武漢鼎坤建材有限公司在核動(dòng)力研究所的工程

多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類(lèi)；一、多孔材料的吸聲原理；惠更斯原理:聲源的振動(dòng)引起波動(dòng),波動(dòng)的傳播是由于；二、多孔吸聲材料的分類(lèi)多孔吸聲材料按其選材的柔順；早期使用的吸聲材料主要為植物纖維制品,如棉麻纖維；2無(wú)機纖維材料；無(wú)機纖維材料不斷問(wèn)世,如玻璃棉、礦渣棉和巖棉等；3金屬吸聲材料；金屬吸聲材料是一種新型實(shí)用工程材料,于七十年代后；(1)超薄輕質(zhì),吸聲性能多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類(lèi)

一、 多孔材料的吸聲原理

惠更斯原理:聲源的振動(dòng)引起波動(dòng),波動(dòng)的傳播是由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。在連續介質(zhì)中,任何一點(diǎn)的振動(dòng),都將直接引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。聲波在空氣中的傳播滿(mǎn)足其原理。 多孔吸聲材料具有許多微小的間隙和連續的氣泡,因而具有一定的通氣性。當聲波入射到多孔材料表面時(shí),主要是兩種機理引起聲波的衰減:首先是由于聲波產(chǎn)生的振動(dòng)引起小孔或間隙內的空氣運動(dòng),造成和孔壁的摩擦,緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁的影響不易動(dòng)起來(lái),由于摩擦和粘滯力的作用,使相當一部分聲能轉化為熱能,從而使聲波衰減,反射聲減弱達到吸聲的目的;其次,小孔中的空氣和孔壁與纖維之間的熱交換引起的熱損失,也使聲能衰減。另外,高頻聲波可使空隙間空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度加快,空氣與孔壁的熱交換也加快。這就使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能。

二、 多孔吸聲材料的分類(lèi)多孔吸聲材料按其選材的柔順程度分為柔順性和非柔順性材料,其中柔順性吸聲材料主要是通過(guò)骨架內部摩擦、空氣摩擦和熱交換來(lái)達到吸聲的效果;非柔順性材料主要靠空氣的粘滯性來(lái)達到吸聲的功能。多孔吸聲材料按其選材的物理特性和外觀(guān)主要分為有機纖維材料,無(wú)機纖維材料,吸聲金屬材料和泡沫材料四大類(lèi)。 1 有機纖維材料

早期使用的吸聲材料主要為植物纖維制品,如棉麻纖維、毛氈、甘蔗纖維板、木質(zhì)纖維板、水泥木絲板以及稻草板等有機天然纖維材料。有機合成纖維材料主要是化學(xué)纖維,如晴綸棉、滌綸棉等。這些材料在中、高頻范圍內具有良好的吸聲性能,但防火、防腐、防潮等性能較差。除此之外,文獻還對紡織類(lèi)纖維超高頻聲波的吸聲性能進(jìn)行了研究,證實(shí)在超高頻聲波場(chǎng)中,這種纖維材料基本上沒(méi)有任何吸聲作用。

2 無(wú)機纖維材料

無(wú)機纖維材料不斷問(wèn)世,如玻璃棉、礦渣棉和巖棉等。這類(lèi)材料不僅具有良好的吸聲性能,而且具有質(zhì)輕、不燃、不腐、不易老化、價(jià)格低廉等特性,從而替代了天然纖維的吸聲材料,在聲學(xué)工程中獲得廣泛的應用。但無(wú)機纖維吸聲材料存在性脆易斷、受潮后吸聲性能急劇下降、質(zhì)地松軟需外加復雜的保護材料等缺點(diǎn)。

3 金屬吸聲材料

金屬吸聲材料是一種新型實(shí)用工程材料,于七十年代后期出現于發(fā)達工業(yè)國家。如今比較典型的金屬材料是鋁纖維吸聲板和變截面金屬纖維材料。其中鋁纖維吸聲板具有如下特點(diǎn):

(1) 超薄輕質(zhì),吸聲性能優(yōu)異。

(2) 強度高,加工及安裝方便。由于全部采用鋁質(zhì)材料,故可耐受氣流沖擊和震動(dòng),適用于氣流速度較大或震動(dòng)劇烈的場(chǎng)所。鋁的柔韌性較好,故鉆孔、彎曲和裁切加工都很容易。材料也不會(huì )飛散污染環(huán)境和刺激皮膚。

