吸聲材料的研究與應用
摘要：利用吸聲材料來吸聲降噪是治理噪聲污染的重要途徑之一。闡述了共振吸聲材料與多孔吸聲材料吸聲降噪的機理，較為詳細的介紹了各種吸聲材料的分類、研究與應用及性能評價，對吸聲材料未來研究發(fā)展趨勢加以展望。
噪聲污染已成為當代世界性的問題，同水污染和大氣污染一起被列為全球三大污染 。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸事業(yè)的迅速發(fā)展，噪聲污染日趨嚴重，它對人們身心健康的危害，日益為人們所認識和關注，并且在人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的大中城市，噪聲污染的程度越加嚴重，成為環(huán)境治理過程中倍受關注的熱點問題。
對噪聲的防治措施主要是控制聲源和采用吸聲材料 。聲源控制主要是通過改進設備結構，提高加工和裝配質量，以降低聲源的輻射能量；而實際應用中最有效的噪聲治理則是通過采用吸聲材料來達到降噪的效果。
1.吸聲機理
按吸聲機理的差異，吸聲材料可分為共振吸聲材料和多孔吸聲材料兩大類。
共振吸聲材料相當于多個亥姆霍茲吸聲共振器并聯(lián)而成的共振吸聲結構。當聲波垂直入射到材料表面時，材料內(nèi)及周圍的空氣隨聲波一起來回振動，相當于一個活塞，它反抗體積速度的變化是個慣性量。材料與壁面間的空氣層相當于一個彈簧，它可以起到阻止聲壓變化的作用。不同頻率的聲波人射時，這種共振系統(tǒng)會產(chǎn)生不同的響應。當入射聲波的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)內(nèi)空氣的振動很強烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當入射聲波的頻率遠離系統(tǒng)固有的共振頻率時，系統(tǒng)內(nèi)空氣的振動很弱，因此吸聲的作用很小？梢，這種共振吸聲結構的吸聲系數(shù)隨頻率而變化，最高吸聲作用出現(xiàn)在系統(tǒng)的共振頻率處。
多孔材料內(nèi)部具有大量細微孔隙，孔隙間彼此貫通，孔隙深人材料內(nèi)部且通過表面與外界相通，當聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透入到材料內(nèi)部向前傳播。在傳播過程中，引起孔隙的空氣運動，與形成孔壁的固體筋絡發(fā)生摩擦，由于粘滯性和熱傳導效應，將聲能轉變?yōu)闊崮芏纳⒌。同時，小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。此外，聲波在鋼性壁面反射后，經(jīng)過材料回到其表面時，一部分聲波透射到空氣中，一部分又反射回材料內(nèi)部。聲波通過這種反復傳播，使能量不斷轉換耗散，如此反復，直到平衡，進一步降低了部分聲能。
2.共振吸聲材料
2．1 薄板共振吸聲材料
用各類薄板固定在骨架上，板后留有空腔就構成了薄板共振吸聲結構。當聲波入射到該結構時，薄板在聲波交變壓力激發(fā)下被迫振動，使板心彎曲變形，出現(xiàn)了板內(nèi)部摩擦損耗，而將機械能變?yōu)闊崮。在共振頻率時，消耗聲能最大。共振頻率f0的計算式如下：
f0=600/M0L (1)
式中M0為板材的面密度(kg／m2)；L為板后空氣層的厚度(cm)。在同一材料中，板越厚，共振頻率越低；其后的空氣層越大，共振頻率也越低。這類結構在劇場建筑中應用最廣。在觀眾廳、排練廳和琴室內(nèi)的膠合板護墻即為薄板共振吸聲結構。共振頻率一般在60—315Hz范圍內(nèi)。如在板后空腔內(nèi)或龍骨邊緣填以多孔吸聲材料，可將吸聲頻帶展寬。
2．2 穿孔板共振吸聲材料
