吸声材料的研究现状与展望

吸声材料的研究现状与展望

【摘要】：文章阐述了吸声材料的吸声机理、吸声材料的分类、性能特点及影响其吸声性能的因素，介绍了吸声材料的研究及应用现状，并根据吸声材料的吸声机理，分析和讨论了提高吸声材料吸声性能应采取的措施，最后对吸声材料的发展做了展望。

【关键词】：吸声材料；多孔吸声；共振吸声；吸声机理

引言

噪声污染同水污染、大气污染被列为世界三大污染，严重影响着人类生活环境的质量。由工业生产、交通运输所产生的城市噪声，不仅危害人类的听觉系统，而且还会加速建筑物，机械结构的老化，影响机器设备的精度和使用寿命等。高速公路、轻轨、机场周围以及电影院、演播厅、体育场馆等都需要进行噪声控制。在某些军事领域，例如水面作战，包括潜艇、鱼雷、水面舰艇都会发出巨大的噪声，如不对其进行有效的控制，就会轻易的暴露在敌方攻击范围之内，从而蒙受巨大的军事损失甚至战争的失败。因此，世界各国都非常重视噪声控制的问题，尤其我国正处在经济高速发展时期，城市化进程非常快，随之产生的噪声问题尤其突出，亟待解决。控制噪声最有效的方法之一就是使用吸声材料。

1．吸声材料的吸声机理

1.1 多孔吸声材料的吸声机理

多孔吸声材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，由声波产生的振动引起孔隙内的空气运动，与孔壁发生摩擦，而紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。其次，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失也使声能衰减。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换耗散，如此反复，直到平衡，由此使材料” 吸收”了部分声能。多孔吸声材料的吸声性能主要取决于材料本身的流阻、孔隙率、厚度、容重等。另外，高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快，空气与孔壁的热交换也加快[1]。因此，多孔材料具有良好的高频吸声性能。

1.2 共振型吸声材料的吸声机理

共振吸声材料的吸声机理属结构吸声，按形式不同可分为腔体共振和薄板共振两种，声学装修工程中穿孔板是典型的共振吸声结构，其机理是单个亥姆霍兹共振器的并联组合，根据亥姆霍兹共振器原理，穿孔板的吸声性能取决于板厚、

孔径、板的穿孔率、板后的空腔厚度以及空腔内填充的材料等因素。薄板共振吸声结构是薄板在声波的作用下产生振动，振动时由于板内部在龙骨间出现磨擦损耗，使声能转变为机械振动，最后转变为热能而起到吸声作用。与薄板材料相似的结构还有薄膜材料等。共振吸声材料吸声频带较窄，主要用于低频、中低频吸声。

2．吸声材料的分类及性能特点

2.1多孔吸声材料多孔吸声材料优点是中高频吸声性能良好，缺点是低频吸声性能较差。多孔吸声材料主要分为有机纤维材料、无机纤维材料、金属吸声材料、高分子吸声材料等。

①有机纤维材料早期使用的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的吸声性能，但防火、防腐、防潮等性能较差[2]。

②无机纤维材料无机纤维材料主要包括玻璃棉、岩棉等。这两种材料分别由玻璃和玄武岩熔化后甩拉而成，虽容重不同，但吸声性能接近，5cm厚时的吸声系数到达0.95左右，因此具有很好的吸声性能，而且具有质轻、不燃、不腐、不易老化、价格低廉等特性，国内外的建筑工程中，大部分都使用这类吸声材料。然而，无机纤维吸声材料也存在性脆易断、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一种新型吸声材料，如今比较典型的金属吸声材料有泡沫铝、金属纤维等。这类材料吸声性能优异，具有电磁屏蔽功能，强度高，耐候、耐高温性能良好，适合在比较恶劣的环境中使用，而且可以回收利用，属于环保型的吸声材料。美国的Goodrich公司生产的SOAB吸声橡胶，选用的就是铝粉作为吸声填料混入橡胶中，吸声性能很好。近年来，国外的汽车上也开始使用一种异形截面金属纤维作为吸声材料。东北大学的尉海军等[3]对铝硅闭孔泡沫铝吸声材料吸声机理进行了研究，并研究了孔隙率和厚度对吸声性能的影响。

④高分子吸声材料近年来，由于综合性能优异，高分子吸声材料得到了广泛的应用，与其他吸声材料比，高分子材料拥有很多的优点，质量轻、吸声系数高、加工方便、无粉尘污染、防水防潮防蛀、适应的范围广等。高分子吸声材料综合了多孔吸声材料的吸声机理和粘弹性阻尼吸声机理，因此具有很好的吸声性能。现在国内外研究较多的高分子吸声材料是聚氨酯泡沫塑料。日本静冈产业研究所的Naoki kino等[4]研究了聚酯纤维的吸声性能，并且发现不同截面形状的聚酯纤维具有不同的吸声性能。美国海军部门采用聚氨酯泡沫与其他材料复合制备的吸声材料，其低频效果尤为突出。国内聚氨酯吸声材料的研究工作最早是由山东蓬莱聚氨酯制品厂开展的，另外北京泡沫塑料厂、北京市射线应用研究中心也开展了这方面的工作，并取得了一定的进展[5]。

2.2 共振吸声材料微穿孔板是新一代的吸声材料，主要用于声学装修工程，如房屋建筑工程中的墙壁或顶棚等，因此微穿孔板需要具有一定的强度，柔软的材料不适合制作微穿孔板，而且当穿孔板的厚度太大时，其声阻会变的很高，吸声性能急剧下降。所以大部分微穿孔板是薄的金属板或塑料板，在应用中受到了一定的限制。Kimihiro Sakagami等[6]-[9]研制出了具有锥形微孔的微穿孔板，解决了这个问题，使厚的穿孔板同样具有优异的吸声性能。同时还研制了一种双层微穿孔板，在两层板中间形成一个空腔，与单层的微穿孔板相比增强了吸声性能，并展宽了吸声频带。

表1列出了各种吸声材料的性能特点及应用现状，从中可以看出吸声材料整体的发展趋势。

可见，各种吸声材料具有不同的特点，应用的环境不同，发挥作用的频段不同，吸声系数也不相同，所以单一的吸声材料很难满足越来越高的噪声控制要求，从表中吸声材料的发展趋势来看，高分子材料是最有发展前景的吸声材料，因此，利用高分子材料的特点制造复合吸声材料是将来研究的重点。

3．改善吸声材料吸声性能的方法

为了提高吸声材料的吸声性能，吸声机理的合理匹配是一个很好的途径，高分子材料在这方面体现了很大的优势。高分子发泡吸声材料具有多孔吸声材料和粘弹性阻尼特性双重吸声机理，因此具有很好的吸