吸声材料的研究与应用

      噪声污染已成为当代世界性的问题，同水污染和大气污染一起被列为全球三大污染 。随着工业、农业、交通运输事业的迅速发展，噪声污染日趋严重，它对人们身心健康的危害，日益为人们所认识和关注，并且在人口密集、经济发达的大中城市，噪声污染的程度越加严重，成为环境治理过程中倍受关注的热点问题。
对噪声的防治措施主要是控制声源和采用吸声材料 。声源控制主要是通过改进设备结构，提高加工和装配质量，以降低声源的辐射能量；而实际应用中最有效的噪声治理则是通过采用吸声材料来达到降噪的效果。
    1.吸声机理
     按吸声机理的差异，吸声材料可分为共振吸声材料和多孔吸声材料两大类。
     共振吸声材料相当于多个亥姆霍兹吸声共振器并联而成的共振吸声结构。当声波垂直入射到材料表面时，材料内及周围的空气随声波一起来回振动，相当于一个活塞，它反抗体积速度的变化是个惯性量。材料与壁面间的空气层相当于一个弹簧，它可以起到阻止声压变化的作用。不同频率的声波人射时，这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接近系统的固有频率时，系统内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射声波的频率远离系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。可见，这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声作用出现在系统的共振频率处。
      多孔材料内部具有大量细微孔隙，孔隙间彼此贯通，孔隙深人材料内部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，引起孔隙的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。同时，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。此外，声波在钢性壁面反射后，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，进一步降低了部分声能。
      2.共振吸声材料
      2．1 薄板共振吸声材料
      用各类薄板固定在骨架上，板后留有空腔就构成了薄板共振吸声结构。当声波入射到该结构时，薄板在声波交变压力激发下被迫振动，使板心弯曲变形，出现了板内部摩擦损耗，而将机械能变为热能。在共振频率时，消耗声能最大。共振频率f0的计算式如下：
       f0=600/M0L   (1)
  式中M0为板材的面密度(kg／m2)；L为板后空气层的厚度(cm)。在同一材料中，板越厚，共振频率越低；其后的空气层越大，共振频率也越低。这类结构在剧场建筑中应用最广。在观众厅、排练厅和琴室内的胶合板护墙即为薄板共振吸声结构。共振频率一般在60—315Hz范围内。如在板后空腔内或龙骨边缘填以多孔吸声材料，可将吸声频带展宽。
      2．2 穿孔板共振吸声材料
在薄板上穿孔，并离结构层一定距离安装，就形成穿孔板共振吸声结构。金属板制品，胶合板、硬质纤维板、石膏板和石棉水泥板等，在其表面开一定数量的孔，其后具有一定厚度的封闭空气层就组成了穿孔板吸声结构。它的吸声性能是和板厚、孔径、孔距、空气层的厚度以及板后所填的多孔材料的性质和位置有关。它的吸声特性是以一边的频率为中心呈 “山”形，主要是吸收中、低频的声能。穿孔板吸声结构空腔无吸声材料时，最大吸声系数约为0．3-0．6，这时穿孔率不宜过大，以1％ 一50％比较合适。穿孔率大，则吸声系数峰值下降，且吸声带宽变窄。在穿孔板吸声结构空腔内放置多孔吸声材料，可增大吸声系数，并展宽有效吸声频带，尤其当多孔材料贴近穿孔板时吸声效果最好。
      2．3 微穿孔板共振吸声材料
      由于穿孔板吸声结构存在吸声频带较窄的缺点，近年来国内研制出了微穿孔板吸声结构。著名声学专家马大猷教授等奠定了微穿孔板吸声结构的理论基础，给出了具体设计方法，可以设计制造各种型式的微穿孔板吸声结构。通常，采用板厚、孔径均在1 mm以下，穿孔率为1％ 一3％ 的薄金属板(通常用铝板)与背后空气层组成微穿孔板吸声结构。微穿孔板的孔细而密；因此比穿孔板的声阻大，而声质量小，从而在吸声系数和吸声频带方面优于穿孔板。微穿孔板结构不需在板后配置多孔吸声材料使结构大为简化，同时具有卫生、美观、耐高温等优点。当用微穿孔板作消声器时，在高速气流条件下，阻力损失较小，因此，这类材料在空调系统的消声结构中应用较广。
       3.多孔吸声材料
      多孔材料是普遍应用的吸声材料，按其所选材料的物理特性和外观，主要分为纤维材料和泡沫材料，而纤维材料又分为无机纤维材料和有机纤维材料。
      3．1 无机纤维吸声材料
无机纤维吸声材料主要指岩棉、玻璃棉以及硅酸铝纤维棉等人造无机纤维材料。玻璃棉分为短棉、超细棉以及中级纤维3种。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、不易老化等特性，在声学工程中获得广泛的应用。但由于其性脆易断，受潮后吸声性能下降严重、易对环境产生危害等原因，适用范围受到很大的限制。目前这类纤维吸声材料采用先进的加工方法，可以加工成毡状、板状等，经过防潮处理后，可以生产出稳定性好、吸湿率低、施工性能好的产品。