(3) 耐候、耐高溫性能良好。鋁纖維難以吸水,浸水后取出水分立即流失,且易于干燥,干燥后吸聲性能可以完全恢復。含水結冰時(shí)材料不受損壞,因而對冷熱環(huán)境都適用。

(4) 不含有機粘結劑,可回收利用。既不會(huì )形成大量的廢棄垃圾,也節省了資源,稱(chēng)得上是綠色環(huán)保型材料,具有電磁屏蔽效果和良好的導熱性能,可用于特殊要求的場(chǎng)所。鋁質(zhì)纖維吸聲材料在國外的使用已很普遍,較多使用在音樂(lè )廳、展覽館、教室、高架公路底面的吸聲材料,高速公路或冷卻塔的聲屏障,地鐵、隧道等地下潮濕環(huán)境的吸聲材料。由于特殊的耐侯性能,特別適宜在室外露天使用。鋁質(zhì)纖維吸聲材料的不足之處就是生產(chǎn)成本高。目前僅日本能夠生產(chǎn)這種鋁纖維,上海已經(jīng)有了生產(chǎn)鋁質(zhì)纖維吸聲材料的企業(yè),但原材料必須依賴(lài)進(jìn)口。由于鋁質(zhì)纖維吸聲材料的突出優(yōu)點(diǎn),今后其將在我國聲環(huán)境的改善和噪聲控制中發(fā)揮作用。

變截面金屬纖維材料近年來(lái)已逐漸在國外汽車(chē)上開(kāi)始使用,國內奧迪、桑塔納汽車(chē)也開(kāi)始使用這種材料作為消聲器芯的汽車(chē)消聲器。馬健敏等人對變截面不銹鋼纖維材料的吸聲特性進(jìn)行了較全面的實(shí)驗研究,分析了材料厚度、材料容重、材料含水量及材料背后加空氣層對吸聲性能的影響;張燕等人還進(jìn)一步對不銹鋼纖維加穿孔板復合結構的吸聲特性進(jìn)行了研究[10 ] 。綜合以上的研究發(fā)現,金屬纖維材料具有如下特點(diǎn):

(1) 單一材料吸收高頻噪聲的性能優(yōu)異,在配合微穿孔板或增加空氣層后,金屬纖維材料的低頻吸聲性能得到明顯改善;

(2) 抗惡劣工作環(huán)境的能力強,在高溫、油污、水汽等條件下,仍可以作為理想的吸聲材料。

4 泡沫材料

根據泡沫孔形式的不同,可分為開(kāi)孔型泡沫材料和閉孔型泡沫材料。前者的泡沫孔是相互連通的,屬于吸聲泡沫材料,如吸聲泡沫塑料、吸聲泡沫玻璃、吸聲陶瓷、吸聲泡沫混凝土等。后者的泡沫孔是封閉的,泡沫孔之間是互不相通的,其吸聲性能很差,屬于保溫隔熱材料。如聚苯乙烯泡沫、隔熱泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。圖1 以泡沫鋁為例給出了開(kāi)孔和閉孔泡沫鋁材料的結構示意圖。

圖1 泡沫鋁的形貌

以上各類(lèi)多孔吸聲材料均有優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適用范圍,然而隨著(zhù)研究工作的進(jìn)一步開(kāi)展,各類(lèi)材料的新產(chǎn)品數量不斷增多,它們的一些缺點(diǎn)得到克服,其適用范圍也得到擴大,其中尤以泡沫材料的發(fā)展為迅速,開(kāi)發(fā)的種類(lèi)也相對較多。本文將對泡沫吸聲材料的研究進(jìn)展情況進(jìn)行比較詳細的介紹。

多孔材料是如何吸聲的？

一般多孔材料內部具有大量的小孔，這些微小細孔相互連通并直接通向材料的表面，當聲波 入射到這種開(kāi)孔性材料表面時(shí)，一部分聲波會(huì )透入材料內部，一部分聲波在材料表面反射。透入

