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1、多孔吸声材料的机理分析及研究现状贺长江，张增志（中国矿业大学（北京）生态功能材料研究所，北京100083）5101520253035摘要：由于噪声易使人心烦意乱，甚至损害人们的健康，影响仪器精度与使用寿命，亟待制备出高效耐久的吸声降噪材料。所以，本文阐述吸声材料实际应用的重要性。首先对吸声材料的吸声机理进行分析；并介绍介绍我国多孔吸声材料材料研究现状。主要包括吸声性能的影响因素；以及泡沫塑料、泡沫金属、泡沫玻璃、无机纤维材料、有机纤维材料的特性、用途、研究进展与现状。最后是对我国吸声材料的发展的展望。关键词：噪音；多孔吸声材料；泡沫塑料；泡沫金属；泡沫玻璃中图分类号：TB34Mechanism
2、 Analysis and Developments of Porous Soundabsorption MaterialHE Changjiang, ZHANG Zengzhi(Research Institute of Ecological and Functional Materials, China University of Mining andTechnology(Beijing), Beijing 100083)Abstract: Noise is the source of pollution that do harm to peoples healty and influen
3、ce the use ofinstruments. It is needed to be efficient and durable sound absorption materials. Therefore, this articleelaborated the importance of sound-absorbing material application. Firstly, the sound absorptionmechanism of sound absorbing material was analyzed;secondly, the development have been
4、 introducedsimply.Which covered the influence factors of sound absorption performance and properties、usages、progress in the research of some new types material ， such as foamed plastics、 foamed metal 、foamed glass、 inorganic and organic fiber materials.Finally it is the prospect for the development
5、ofthe sound-absorbing material in China.Key words: k porous sound absorbing material；noise；foamed plastics；foamed metal ；foamed glass0 引言噪音污染与控制水污染，大气污染，噪音污染，被列为全 球三大污染1。噪音污染已经严重影响到当今人们的工作，生活和学习。长期置于噪音环境中，会引起人的听力下降。研究表明长期生活或者工作在 80 分贝以上的噪音，耳聋 的比率将显著提升。人从 高噪环境回到安静场所停留一段时间，听力还能恢复，叫暂时性听阈 偏移，也叫听觉疲劳2。此外，
6、实验研究表明，特强噪声会损伤仪器设备，甚至使仪器设备失效。噪当特强噪声作用于火箭、宇航器等机械结构时，由于受声频交变负载的反复作用，会使材料产生疲劳现象而断裂，这种现象叫做声疲劳3,4。噪声对建筑物的影响，超过一定分贝时，对轻型建筑开始有破坏作用。为了有效的控制噪音，所以必须对噪音有足够的认识。声音是由物体正的振动产生的。声音以纵波的形式传播，通过固体或液体、气体传播形成的运动。噪音也是声音的一种形式。40作者简介：贺长江(1986-),男,硕士研究生,主要研究方向:生态功能材料通信联系人：张增志(1964-),男,教授,主要研究方向:复合材料. E-mail: zhangzengzhi196
