)介質(zhì)中 , 任何一點(diǎn)的振動(dòng) , 都將直接引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。聲波在空氣中的傳播滿足其原理。多孔吸聲材料具有許多微小的間隙和連續(xù)的氣泡, 因而具有一定的通氣性。當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí), 主要是兩種機(jī)理引起聲波的衰減: 首先是由于聲波產(chǎn)生的振動(dòng)引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng), 造成和孔壁的摩擦, 緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁的影響不易動(dòng)起來 , 由于摩擦和粘滯力的作用, 使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能, 從而使聲波衰減, 反射聲減弱達(dá)到吸聲的目的; 其次 , 小

2、孔中的空氣和孔壁與纖維之間的熱交換引起的熱損失, 也使聲能衰減。另外 , 高頻聲波可使空隙間空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度加快, 空氣與孔壁的熱交換也加快。這就使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能。二、多孔吸聲材料的分類多孔吸聲材料按其選材的柔順程度分為柔順性和非柔順性材料, 其中柔順性吸聲材料主要是通過骨架內(nèi)部摩擦、空氣摩擦和熱交換來達(dá)到吸聲的效果;非柔順性材料主要靠空氣的粘滯性來達(dá)到吸聲的功能。 多孔吸聲材料按其選材的物理特性和外觀主要分為有機(jī)纖維材料 , 無機(jī)纖維材料 , 吸聲金屬材料和泡沫材料四大類。1 有機(jī)纖維材料早期使用的吸聲材料主要為植物纖維制品, 如棉麻纖維、毛氈、甘蔗纖維板、木質(zhì)纖維板、水泥

3、木絲板以及稻草板等有機(jī)天然纖維材料。有機(jī)合成纖維材料主要是化學(xué)纖維, 如晴綸棉、滌綸棉等。這些材料在中、高頻范圍內(nèi)具有良好的吸聲性能, 但防火、防腐、防潮等性能較差。除此之外 , 文獻(xiàn)還對(duì)紡織類纖維超高頻聲波的吸聲性能進(jìn)行了研究, 證實(shí)在超高頻聲波場(chǎng)中 , 這種纖維材料基本上沒有任何吸聲作用。2 無機(jī)纖維材料無機(jī)纖維材料不斷問世, 如玻璃棉、礦渣棉和巖棉等。這類材料不僅具有良好的吸聲性能, 而且具有質(zhì)輕、不燃、 不腐、 不易老化、價(jià)格低廉等特性 , 從而替代了天然纖維的吸聲材料, 在聲學(xué)工程中獲得廣泛的應(yīng)用。但無機(jī)纖維吸聲材料存在性脆易斷、受潮后吸聲性能急劇下降、質(zhì)地松軟需外加復(fù)雜的保護(hù)材料等

4、缺點(diǎn)。3 金屬吸聲材料金屬吸聲材料是一種新型實(shí)用工程材料 , 于七十年代后期出現(xiàn)于發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家。如今比較典型的金屬材料是鋁纖維吸聲板和變截面金屬纖維材料。其中鋁纖維吸聲板具有如下特點(diǎn):(1) 超薄輕質(zhì) , 吸聲性能優(yōu)異。1 / 5(2) 強(qiáng)度高 , 加工及安裝方便。由于全部采用鋁質(zhì)材料, 故可耐受氣流沖擊和震動(dòng) , 適用于氣流速度較大或震動(dòng)劇烈的場(chǎng)所。鋁的柔韌性較好 , 故鉆孔、彎曲和裁切加工都很容易。材料也不會(huì)飛散污染環(huán)境和刺激皮膚。(3) 耐候、耐高溫性能良好。鋁纖維難以吸水, 浸水后取出水分立即流失 , 且易于干燥 ,干燥后吸聲性能可以完全恢復(fù)。含水結(jié)冰時(shí)材料不受損壞, 因而對(duì)冷熱環(huán)境都