在薄板上穿孔，并離結構層一定距離安裝，就形成穿孔板共振吸聲結構。金屬板制品，膠合板、硬質纖維板、石膏板和石棉水泥板等，在其表面開一定數(shù)量的孔，其后具有一定厚度的封閉空氣層就組成了穿孔板吸聲結構。它的吸聲性能是和板厚、孔徑、孔距、空氣層的厚度以及板后所填的多孔材料的性質和位置有關。它的吸聲特性是以一邊的頻率為中心呈 “山”形，主要是吸收中、低頻的聲能。穿孔板吸聲結構空腔無吸聲材料時，最大吸聲系數(shù)約為0．3-0．6，這時穿孔率不宜過大，以1％ 一50％比較合適。穿孔率大，則吸聲系數(shù)峰值下降，且吸聲帶寬變窄。在穿孔板吸聲結構空腔內(nèi)放置多孔吸聲材料，可增大吸聲系數(shù)，并展寬有效吸聲頻帶，尤其當多孔材料貼近穿孔板時吸聲效果最好。
2．3 微穿孔板共振吸聲材料
由于穿孔板吸聲結構存在吸聲頻帶較窄的缺點，近年來國內(nèi)研制出了微穿孔板吸聲結構。著名聲學專家馬大猷教授等奠定了微穿孔板吸聲結構的理論基礎，給出了具體設計方法，可以設計制造各種型式的微穿孔板吸聲結構。通常，采用板厚、孔徑均在1 mm以下，穿孔率為1％ 一3％ 的薄金屬板(通常用鋁板)與背后空氣層組成微穿孔板吸聲結構。微穿孔板的孔細而密；因此比穿孔板的聲阻大，而聲質量小，從而在吸聲系數(shù)和吸聲頻帶方面優(yōu)于穿孔板。微穿孔板結構不需在板后配置多孔吸聲材料使結構大為簡化，同時具有衛(wèi)生、美觀、耐高溫等優(yōu)點。當用微穿孔板作消聲器時，在高速氣流條件下，阻力損失較小，因此，這類材料在空調(diào)系統(tǒng)的消聲結構中應用較廣。
3.多孔吸聲材料
多孔材料是普遍應用的吸聲材料，按其所選材料的物理特性和外觀，主要分為纖維材料和泡沫材料，而纖維材料又分為無機纖維材料和有機纖維材料。
3．1 無機纖維吸聲材料
無機纖維吸聲材料主要指巖棉、玻璃棉以及硅酸鋁纖維棉等人造無機纖維材料。玻璃棉分為短棉、超細棉以及中級纖維3種。這類材料不僅具有良好的吸聲性能而且具有質輕、不燃、不腐、不易老化等特性，在聲學工程中獲得廣泛的應用。但由于其性脆易斷，受潮后吸聲性能下降嚴重、易對環(huán)境產(chǎn)生危害等原因，適用范圍受到很大的限制。目前這類纖維吸聲材料采用先進的加工方法，可以加工成氈狀、板狀等，經(jīng)過防潮處理后，可以生產(chǎn)出穩(wěn)定性好、吸濕率低、施工性能好的產(chǎn)品。
3．2 有機纖維吸聲材料
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、木質纖維板以及稻草板等有機天然纖維材料。有機合成纖維材料主要是化學纖維，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，從而大大限制了其應用。
3．3 泡沫吸聲材料
根據(jù)材料的物理化學性質的不同，泡沫吸聲材料可以分為泡沫金屬、泡沫塑料和泡沫玻璃吸聲材料。 3．3．1 泡沫金屬吸聲材料
泡沫金屬是一種新型多孔吸聲材料，經(jīng)過發(fā)泡處理在其內(nèi)部形成大量的氣泡，這些氣泡分布在連續(xù)的金屬相中構成孔隙結構，使泡沫金屬把連續(xù)相金屬的特性(如強度大、導熱性好、耐高溫等)與分散相氣孔的特性(如阻尼性、隔離性、絕緣性、消聲減震性等)有機結合在一起；同時，泡沫金屬還具有良好的電磁屏蔽性和抗腐蝕性能 。泡沫金屬最早由美國Ethyl 公司從20世紀60年代開始研究，我國對泡沫金屬的研制始于20世紀80年代。目前泡沫金屬研究已經(jīng)涉及到的金屬包括Al、Ni、Cu、Mg等，其中研究最多的是泡沫鋁及其合金。國內(nèi)還有人對泡沫鋁的水下聲吸收特性及影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁同時具有較好的水下吸聲性能。泡沫鋁已經(jīng)成功應用于空壓機房、列車發(fā)動機房、聲頻室、施工現(xiàn)場等吸聲領域，并取得了很好的效果。
3．3．2 泡沫塑料吸聲材料
