多孔吸声材料的吸声原理及其分类

多孔吸声材料得吸声原理及其分类
一、多孔材料得吸声原理
惠更斯原理:声源得振动引起波动,波动得传播就是由于介质中质点间得相互作用。

在连续介质中,任何一点得振动,都将直接引起邻近质点得振动。

声波在空气中得传播满足其原理。

多孔吸声材料具有许多微小得间隙与连续得气泡,因而具有一定得通气性。

当声波入射到多孔材料表面时,主要就是两种机理引起声波得衰减:首先就是由于声波产生得振动引起小孔或间隙内得空气运动,造成与孔壁得摩擦,紧靠孔壁与纤维表面得空气受孔壁得影响不易动起来,由于摩擦与粘滞力得作用,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得目得;其次,小孔中得空气与孔壁与纤维之间得热交换引起得热损失,也使声能衰减。

另外,高频声波可使空隙间空气质点得振动速度加快,空气与孔壁得热交换也加快。

这就使多孔材料具有良好得高频吸声性能。

二、多孔吸声材料得分类多孔吸声材料按其选材得柔顺程度分为柔顺性与非柔顺性材料,其中柔顺性吸声材料主要就是通过骨架内部摩擦、空气摩擦与热交换来达到吸声得效果;非柔顺性材料主要靠空气得粘滞性来达到吸声得功能。

多孔吸声材料按其选材得物理特性与外观主要分为有机纤维材料,无机纤维材料,吸声金属材料与泡沫材料四大类。

1 有机纤维材料
早期使用得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就是化学纤维,如晴纶棉、涤纶棉等。

这些材料在中、高频范围内具有良好得吸声性能,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得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、矿渣棉与岩棉等。

这类材料不仅具有良好得吸声性能,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得吸声材料,在声学工程中获得广泛得应用。

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得保护材料等缺点。

3 金属吸声材料
金属吸声材料就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。

如今比较典型得金属材料就是铝纤维吸声板与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,故可耐受气流冲击与震动,适用于气流速度较大或震动剧烈得场所。

铝得柔韧性较好,故钻孔、弯曲与裁切加工都很容易。

材料也不会飞散污染环境与刺激皮肤。

(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。

既不会形成大量得废弃垃圾,也节省了资源,称得上就是绿色环保型材料,具有电磁屏蔽效果与良好得导热性能,可用于特殊要求得场所。

铝质纤维吸声材料在国外得使用已很普遍,较多使用在音乐厅、展览馆、教室、高架公路底面得吸声材料,高速公路或冷却塔得声屏障,地铁、隧道等地下潮湿环境得吸声材料。

由于特殊得耐侯性能,特别适宜在室外露天使用。

铝质纤维吸声材料得不足之处就就是生产成本高。

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得企业,但原材料必须依赖进口。

由于铝质纤维吸声材料得突出优点,今后其将在我国声环境得改善与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得汽车消声器。

马健敏等人对变截面不锈钢纤维材料得吸声特性进行了较全面得实验研究,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得影响;张燕等人还进一步对不锈钢纤维加穿孔板复合结构得吸声特性进行了研究[10 ] 。

综合以上得研究发现,金属纤维材料具有如下特点:
(1) 单一材料吸收高频噪声得性能优异,在配合微穿孔板或增加空气层后,金属纤维材料得低频吸声性能得到明显改善;
(2) 抗恶劣工作环境得能力强,在高温、油污、水汽等条件下,仍可以作为理想得吸声材料。

4 泡沫材料
根据泡沫孔形式得不同,可分为开孔型泡沫材料与闭孔型泡沫材料。

前者得泡沫孔就是相互连通得,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。

后者得泡沫孔就是封闭得,泡沫孔之间就是互不相通得,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与闭孔泡沫铝材料得结构示意图。

图1 泡沫铝得形貌
以上各类多孔吸声材料均有优缺点与各自得适用范围,然而随着研究工作得进一步开展,各类材料得新产品数量不断增多,它们得一些缺点得到克服,其适用范围也得到扩大,其中尤以泡沫材料得发展最为迅速,开发得种类也相对较多。

本文将对泡沫吸声材料得研究进展情况进行比较详细得介绍。

多孔材料就是如何吸声得？
一般多孔材料内部具有大量得小孔,这些微小细孔相互连通并直接通向材料得表面,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
材料内部得声波在缝隙与小孔中传播,空气运动会产生粘滞与摩擦作用,同时小孔中空气受压缩
时温度升高,稀疏时温度降低,以及材料得热传导效应,从而使声能逐渐转变成热能所消耗,这种能量得转变就是不可逆得,因此材料就产生了吸声作用。

对于这种具有良好吸声性能得材料,一
般被称为多孔吸声材料。

其吸声性能与小孔得大小、数量、构造形式等有关,而且材料就产生了
一定得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
得多孔材料,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得隔热保温作用,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与闭孔型多孔隔热材料中得小孔。

多孔型
吸声材料一般就是中高频得吸声系数比较大,而低频段得吸声系数比较小。

如果材料内部有很多互相连通得细微空隙,由空隙形成得空气通道,可模拟为由固体框架间形成许多细管或毛细管组成得管道构造。

当声波传入时,因细管中*近管壁与管中间得声波振动速度不同,由媒质间速度差引起得内摩擦,使声波振动能量转化为热能而被吸收。

好得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、棉麻与人造纤维棉、特制得金属纤维棉等等,也包括空隙连通得泡沫塑料之类。

吸声性能与材料得纤维空隙结构有关,如纤维得粗细(微米至几十微米间为好)与材料密度(决定纤维之间“ 毛细管” 得等效直径)、材料内空气容积与材料体积之比(称空隙率,玻璃棉得空隙率在90%以上)、材料内空隙得形状结构等。

从使用得角度,可以不管吸声得机理,只要查阅材料吸声系数得实验结果即可。

当然在选用时还要注意材料得防潮、防火以及可装饰性等其她要求。

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。

定性得吸声频率特性见图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得位置,大体上就是f0对应得波长为材料厚度t得4倍。

当材料厚度增加时,可以改善低频得吸声特性。

图1中t2大于t1,相同频率时t2得吸声系数大于t1得吸声系数。

如果t2=2t1,则相同吸声系数对应得频率大约为f2=f1,即厚度增加一倍,低频吸声系数得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得,因为声波在材料得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。

不同材料有不同得有效厚度。

像玻璃棉一类好得吸声材料,一般用5cm左右得厚度,很少用到10cm以上。

而像纤维板一类较微密得材料,其材料纤维间空隙非常小,声波传播得阻尼非常大,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得低频吸声性能差就是普遍规律。

一种改进得方法就是将整块得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,空气与材料得比例逐渐变化,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得限制,达到材料得基部,从而可改善低频吸声性能。

吸声频率特性仍与图1相似,最大吸声系数得频率f0对应得波长大约为尖劈吸声结构长度t得4倍。

例如要使100hz以上频率都有很高得吸声系数,吸声尖劈得长度约为87cm左右。

当然这样得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得噪声控制工程。