     3．2 有机纤维吸声材料
    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，从而大大限制了其应用。
    3．3 泡沫吸声材料
根据材料的物理化学性质的不同，泡沫吸声材料可以分为泡沫金属、泡沫塑料和泡沫玻璃吸声材料。
    3．3．1 泡沫金属吸声材料
    泡沫金属是一种新型多孔吸声材料，经过发泡处理在其内部形成大量的气泡，这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构，使泡沫金属把连续相金属的特性(如强度大、导热性好、耐高温等)与分散相气孔的特性(如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等)有机结合在一起；同时，泡沫金属还具有良好的电磁屏蔽性和抗腐蚀性能 。泡沫金属最早由美国Ethyl 公司从20世纪60年代开始研究，我国对泡沫金属的研制始于20世纪80年代。目前泡沫金属研究已经涉及到的金属包括Al、Ni、Cu、Mg等，其中研究最多的是泡沫铝及其合金。国内还有人对泡沫铝的水下声吸收特性及影响因素进行了研究，发现泡沫铝同时具有较好的水下吸声性能。泡沫铝已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域，并取得了很好的效果。
     3．3．2 泡沫塑料吸声材料
    当前应用比较多的泡沫塑料吸声材料主要是聚氨酯泡沫塑料。这种材料无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀，对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性-l引。目前我国已开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖，防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶，安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点，适用于机电产品的隔声罩，吸声屏障，空调消声器，以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。
此外，用于吸声材料的泡沫塑料还有橡胶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 泡沫玻璃吸声材料
      泡沫玻璃是以玻璃粉为原料，加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料，其孔隙率可达85％以上。泡沫玻璃板厚度的增加对吸声系数影响不明显，因此一般选用20 30mm厚的板材，可以获得比较高的性价比。泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点，非常适合于要求洁净环境的通风和空调系统的消声。由于泡沫玻璃板强度较低，背后不宜留空腔，否则容易损坏，所以靠增加空腔来提高此类材料低频吸声性能的方法，其效果较差。
     4.材料吸声性能的评价
     吸声材料的吸声性能好坏，主要通过其吸声系数的高、低来表示。吸声系数是指声波在物体表面反射时，其能量被吸收的百分率，通常用符号a表示，a 值越大，吸声性能就越好。
     a=(Ei—Ea)／Ei    (2)
      式中，Ea为未被吸收的声能，Ei为人射总声能。由于材料的吸声系数有关，即同一材料各个频率的吸声系数是不同的。我国混响室法吸声系数测量规定的测试频率范围为100—5 000 Hz。降噪系数(NRC)是取250、500、1 000和2 000 4个频带吸声系数的平均值。
       NRC=(a250+a500+a1000+a2000)／4    (3)
      对于室内音质设计和噪声控制所用的吸声材料，我国已制定吸声性能等级划分的国家标准GB／T16731-997。该标准规定了采用降噪系数的大小来评定材料的吸声性能等级。大多数材料都有一定的吸声能力，一般把平均吸声系数大于0．2的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于0．56的材料称为高效吸声材料。
      未来展望
      吸声材料的研究与应用对于噪声污染的治理具有十分重要的意义。传统的吸声材料因其存在着诸多缺陷，如：降噪系数低、使用寿命短、易潮解和二次污染等，已逐渐淡出市场而为新型吸声材料所替代。多孔吸声材料对于中高频噪声具有较好的吸声效果，而共振吸声材料则可以较好的吸收中低频噪声。因此，如何在研究新材料、新工艺、新结构等方面，特别是在如何利用新型构造形式最大限度地发挥吸声材料的吸声性能，设计出适合各种场合需求的新结构，将是未来吸声材料发展的一大趋势。这就需要走材料复合的道路，把无机材料与有机材料复合，将多孔吸声与共振吸声相结合，开发新一代高效吸声材料；同时，还应进一步降低生产成本，使生产规模化、产品优质化，吸声材料的研究任重道远。