7、4-1-表 1噪音对谈话的影响Tab1 impact of noise on talk噪音级/dB4555657585主观反映安静稍吵吵很吵大吵正常谈话距离/m113.51.20.30.1通信质量很好好较困难困难不可能噪音控制的主要方式改变传播途径和保护受体5,6。以目前的技术水平、经济条件等方面的原因，无法把噪声源的噪声降到不会引起人们产45505560生焦虑和引发疾病的水平。由于声波具有方向性，就考虑在噪声传播途径上削弱噪音强度。噪音控制材料分为隔声型、吸声型和复合型。隔声型材料7虽然能很好地改变声波的传播方向，对声影区的受体有很好的保护作用，是总的声能并没有衰减，所以使声影响区以外声场的
8、声强更高，噪音环境更加复杂与恶化。而吸声型材料，不仅能改变声波的传播方向，而且可以吸收大部分声能，最大程度上衰减噪音，所以它不仅改善声音影响区的声场，而且使其它地方的声能也得到降低。因此，吸声材料成为吸声降噪的首选对象。1 吸声材料研究应用进展吸音材料用于降低声音反射，以达到减小室内混响声，缩短混响时间，改善室内声学效果。所谓吸声材料就是把声能转化成其它形式的能量而达到降噪目的的材料，通常我们把吸声系数大于 0.2 的材料称为吸声材料8。常见的用于屋顶、墙面的内衬材料属吸音材料。多孔材料广泛应用作吸声材料在噪音控制工程方面。多孔材料包含孔洞、通道或间隙，这样声波能通过它们。基于微观孔隙构造吸附
9、材料可分为玻璃纸,纤维状,或粒状9。多孔型：如石棉、玻璃绒、软聚氨酯泡沫、吸音绝缘材料、纤维板等。此类材料中存在大量孔隙，孔隙会对空气运动（振动）产生黏性阻抗，产生热能，从而使音能衰减。多孔材料广泛应用作吸声材料在噪音控制工程方面。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,泡沫塑料和金属吸声材料，吸声建筑材料五大类10-12。上述材料的结构特点是多孔纤维材料间具有许多微小的间隙和连续的孔洞且内外想通。当声波顺着这些微孔进入材料内部，引起振动和摩擦将声能转化为热能被消耗，从而达到了吸声的效果。651.1有机纤维材料最初使用的吸声材料，由于工业技术水平的限制主要为天然
10、植物纤维，如麦秸秆、毛毡、纺织城飞花、棉麻下脚料纤维、棉絮、制糖后甘蔗纤维、木丝纤维板、以及稻草等有机天然纤维材料制品；伴随有机合成技术的进步及大规模生产出现了有机合成纤维材料，主要是化学纤维,如晴纶棉、涤纶棉等广泛应用于吸声材料12。其特点防火、防潮和防蛀能力差。-2-如木丝板是用木料刨成长木丝，经过化学处理，表面浸以水泥，压制成型。随着近年来70工艺技术的不断提升，开发出新型木丝板，具有防火，防潮，吸声及良好的外观装饰效果。广泛应用于电影院，大剧院，录音棚，会议室，礼堂，报告厅用于控制混响时间。北京百年安达建材有限公司生产的新型绿色环保“天籁”牌木丝板，零甲醛，吸声，阻燃，降噪系数NRC
11、为 0.4。751.2无机纤维材料是指用天然或人造的无机矿物为基本成分而生产的一种纤维材料。其制品大体分为玻璃棉、矿渣棉、硅酸铝棉和岩棉等。无机纤维材料比有机纤维材料的耐候性更加，但韧性不足。按无机纤维材料制备工艺不同可分为：火焰喷吹法，离心喷吹法。上海平板玻璃厂，欧文斯-科宁公司都具备用离心法制备玻璃棉生产线，能够规模化生产，可基本满足国内需求。其制品特点：保温隔热效果佳，吸声性能好，容重小，化学稳定80性搞，阻燃，不老化，热膨胀系数小，不霉，不蛀，加工方便。广泛应用于建筑物，交通工具，机器设备的吸声降噪。上海平板玻璃厂生产的防潮离心玻璃棉，当密度为 10Kg/m3，厚度为 50mm，其平均
12、吸声系数为 0.6；当厚度为 75mm 时吸声系数为 0.8。1.3金属吸声材料金属吸声材料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859095100较典型的金属材料是金属纤维吸声板和泡沫金属材料，其强度高，耐高温、阻燃、抗恶劣环境好。张燕13等采用金属纤维加穿孔板制得复合吸声结构吸声材料，发现对中低频噪声吸声效果较好。钟祥璋14等对铝纤维的吸声性能进行了试验，表明:铝纤维在吸水后中低频吸声系数提高，中高频有所下降，但变化小。李明俊15等研究了不锈钢纤维在不同厚度和容重时的吸声性能，结果表明:该不锈钢纤维吸声性能优良，可作为高温和腐蚀介质等特殊工况下的声学材料使用。泡沫