當前應用比較多的泡沫塑料吸聲材料主要是聚氨酯泡沫塑料。這種材料無臭、透氣、氣泡均勻、耐老化、抗有機溶劑侵蝕，對金屬、木材、玻璃、磚石、纖維等有很強的粘合性。特別是硬質聚氨酯泡沫塑料還具有很高的結構強度和絕緣性-l引。目前我國已開發(fā)研制并生產(chǎn)了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。該產(chǎn)品正面有一層不影響吸聲的阻燃薄膜覆蓋，防止灰塵和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干膠，安裝時可直接粘貼。聚氨酯泡沫塑料板是一種性能良好的強吸聲體，具有阻燃性好、容重輕、耐潮、易于切割和安裝方便等特點，適用于機電產(chǎn)品的隔聲罩，吸聲屏障，空調(diào)消聲器，以及在影劇院、會堂、廣播室、電影錄音室、電視演播室等音質設計工程中控制混響時間。
此外，用于吸聲材料的泡沫塑料還有橡膠改性的聚丙烯泡沫塑料、聚偏二氟乙烯泡沫塑料和聚氰胺酯泡沫等。
3．3．3 泡沫玻璃吸聲材料
泡沫玻璃是以玻璃粉為原料，加入發(fā)泡劑及其它外摻劑經(jīng)高溫焙燒而成的輕質塊狀材料，其孔隙率可達85％以上。泡沫玻璃板厚度的增加對吸聲系數(shù)影響不明顯，因此一般選用20 30mm厚的板材，可以獲得比較高的性價比。泡沫玻璃具有質輕、不燃、不腐、不易老化、無氣味、受潮甚至吸水后不變形、易于切割加工、施工方便和不會產(chǎn)生纖維粉塵污染環(huán)境等優(yōu)點，非常適合于要求潔凈環(huán)境的通風和空調(diào)系統(tǒng)的消聲。由于泡沫玻璃板強度較低，背后不宜留空腔，否則容易損壞，所以靠增加空腔來提高此類材料低頻吸聲性能的方法，其效果較差。
4.材料吸聲性能的評價
吸聲材料的吸聲性能好壞，主要通過其吸聲系數(shù)的高、低來表示。吸聲系數(shù)是指聲波在物體表面反射時，其能量被吸收的百分率，通常用符號a表示，a 值越大，吸聲性能就越好。
a=(Ei—Ea)／Ei (2)
式中，Ea為未被吸收的聲能，Ei為人射總聲能。由于材料的吸聲系數(shù)有關，即同一材料各個頻率的吸聲系數(shù)是不同的。我國混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)定的測試頻率范圍為100—5 000 Hz。降噪系數(shù)(NRC)是取250、500、1 000和2 000 4個頻帶吸聲系數(shù)的平均值。
NRC=(a250+a500+a1000+a2000)／4 (3)
對于室內(nèi)音質設計和噪聲控制所用的吸聲材料，我國已制定吸聲性能等級劃分的國家標準GB／T16731-997。該標準規(guī)定了采用降噪系數(shù)的大小來評定材料的吸聲性能等級。大多數(shù)材料都有一定的吸聲能力，一般把平均吸聲系數(shù)大于0．2的材料稱為吸聲材料，平均吸聲系數(shù)大于0．56的材料稱為高效吸聲材料。
未來展望
吸聲材料的研究與應用對于噪聲污染的治理具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的吸聲材料因其存在著諸多缺陷，如：降噪系數(shù)低、使用壽命短、易潮解和二次污染等，已逐漸淡出市場而為新型吸聲材料所替代。多孔吸聲材料對于中高頻噪聲具有較好的吸聲效果，而共振吸聲材料則可以較好的吸收中低頻噪聲。因此，如何在研究新材料、新工藝、新結構等方面，特別是在如何利用新型構造形式最大限度地發(fā)揮吸聲材料的吸聲性能，設計出適合各種場合需求的新結構，將是未來吸聲材料發(fā)展的一大趨勢。這就需要走材料復合的道路，把無機材料與有機材料復合，將多孔吸聲與共振吸聲相結合，開發(fā)新一代高效吸聲材料；同時，還應進一步降低生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)規(guī)模化、產(chǎn)品優(yōu)質化，吸聲材料的研究任重道遠。
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