5、適用。(4) 不含有機(jī)粘結(jié)劑 , 可回收利用。既不會(huì)形成大量的廢棄垃圾, 也節(jié)省了資源 , 稱得上是綠色環(huán)保型材料 , 具有電磁屏蔽效果和良好的導(dǎo)熱性能 , 可用于特殊要求的場(chǎng)所。 鋁質(zhì)纖維吸聲材料在國(guó)外的使用已很普遍 , 較多使用在音樂廳、展覽館、教室、高架公路底面的吸聲材料 , 高速公路或冷卻塔的聲屏障 , 地鐵、隧道等地下潮濕環(huán)境的吸聲材料。 由于特殊的耐侯性能 , 特別適宜在室外露天使用。鋁質(zhì)纖維吸聲材料的不足之處就是生產(chǎn)成本高。目前僅日本能夠生產(chǎn)這種鋁纖維 , 上海已經(jīng)有了生產(chǎn)鋁質(zhì)纖維吸聲材料的企業(yè), 但原材料必須依賴進(jìn)口。由于鋁質(zhì)纖維吸聲材料的突出優(yōu)點(diǎn) , 今后其將在我國(guó)聲環(huán)境的改

6、善和噪聲控制中發(fā)揮作用。變截面金屬纖維材料近年來已逐漸在國(guó)外汽車上開始使用, 國(guó)內(nèi)奧迪、桑塔納汽車也開始使用這種材料作為消聲器芯的汽車消聲器。馬健敏等人對(duì)變截面不銹鋼纖維材料的吸聲特性進(jìn)行了較全面的實(shí)驗(yàn)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氣層對(duì)吸聲性能的影響 ; 張燕等人還進(jìn)一步對(duì)不銹鋼纖維加穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲特性進(jìn)行了研究10 。綜合以上的研究發(fā)現(xiàn) , 金屬纖維材料具有如下特點(diǎn) :(1) 單一材料吸收高頻噪聲的性能優(yōu)異 , 在配合微穿孔板或增加空氣層后 , 金屬纖維材料的低頻吸聲性能得到明顯改善 ;(2) 抗惡劣工作環(huán)境的能力強(qiáng) , 在高溫、油污、水汽等條件下 ,

7、仍可以作為理想的吸聲材料。4泡沫材料根據(jù)泡沫孔形式的不同, 可分為開孔型泡沫材料和閉孔型泡沫材料。前者的泡沫孔是相互連通的 , 屬于吸聲泡沫材料, 如吸聲泡沫塑料、吸聲泡沫玻璃、 吸聲陶瓷、 吸聲泡沫混凝土等。后者的泡沫孔是封閉的, 泡沫孔之間是互不相通的, 其吸聲性能很差, 屬于保溫隔熱材料。如聚苯乙烯泡沫、隔熱泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。圖1 以泡沫鋁為例給出了開孔和閉孔泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)示意圖。2 / 5圖 1泡沫鋁的形貌以上各類多孔吸聲材料均有優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍, 然而隨著研究工作的進(jìn)一步開展,各類材料的新產(chǎn)品數(shù)量不斷增多 , 它們的一些缺點(diǎn)得到克服 , 其適用范圍也得到擴(kuò)大 , 其

8、中尤以泡沫材料的發(fā)展最為迅速 , 開發(fā)的種類也相對(duì)較多。本文將對(duì)泡沫吸聲材料的研究進(jìn)展情況進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹。多孔材料是如何吸聲的？一般多孔材料內(nèi)部具有大量的小孔， 這些微小細(xì)孔相互連通并直接通向材料的表面， 當(dāng)聲波入射到這種開孔性材料表面時(shí)，一部分聲波會(huì)透入材料內(nèi)部，一部分聲波在材料表面反射。透入材料內(nèi)部的聲波在縫隙和小孔中傳播， 空氣運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生粘滯和摩擦作用， 同時(shí)小孔中空氣受壓縮時(shí)溫度升高， 稀疏時(shí)溫度降低， 以及材料的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，從而使聲能逐漸轉(zhuǎn)變成熱能所消耗，這種能量的轉(zhuǎn)變是不可逆的，因此材料就產(chǎn)生了吸聲作用。對(duì)于這種具有良好吸聲性能的材料，一般被稱為多孔吸聲材料。 其吸聲性能與小孔