13、其中铝吸声板具有如下特点：超薄轻质,吸声性能优异；强度高,加工及安装方便；耐候、耐高温性能良好；不含有机粘结剂,可回收利用，不释放有害气体，绿色环保16-19。泡沫铝吸声板应用十分广泛，具有很多金属特性，吸声，阻燃，屏蔽，耐候，密度小，无污染，可回收。适用于道路的声屏障的吸声降噪，体育馆，电影院，剧院室内吸声。我国现有生产泡沫铝的公司有，上海众汇泡沫铝材有限公司，北京艾伯特泡沫金属有限公司，中船重工泡沫铝研制中心等先后批量生产各种类型的泡沫铝吸声板，能够满足市场需求。上海众汇泡沫铝材有限公司生产的 ZHB 型泡沫铝吸声板广泛应用于高速公路的吸声屏障。其平均吸声系数0.56，在露天使用效果非常好
14、，耐候性强。而中船重工生产的 PML-725泡沫铝，吸声效果好抗海水腐蚀能力强广泛用于军舰，船舶。-3-1.4泡沫塑料吸声材料伴随高分子技术的发展橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸醋聚苯乙烯、酚醛树脂都已用到吸音材料里。聚氨酯泡沫是一种软质泡沫塑料，其开孔形式有闭孔与开孔。用作吸声材料的一般为开105110115孔型聚氨酯泡沫，其吸声性能较好，容重轻，但易燃易吸水。硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性。Falke.zaschk20,21等采用特定聚醚多元醇制备了易于成型加工并聚氨酯泡沫吸声材料。Mendelsohn22,23 等将聚苯乙烯与聚氨酯混合制得的材料具有高的空隙率、较高压缩强
15、度、低声波反射性，对频率变化也不敏感。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。特别是 Romina del Rey24等通过回收处理纺织工业中残留聚氨酯泡沫，发现其孔隙均匀，连通性好，具有良好的吸声性能。ChunhuaZhang25等研究聚氨酯孔隙形态对其力学性能与声学性能的影响，结果表明：250 - 600 赫兹当互联泡沫是 0.66 时，聚氨酯泡沫吸声性能最佳。目前我国生产的阻燃聚氨酯泡沫塑料板制品厂有山东蓬莱聚氨酯制品厂和浙江宁波镇海吸音材料有限公司等。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
16、酯泡沫塑料板是一种性能良好的吸声体,容重轻、防潮、易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,工厂吸声降噪,以及在电影院、会议室、广播室、录音室、电视演播室等。1.5吸声建筑材料类主要有泡沫玻璃，膨胀珍珠岩，加气混凝土，陶瓷吸声转。张守梅26等采用明矾石水120125130泥做胶凝材料粉煤灰做辅助胶凝材料，与陶粒、防水剂、发泡剂、膨胀珍珠岩制得耐侯性较好的地铁用吸声材料，平均吸声吸声达到 0.55。黄学辉27以膨胀珍珠岩、减水剂、水泥、硅酸铝纤维为原材料制得的吸声材料其吸音系数达 0.55，抗折强度达 0.67MPa。马保国28采用水泥、珍珠岩，发泡剂制备的吸声板，结
17、果表明：容重与颗粒粒径对吸声性能有较大影响。有研究发现泡沫玻璃开孔率高，容重小不易燃烧，不污染环境，但制造成本较高29,30。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。嘉兴市联信泡沫玻璃制造有限公司制品用于上海地铁 1 号线，降噪效果明显，人民大会堂改造过程中，在空调通风管道上采用了吸收泡沫玻璃作为消声栅道，达到了吸声效果，有效的降低了室内混响时间。2 多孔吸收材料的影响因素谈及材料的吸声系数，影响多孔材料吸声特性的因素，主要是材料的厚度、孔隙率、空气流阻、结构因子以及吸声材料背后条件（空腔）等
18、。材料厚度-4-多孔材料一般对高频吸声效果较好，低频较差。当材料的容重不变时，增加材料的厚度可以135140145150改善其低频吸声效果，吸声频谱峰 f r 向低频移动，但对高频吸声效果无明显影响。当材料厚度等于波长 1/4 时，其吸声性能最佳。frd = l / 4式中： f r 为材料的第一共振频率，Hz； d 吸声材料厚度，cm波长计算公式：波长波速/频率，以人耳能听到的最高频为 20000Hz 为例，在 15 摄氏度的空气中声音的速度为 340m/s,则人耳能听到的最大频率的波长为：340m/s20000Hz=0.017m，最低频率 20HZ 波长：340m/s20Hz=17m。所以
