多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類(共4頁)

1、多孔吸聲材料的吸聲原理及其分類一、 多孔材料的吸聲原理惠更斯原理:聲源的振動引起波動,波動的傳播是由于介質(zhì)中質(zhì)點間的相互作用。在連續(xù)介質(zhì)中,任何一點的振動,都將直接引起鄰近質(zhì)點的振動。聲波在空氣中的傳播滿足其原理。多孔吸聲材料具有許多微小的間隙和連續(xù)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,主要是兩種機理引起聲波的衰減:首先是由于聲波產(chǎn)生的振動引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運動,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起來,由于摩擦和粘滯力的作用,使相當一部分聲能轉(zhuǎn)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

2、損失,也使聲能衰減。另外,高頻聲波可使空隙間空氣質(zhì)點的振動速度加快,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骨架內(nèi)部摩擦、空氣摩擦和熱交換來達到吸聲的效果;非柔順性材料主要靠空氣的粘滯性來達到吸聲的功能。多孔吸聲材料按其選材的物理特性和外觀主要分為有機纖維材料,無機纖維材料,吸聲金屬材料和泡沫材料四大類。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纖

3、維,如晴綸棉、滌綸棉等。這些材料在中、高頻范圍內(nèi)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,文獻還對紡織類纖維超高頻聲波的吸聲性能進行了研究,證實在超高頻聲波場中,這種纖維材料基本上沒有任何吸聲作用。2 無機纖維材料無機纖維材料不斷問世,如玻璃棉、礦渣棉和巖棉等。這類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、價格低廉等特性,從而替代了天然纖維的吸聲材料,在聲學工程中獲得廣泛的應用。但無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。3 金屬吸聲材料金屬吸聲材料是一種新型實用工程材料,于七十年代后期出現(xiàn)于發(fā)達工業(yè)國家。

4、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:(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,適用于氣流速度較大或震動劇烈的場所。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(jié)冰時材料不受損壞,因而對冷熱環(huán)境都適用。(4) 不含有機粘結(jié)劑,可回收利用。既不會形成大量的廢棄垃圾,也節(jié)省了資源,稱得上是綠色環(huán)保型材料,具有電磁屏蔽效果和良好的導熱

5、性能,可用于特殊要求的場所。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),但原材料必須依賴進口。由于鋁質(zhì)纖維吸聲材料的突出優(yōu)點,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已逐漸在國外汽車上開始使用,國內(nèi)奧迪、桑塔納汽車也開始使用這種材料作為消聲器芯的汽車消聲器。馬健敏等人對變截面不銹鋼纖維材料的吸聲特性

6、進行了較全面的實驗研究,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;張燕等人還進一步對不銹鋼纖維加穿孔板復合結(jié)構(gòu)的吸聲特性進行了研究10 。綜合以上的研究發(fā)現(xiàn),金屬纖維材料具有如下特點:(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(jù)泡沫孔形式的不同,可分為開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

7、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孔和閉孔泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1 泡沫鋁的形貌以上各類多孔吸聲材料均有優(yōu)缺點和各自的適用范圍,然而隨著研究工作的進一步開展,各類材料的新產(chǎn)品數(shù)量不斷增多,它們的一些缺點得到克服,其適用范圍也得到擴大,其中尤以泡沫材料的發(fā)展最為迅速,開發(fā)的種類也相對較多。本文將對泡沫吸聲材料的研究進展情況進行比較詳細的介紹。多孔材料是如何吸聲的？ 一般多孔材料內(nèi)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 入射到這種開孔性材料表面

8、時，一部分聲波會透入材料內(nèi)部，一部分聲波在材料表面反射。透入 材料內(nèi)部的聲波在縫隙和小孔中傳播，空氣運動會產(chǎn)生粘滯和摩擦作用，同時小孔中空氣受壓縮 時溫度升高，稀疏時溫度降低，以及材料的熱傳導效應，從而使聲能逐漸轉(zhuǎn)變成熱能所消耗，這 種能量的轉(zhuǎn)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 般被稱為多孔吸聲材料。其吸聲性能與小孔的大小、數(shù)量、構(gòu)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(nèi)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，因聲波無

9、法透入材料內(nèi)部，因此它不會產(chǎn)生吸聲作 用。這類多孔材料一般具有良好的隔熱保溫作用，被稱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(shù)比較大，而低頻段的吸聲系數(shù)比較小。如果材料內(nèi)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(gòu)造。當聲波傳入時，因細管中*近管壁與管中間的聲波振動速度不同，由媒質(zhì)間速度差引起的內(nèi)摩擦，使聲波振動能量轉(zhuǎn)化為熱能而被吸收。好的吸聲材料多為纖維性材料，稱多孔性吸聲材料，如玻璃棉、巖棉

10、、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。吸聲性能與材料的纖維空隙結(jié)構(gòu)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(nèi)空氣容積與材料體積之比(稱空隙率，玻璃棉的空隙率在90%以上)、材料內(nèi)空隙的形狀結(jié)構(gòu)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(shù)的實驗結(jié)果即可。當然在選用時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圖1。頻率高到一定值附近，見圖1中f0，吸聲系數(shù) 達到最大值，頻率繼續(xù)增大時，吸聲系數(shù)在高

11、端有些波動。這個f0的位置，大體上是f0對應的波長為材料厚度t的4倍。當材料厚度增加時，可以改善低頻的吸聲特性。圖1中t2大于t1，相同頻率時t2的吸聲系數(shù)大于t1的吸聲系數(shù)。如果t2=2t1，則相同吸聲系數(shù)對應的頻率大約為f2=f1，即厚度增加一倍，低頻吸聲系數(shù)的頻率特性向低頻移一個倍頻程。但并非可以一直增加厚度來提高低頻吸聲系數(shù)的，因為聲波在材料的空隙中傳播時有阻尼，使增加厚度來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(shù)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(guī)律。一種改進的方法是將整塊的吸聲材料切割成尖劈形狀，見圖2，當聲波傳播到尖劈狀材料時，從尖部到基部，空氣與材料的比例逐