材料內部的聲波在縫隙和小孔中傳播，空氣運動(dòng)會(huì )產(chǎn)生粘滯和摩擦作用，同時(shí)小孔中空氣受壓縮

時(shí)溫度升高，稀疏時(shí)溫度降低，以及材料的熱傳導效應，從而使聲能逐漸轉變成熱能所消耗，這

種能量的轉變是不可逆的，因此材料就產(chǎn)生了吸聲作用。對于這種具有良好吸聲性能的材料，一

般被稱(chēng)為多孔吸聲材料。其吸聲性能與小孔的大小、數量、構造形式等有關(guān)，而且材料就產(chǎn)生了

一定的厚度才能起吸聲作用。對于材料內部雖具有大量微孔，但這些微小細孔相互封閉而不連通

的多孔材料，當使波入射到這種材料表面時(shí)，因聲波無(wú)法透入材料內部，因此它不會(huì )產(chǎn)生吸

聲作

用。這類(lèi)多孔材料一般具有良好的隔熱保溫作用，被稱(chēng)為隔熱或者絕熱材料。如聚苯乙烯泡沫板

、硬質(zhì)聚氨酯板、酚醛泡沫板等。開(kāi)孔型多孔吸聲材料和閉孔型多孔隔熱材料中的小孔。多孔型

吸聲材料一般是中高頻的吸聲系數比較大，而低頻段的吸聲系數比較小。

如果材料內部有很多互相連通的細微空隙，由空隙形成的空氣通道，可模擬為由固體框架間形成許多細管或毛細管組成的管道構造。當聲波傳入時(shí)，因細管中*近管壁與管中間的聲波振動(dòng)速度不同，由媒質(zhì)間速度差引起的內摩擦，使聲波振動(dòng)能量轉化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料，稱(chēng)多孔性吸聲材料，如玻璃棉、巖棉、礦碴棉、棉麻和人造纖維棉、特制的金屬纖維棉等等，也包括空隙連通的泡沫塑料之類(lèi)。吸聲性能與材料的纖維空隙結構有關(guān)，如纖維的粗細(微米至幾十微米間為好)和材料密度(決定纖維之間 “ 毛細管 ” 的等效直徑)、材料內空氣容積與材料體積之比(稱(chēng)空隙率，玻璃棉的空隙率在90%以上)、材料內空隙的形狀結構等。從使用的角度，可以不管吸聲的機理，只要查閱材料吸聲系數的實(shí)驗結果即可。當然在選用時(shí)還要注意材料的防潮、防火以及可裝飾性等其他要求。

多孔性吸聲材料有一個(gè)基本吸聲特性，即低頻吸聲差，高頻吸聲好。定性的吸聲頻率特性見(jiàn)圖1。頻率高到一定值附近，見(jiàn)圖1中f0，吸聲系數 α 達到大值，頻率繼續增大時(shí)，吸聲系數在高端有些波動(dòng)。這個(gè)f0的位置，大體上是f0對應的波長(cháng)為材料厚度t的4倍。 當材料厚度增加時(shí)，可以改善低頻的吸聲特性。圖1中t2大于t1，相同頻率時(shí)t2的吸聲系數大于t1的吸聲系數。如果t2=2t1，則相同吸聲系數對應的頻率大約為f2=f1，即厚度增加一倍，低頻吸聲系數的頻率特性向低頻移一個(gè)倍頻程。但并非可以一直增加厚度來(lái)提高低頻吸聲系數的，因為聲波在材料的空隙中傳播時(shí)有阻尼，使增加厚度來(lái)改善低頻吸聲受到限制。不同材料有不同的有效厚度。像玻璃棉一類(lèi)好的吸聲材料，一般用5cm左右的厚度，很少用到10cm以上。而像纖維板一類(lèi)較微密的材料，其材料纖維間空隙非常小，聲波傳播的阻尼非常大，不僅吸聲系數小，而且有效厚度也非常小。

一般平板狀吸聲材料的低頻吸聲性能差是普遍規律。一種改進(jìn)的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀，見(jiàn)圖2，當聲波傳播到尖劈狀材料時(shí)，從尖部到基部，空氣與材料的比例逐漸變化，也即聲阻抗逐漸變化，聲波傳播就超出平板狀材料有效厚度的限制，達到材料的基部，從而可改善低頻吸聲性能。吸聲頻率特性仍與圖1相似，大吸聲系數的頻率f0對應的波長(cháng)大約為尖劈吸聲結構長(cháng)度t的4倍。例如要使100hz以上頻率都有很高的吸聲系數，吸聲尖劈的長(cháng)度約為87cm左右。當然這樣的吸聲結構一般不宜用于室內裝修，主要用于聲學(xué)實(shí)驗室或特殊的噪聲控制工程。

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