9、的大小、數(shù)量、構(gòu)造形式等有關(guān)， 而且材料就產(chǎn)生了一定的厚度才能起吸聲作用。 對(duì)于材料內(nèi)部雖具有大量微孔， 但這些微小細(xì)孔相互封閉而不連通的多孔材料， 當(dāng)使波入射到這種材料表面時(shí)，因聲波無法透入材料內(nèi)部，因此它不會(huì)產(chǎn)生吸3 / 5聲作用。這類多孔材料一般具有良好的隔熱保溫作用，被稱為隔熱或者絕熱材料。如聚苯乙烯泡沫板、硬質(zhì)聚氨酯板、酚醛泡沫板等。開孔型多孔吸聲材料和閉孔型多孔隔熱材料中的小孔。多孔型吸聲材料一般是中高頻的吸聲系數(shù)比較大，而低頻段的吸聲系數(shù)比較小。如果材料內(nèi)部有很多互相連通的細(xì)微空隙，由空隙形成的空氣通道， 可模擬為由固體框架間形成許多細(xì)管或毛細(xì)管組成的管道構(gòu)造。當(dāng)聲波傳入時(shí)，因細(xì)

10、管中* 近管壁與管中間的聲波振動(dòng)速度不同， 由媒質(zhì)間速度差引起的內(nèi)摩擦，使聲波振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料，稱多孔性吸聲材料，如玻璃棉、巖棉、礦碴棉、棉麻和人造纖維棉、特制的金屬纖維棉等等， 也包括空隙連通的泡沫塑料之類。吸聲性能與材料的纖維空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，如纖維的粗細(xì) ( 微米至幾十微米間為好) 和材料密度 ( 決定纖維之間“毛細(xì)管 ”的等效直徑 ) 、材料內(nèi)空氣容積與材料體積之比( 稱空隙率，玻璃棉的空隙率在90%以上 ) 、材料內(nèi)空隙的形狀結(jié)構(gòu)等。從使用的角度， 可以不管吸聲的機(jī)理， 只要查閱材料吸聲系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可。當(dāng)然在選用時(shí)還要注意材料的防潮、防火以及可裝

11、飾性等其他要求。多孔性吸聲材料有一個(gè)基本吸聲特性，即低頻吸聲差， 高頻吸聲好。 定性的吸聲頻率特性見圖 1。頻率高到一定值附近，見圖 1中 f0 ，吸聲系數(shù) 達(dá)到最大值， 頻率繼續(xù)增大時(shí)，吸聲系數(shù)在高端有些波動(dòng)。這個(gè)f0的位置，大體上是f0對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為材料厚度t 的 4倍。當(dāng)材料厚度增加時(shí)，可以改善低頻的吸聲特性。圖1 中 t2大于 t1 ，相同頻率時(shí)t2的吸聲系數(shù)大于 t1 的吸聲系數(shù)。如果t2=2t1 ，則相同吸聲系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率大約為f2=f1，即厚度增加一倍， 低頻吸聲系數(shù)的頻率特性向低頻移一個(gè)倍頻程。但并非可以一直增加厚度來提高低頻吸聲系數(shù)的， 因?yàn)槁暡ㄔ诓牧系目障吨袀鞑r(shí)有阻尼，使增加厚度來改善低頻吸聲受到限制。 不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一類好的吸聲材料， 一般用 5cm 左右的厚度，很少用到 10cm以上。而像纖維板一類較微密的材料，其材料纖維間空隙非常小，聲波傳播的阻尼非常大，不僅吸聲系數(shù)小，而且有效厚度也非常小。一般平板狀吸聲材料的低頻吸聲性能差是普遍規(guī)律。一種改進(jìn)的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀，見圖2，當(dāng)聲波傳播到尖劈狀材料時(shí)，從尖部到基部，空氣與材料的比例逐漸變化， 也即聲阻抗逐漸變化，聲波傳播就超出平板狀材料有效厚度的限制，達(dá)到材料的基部，從而