多孔吸声材料的吸声原理及其分类

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，而波动的传播是由于介质中粒子之间的相互作用。在连续介质中，任何一点的振动都会直接引起相邻颗粒的振动。声波在空气中的传播符合

其原理。多孔吸声材料有许多微小的缝隙和连续的气泡，因此具有一定的透气性。当声波

入射到多孔材料表面时，主要有两种机制导致声波衰减：首先，声波产生的振动导致小孔

或缝隙中的空气运动，导致与孔壁摩擦。靠近孔壁和纤维表面的空气在孔壁的影响下不易

移动。由于摩擦力和粘滞力的作用，相当一部分声能转化为热能，从而衰减声波，减弱反

射声，从而达到吸声的目的；其次，小孔中的空气和孔壁与光纤之间的热交换引起的热损

失也会衰减声能。此外，高频声波可以加速空隙间空气颗粒的振动速度，以及空气与孔壁

之间的热交换。这使得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是植物纤维制品，如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木纤维板、水泥木棉板、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，如腈

纶棉、涤棉等。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。此外，文献还研究了纺织纤维超高频声波的吸声性能，证明该纤维材料在超高频

声波场中基本没有吸声效果。无机纤维2

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20世纪70年代末在发达工业国家出现的一种新型实用工程材料。目前，典型的金属材料有铝纤维吸声板和变截面金属纤维材料。铝纤维吸声板具有以下特点：

(1)超薄轻质,吸声性能优异。

（2）强度高，加工安装方便。由于采用全铝材料，能承受气流的冲击和振动，适用

于气流速度大或振动剧烈的场所。铝具有良好的柔韧性，因此钻孔、弯曲和切割都很容易。这种材料不会飞走，污染环境，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。

近年来，可变截面金属纤维材料已逐渐应用于国外轿车，国内奥迪和桑塔纳轿车也开

始使用这种材料作为带消声器芯的汽车消声器。马建民等对变截面不锈钢纤维材料的吸声

特性进行了全面的实验研究，分析了材料厚度、材料容重、材料含水量和材料背后空气层

对吸声性能的影响；张燕等人进一步研究了不锈钢纤维与多孔板复合结构的吸声特性[10]。基于上述研究，发现金属纤维材料具有以下特点：

(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）具有较强的抗恶劣工作环境能力。在高温、油污、水蒸气等条件下仍能作为理

想的吸声材料使用。

4泡沫材料

根据泡沫孔的不同形式，可分为开孔泡沫和闭孔泡沫材料。前者的泡沫相互连接，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，泡沫孔之间没有相互连接。它们的吸声性能很差，属于隔热材料。如

聚苯乙烯泡沫、中空泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。图1显示了以泡沫铝为例的开孔和闭

孔泡沫铝的结构示意图。

图1泡沫铝的形貌

各种多孔吸声材料各有优缺点和各自的应用领域。然而，随着研究工作的进一步发展，各种材料的新产品数量不断增加。克服了一些缺点，扩大了应用范围。本文详细介绍了泡

沫吸声材料的研究进展。

多孔材料是如何吸声的？

通常，多孔材料内部有大量小孔。这些小孔相互连接，直接通向材料表面。当声波入

射到这种多孔材料的表面时，一些声波会穿透材料内部，一些声波会在材料表面反射。穿

透

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

当温度升高时，当其稀疏时，温度降低，材料的热传导效应减弱，使声能逐渐转化为

热能

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

通常称为多孔吸声材料。它的吸声性能与小孔的大小、数量和结构形式有关，并且材

料是生产出来的

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

当声波入射到材料表面时，声波无法穿透材料，因此不会产生吸收

声作

使用这种多孔材料一般具有良好的隔热效果，称为隔热或隔热材料。比如聚苯乙烯泡

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

一般来说，吸声材料在中高频段的吸声系数较大，而在低频段的吸声系数相对较小。

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α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。