19、材料的最佳厚度为 4.25cm-4.25m，根据实际情况，不可能为了满足最佳吸声效果而去匹配其厚度，对于追求较好的低频吸声效果，不能单纯从提高材料厚度出发31。孔隙率孔隙率 s 对于吸声性能较好的材料一般在 70%以上，但吸声性能好要求孔隙分布均匀，孔隙贯通。不同的多孔材料，孔隙特征有很大不同，孔隙率与密度成反比。材料的吸声性能很大程度上随着孔隙率的增加而提高。表观密度 （容重）在实际情况下测定流阻与孔隙率较为困难。一般情况容重与孔隙成反比，与流阻成正比，空气的透射量减小，反射增强。容重的提高能增加低频吸声性能，但会有损失高频吸声效果。空气流阻空气流阻定义为多孔材料对空气通过的阻力，将空气停滞
20、在空气中，振动粘滞反映材料的透气性。材料两面的静压差和气流速度比为材料流阻 R f ，单位 Pa s/m。R f = Dp /n(Pa s/m)155式中： Dp 为材料静压差，Pa；n 为通过材料气流的线速度，m/s；单位厚度的流阻率即比流阻 Rs ，单位 Pa s/m2。Rs = R f / d（Pa s/m2）式中：d 为材料的厚度，m。对于一定厚度的多孔材料应有合理的流阻，过高过低均不利于吸声性能的提高。单位厚160度的流阻为 103rayl/cm 时，吸声性能最佳。吸声材料背后条件主要是指吸声材料背后是否有空腔的存在，如果吸声材料与坚壁之间存在空气层，其作用相当加大了材料的有效厚度，
21、其吸声特性将有一定的提高。对中低频吸声效果影响明显。空腔厚度增加到一定程度，增强效果不再明显。一般空腔厚度为 l / 4时吸声效果最佳，165l / 2 时最差。中频噪音空腔的厚度一般为 70-100mm，低频噪音厚度为 200-300mm。-5-3 多孔材料吸声机理及理论模型3.1多孔材料吸声机理对于于多孔材料，吸声机理可概括为：声音（波）从空气入射到材料表面时，如果材料为密实型的，由于材料的阻抗远高于空气的阻抗（大几千甚至是上万倍），由于声音也是一170175180种波，严格的说一种纵波，根据波的反射与透射原理，声波将大部分被反射掉。因此吸声材料的应该是多孔型的，而非密实型的，需要有声波的
22、传播通道，使声波能够进入材料的内部，发生透射。多孔吸声材料就是利用其众多中微小的间隙并交错形成连续贯通的气泡，为声波进入提供多通道。当声波入射到多孔材料表面及内部时时，其衰减机理:首先是声波产生与传播都是通过振动来实现的，振动引起中微孔材料或孔隙内的空气运动，紧靠泡沫和木纤维表面的空气，由于摩擦粘阻形成的粘滞力的作用，使相当大一部分衰减的声能转化为热能，从而使声波削弱，反射声强度减弱达到吸声的目的;其次，小孔中的空气和吸声材料之间发生热交换，使前一过程产生的热能散失，引起热量的损失，达到声能衰减的目的28。高频声波的振动频率高，共振时材料也具备了同样的高振荡频率，可以使空隙中空气质点加速振荡，
23、热交换加剧。所以，材料孔隙率对其吸声性能的影响最为突出。如果声波直接通过材料而不被耗散，孔隙率过高反而降低材料的吸声性能。同样，孔隙率过低的材料，无法为声波提供有效的进入通道，进行吸收，吸声效果同样不理想。多孔吸声材料具有阻粘和振动吸声效果。一般认为，在高频带时，阻粘性吸收占主导地位，而在低频带时，材料弹性振动对声能的吸收起主导作用。3.2理论模型185声学变量基本上都是非线性，但为研究方便一般可简化线性关系处理。在无阻尼 影响下，线性声学为流体动力学。质量方程与运动方程：rt+ r0 V = 0(3-1)r0Vt+ p = 0(3-2)上式(3-2)有阻尼情况下1901953 c 10 时，
24、f 较高时或者 a 较大时，贝塞尔函数关系可简化如下：240带入公式 Z1，得J1 ( - j x)J 0 ( - j x)=- j当 k10 时，声阻为2wr0ha0=8ht22k8245用近似法，提取公因数，统一声阻为：2 1 + (32 + )a 32 2 (3-15)当 k10 时， 声抗为 wr0t(1 +2k)当 k 值向较大时过渡，13向2k过渡，其统一声抗250声阻抗统一方程式如下： 2 k 2 1/2 82 k 32)(3-16)空气有效密度值：Z1 =8ht k 2 k 2 1/2 2 ) a 32 2 (3-17)k 2 1/2)28k) 32 (3-18)255260如
