吸聲材料的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展

1、吸聲材料的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展江蘇省蘇州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局張春野摘要： 隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高,人們?cè)诠ぷ?、學(xué)習(xí)和生活中,對(duì)聲環(huán)境的要求已經(jīng)愈來(lái)愈高。噪聲對(duì)人們的聽(tīng)力、睡眠、生理、心理及周圍環(huán)境等方面造成很大影響和危害,社會(huì)對(duì)吸聲材料的需求量呈迅猛增長(zhǎng)之勢(shì),同時(shí)也對(duì)吸聲材料的性能提出了更高更多的要求。 吸聲材料必須實(shí)現(xiàn)從過(guò)去單一吸聲功能向高吸聲性、裝飾性、 經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等多功能轉(zhuǎn)變。本文簡(jiǎn)要介紹了有關(guān)吸聲材料的一些內(nèi)容。關(guān)鍵詞：多孔吸聲、纖維、微穿孔、泡沫1 吸聲材料的結(jié)構(gòu)種類吸聲材料及結(jié)構(gòu)的種類很多,根據(jù)其材料結(jié)構(gòu)不同,可以分為下列幾類:( 1 )多孔吸聲材料：纖維狀吸聲材料、顆粒狀吸聲材料、

2、泡沫狀吸聲材料；( 2)共振吸聲結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蝹€(gè)共振器、穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)；( 3)特殊吸聲結(jié)構(gòu)：薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)；1.1 阻性衰減型阻性衰減型的軟質(zhì)多孔材料廣為人知的是玻璃棉與巖棉;硬質(zhì)多孔材料有金屬類、陶瓷類、合成樹(shù)脂類多孔材料,其中特別是鋁質(zhì)吸聲材料得到了人們的重視。其原因在于金屬多孔材料是剛性體,不必像軟質(zhì)多孔材料那樣需要穿孔面層材料保護(hù),長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)老化或飛散污染環(huán)境,吸濕或濕潤(rùn)后吸聲系數(shù)基本不會(huì)影響其吸聲性能。2.2 共振吸聲結(jié)構(gòu)共振吸聲結(jié)構(gòu)以各類穿孔板最為常見(jiàn),常與多孔吸聲材料一起使用。作為無(wú)纖維吸聲體還有微穿孔板,它是為適應(yīng)惡劣環(huán)境而開(kāi)發(fā)的吸聲材料,已在國(guó)內(nèi)外引起

3、普遍重視并得到了廣泛的應(yīng)用。吸聲性能: 穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)具有良好的中高頻吸聲性能;薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)具有良好的低頻吸聲特性。2.3 薄膜震動(dòng)型薄膜震動(dòng)型吸聲材料通常與其它材料附著在一起,如鋁纖維吸聲材料中的鋁箔。還有微穿孔聚乙烯薄膜,它可以貼附在普通窗戶的玻璃上。吸聲性能：具有優(yōu)良的中頻吸聲特性。2.4 其它類型(1) 空間吸聲體空間吸聲體與一般吸聲結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于它不是與頂棚、墻面等剛性壁組合成吸聲結(jié)構(gòu),而是自成系統(tǒng)的。室內(nèi)的吸聲處理,一般都在建筑施工和裝飾中把吸聲材料安裝在室內(nèi)各界面上。但可預(yù)制成吸聲構(gòu)件空間吸聲體 ,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝。從本質(zhì)上講,吸聲體不是什么新的吸聲結(jié)構(gòu),但由于使用條件不同,

4、吸聲特性也有所不同。掛在聲能流密度大的位置(例如靠近聲源處、反射有聚焦的地方)可以獲得較好的效果。(2) 強(qiáng)吸聲體吸聲尖劈是消聲室中常用的強(qiáng)吸聲結(jié)構(gòu),還有界面平鋪多孔材料。(3) 簾幕如簾幕離墻面、窗玻璃有一定距離,就好像在多孔材料背后設(shè)置了空氣層,盡管沒(méi)有完全封閉 ,對(duì)中高頻仍具有一定的吸聲作用。(4) 洞口向室外自由聲場(chǎng)敞開(kāi)的洞口,從室內(nèi)的角度看,它是完全吸聲的,對(duì)所有頻率的吸音系數(shù)均為 1。 它對(duì)室內(nèi)聲學(xué)問(wèn)題有較大的影響。若洞口不是朝向自由聲場(chǎng)時(shí),其吸音系數(shù)就小于1。(5) 人和家俱人和家俱也能夠吸收聲音,因此人和家俱實(shí)際上也是吸音體。一般的吸音材料和結(jié)構(gòu)可按其吸音系數(shù)和有效面積的乘積求

5、得吸音量。所以吸音特征用每人的或者每件家具的吸音量來(lái)表示,它們與個(gè)數(shù)(或件數(shù))的乘積即為總吸音量。2 吸聲材料的研制與發(fā)展2.1 多孔材料就多孔吸聲材料而言,它是目前應(yīng)用最廣泛的材料,主要有有機(jī)纖維材料,無(wú)機(jī)纖維材料,泡沫材料和吸聲建筑材料四大類。(1)有機(jī)纖維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(jī)天然纖維材料。有機(jī)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(nèi)具有良好的吸聲性能,但防火、防腐、防潮等性能較差。(2)無(wú)機(jī)纖維無(wú)機(jī)纖維材料不斷問(wèn)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