25、果材料较厚，需要计算热传导的影响热传导设气体各层间无相对运动，且各处气体分子数密度相同，但气体内由于温度差而产生热量从高温向低温的区域传递的现象，称为热传导。图 1 热传导Fig1 heat conduction对热传导，如上图所示，我们有傅里叶定律，即单位时间通过面积为 S 传递的热量为Q = kdtdxS(3-19)其中 k 为热导率。傅里叶定律本质是热运动能量的定向迁移。265气体方程：微分得P = r R1TpP0= + 1T0(3-20)声波绝热-9-k 2 12 - j 2 (1 +) 1 + + jwr0t 1 + (32 +- j 2 (1 +k 2 12 270pP0rr0(
26、3-21)式中 g 为空气定呀比热与定容比热的比值，联立以上两等式得T1 r1T0 r0(3-22)随着声波的波动声压就发生变化，由上式可知温度也发生相应变化。固体热容远大于空气热容，其孔壁温度随声压的变化可以忽略，所以热量在空气中传送。热传导公式：275r0c1TtT rr0 t(3-23)式中 c p 空气定压比热容。忽略声波传播方向，传播方向只涉及到能量的损失，不影响温度的变化。联立上式（3-20）带入（3-23），上式即如下：T1 -1T1 = p(3-24280式中 k = K / r0c p 为空气热扩散系数。横向拉普拉斯算符 11 =1 (r)空气压缩比= (g -1) 1 -g
27、 P(3-25)= J 0 (a - jwg / k ) (3-26)285根据复值压缩模量 p / (r1 / r0 ) = r0pr，得 2KT = g P 1 + (g -1) (3-27)式中 k = awg / k在材料内部孔隙分布各向异性，声场方向与孔隙方向成q 角，结构常数因数1/ cos2q ，结构常数为1/ cos2q 在各q 的平均值，结构常数等于 3！。一般 3 c 7 。孔隙率多s ，流290阻常数 r ， r =1 8hs a 2。孔吸收材料的有效空气密度为r =csr0 +rjw(3-28)- 10 -= g 1= (g -1)- K12T = r0c p (g -
28、1) 0jwg g r0r rrT1 p T0 0 J 0 (r - jwg / k ) J 0 (a - jwg / k ) 1 + (g -1)J1(k - j ) k - j J 0 (k j )0运动方程-px=csr0vt+ rv(3-29)压缩模量与结构因素无关，其连续性方程295=KTK =sKT 压缩模量。多孔性材料的声阻抗率Z = r Kc = K / r-25声速(3-30)300305310315320根据以上经验公式，当低频时 k10 时，声阻和声抗共同作用，吸声效果好。所以多孔材料整体高频吸声效果好，低频吸声效果差。4 基于单圆孔的计算机仿真现在主流的 CAE 软件大
29、都能够实现静力学，动力学，流体动力学，声场，电磁场模拟仿真；也可有实现流固耦合，电磁场耦合，温度力学场耦合。其中最具代表的有ANSYS/Workbench。声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。ANSYS/Multiphysics 声场分析基于流体（空气）可压，压力和平均压力比值变化较小。计算声场时，利用 有限区域截断模拟无限区域。噪音分析是基于流固耦合下的流体动力学分析(Computational Fluid Dynamics,简称 CF
30、D)。Shoshani32对多孔纤维材料进行过计算机模拟，通过建立热动力学模型，搭建流固耦合场，理论推导设定材料的吸声系数。结果发现：结构因子对吸声效果有较大影响，即纤维孔隙率在沿声波传播方向的增加能过提高吸声系数。通过谐响应可以求得流固面上由于声波波动引起的压力分布。通过设置不同的频率范围，获得不同的图谱。从下图中可以看出细孔对声波有削减的作用，微孔不断发生变形，声波对其做功，声能发生转化。如图 2、图 3、图 4 中各对应频率的最大变形量和最大应力如下 DMX=.326E-05，SMX=.028429； DMX=.473E-05，SMX=12.3132； DMX=.120E-04，SMX=73.7499。- 11 -1 r 1 p虽然无法获得频带直观的吸声系数，但可以根据功的定义 W=FS，从最大变形量与最大应力的不同得到高频的吸声效果优于低频吸声效果。325基于流体力学仿真的结果，可以为制备出高效吸声材料提供一定的帮助，我们不难发现，声音频率，对材料吸声效果都有显著的影响，在多孔吸声材料的制备过程中值得参考借鉴。图 2 网格模型Fig2Grid model- 12 -