6、 , 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(yīng)用。無(wú)機(jī)纖維吸聲材料的缺點(diǎn)是: 在施工安裝過(guò)程中因纖維性脆,容易折斷形成粉塵散逸而污染環(huán)境,影響呼吸,刺癢皮膚。其質(zhì)軟表面需要保護(hù)層,如穿孔板,透氣織物等進(jìn)行保護(hù)和裝飾,構(gòu)造比較復(fù)雜,體積大,儲(chǔ)存和運(yùn)輸不便。水或吸潮后其吸聲性能就會(huì)大大減弱,故不適于在潮濕、高溫、氣流較大的場(chǎng)所或室外等環(huán)境使用。(3) 泡沫材料根據(jù)泡孔形成的不同,可分開(kāi)孔型泡沫材料和閉孔型泡沫材料。前者的泡孔是相互連通的 , 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。后者的泡孔

7、是封閉的,泡孔之間是互不相通的,其吸聲很差,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。但是泡沫塑料易老化,且其吸聲特點(diǎn)是中高頻(500Hz以上),吸聲性能優(yōu)異,低頻吸聲性能不夠理想。(4) 吸聲建筑材料吸聲建筑材料是由多孔性建筑材料制成,如吸聲粉刷、微孔吸聲磚、陶瓷吸聲板、珍珠巖吸聲板等。但建筑吸聲板性能較差,而且太重,已逐漸被具有輕質(zhì)、不燃、不腐、不蛀以及不易老化等特性的玻璃棉、輕質(zhì)硅酸鈣板、礦渣棉和巖棉等無(wú)機(jī)材料所代替。(5) 吸聲金屬材料目前的一種新型吸聲材料是鋁纖維吸聲板,與其它吸聲材料相比,具有如下特點(diǎn):超薄輕質(zhì),吸聲性能優(yōu)異。強(qiáng)度高,加工及安裝方便。由于全

8、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。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(fù)。含水結(jié)冰時(shí)材料不受損壞,因而對(duì)冷熱環(huán)境都適用。不含有機(jī)粘結(jié)劑,可回收利用。既不會(huì)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(dǎo)熱性能,可用于特殊要求的場(chǎng)所。變化豐富,材料板幅較大,用途廣泛。鋁質(zhì)纖維吸聲材料在國(guó)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

9、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)纖維吸聲材料在國(guó)內(nèi)推廣目前主要存在著成本太高的問(wèn)題?，F(xiàn)在,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(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(guó)聲環(huán)境的改善和噪聲控制中發(fā)揮作用。2.2 無(wú)纖維吸聲材料的研究發(fā)展在國(guó)際上,聲學(xué)設(shè)計(jì)人員和聲學(xué)材料生產(chǎn)企業(yè)目前都在尋找和開(kāi)發(fā)新型的無(wú)纖維吸聲材料和結(jié)構(gòu)。隨著人們對(duì)健康和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高,無(wú)纖維吸聲材料將是未來(lái)吸聲材料發(fā)展的趨勢(shì)。共振吸聲材料或稱共振吸聲結(jié)構(gòu),分薄板吸聲、共振吸聲、穿板孔吸聲、微穿孔板吸聲等多種。

10、 共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理,與多孔材料有相同的地方,其不同的特點(diǎn)在于:共振結(jié)構(gòu)是利用共振器的特點(diǎn),更有效的把聲能轉(zhuǎn)變成熱能消耗。共振吸聲結(jié)構(gòu)不是采用纖維性吸聲材料,而是采用鋁板、鋼板、塑料板等材料制成,因此不怕水和潮氣,防火,清潔,無(wú)污染,耐高溫,能承受高速氣流的沖擊。共振吸聲結(jié)構(gòu)的不足之處是吸聲頻帶窄,在共振頻率附近,吸聲系數(shù)很高,可接近于1,但一偏離共振峰,吸聲系數(shù)迅速下降,因此只適用于吸收中低頻的單頻聲音。這也是長(zhǎng)期以來(lái)共振吸收材料結(jié)構(gòu)在吸聲材料領(lǐng)域不能替代纖維吸聲材料的原因。在共振吸聲材料結(jié)構(gòu)中,惟有微穿孔板結(jié)構(gòu)具有寬頻帶吸聲的趨勢(shì),大有希望彌補(bǔ)共振吸聲頻帶窄的不足。微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)是一種

11、低聲質(zhì)量、高聲阻的共振吸聲結(jié)構(gòu),其吸聲頻率寬度可優(yōu)于常規(guī)的穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和基本設(shè)計(jì)是為準(zhǔn)備在惡劣的條件下應(yīng)用的吸聲體而發(fā)展起來(lái)的。60 年代中期,我國(guó)火箭事業(yè)迅速發(fā)展,解決火箭噪音問(wèn)題很突出,迫切需要適應(yīng)高聲強(qiáng)、高氣壓、高溫度的吸聲材料。馬大猷教授開(kāi)始了火箭噪聲的研究。1975 年馬大猷教授的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計(jì)論文在中國(guó)科學(xué)上發(fā)表,標(biāo)志著這一獨(dú)創(chuàng)理論的誕生。20 多年來(lái) ,微穿孔板結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展,并在各個(gè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),基于這一理論和設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)外發(fā)展了微穿孔板的多種應(yīng)用。以德國(guó)為例,簡(jiǎn)要介紹一下國(guó)外的發(fā)展情況。德國(guó)議會(huì)大廳的音質(zhì)改造是微穿孔

12、板應(yīng)用的一項(xiàng)主要成就。大廳墻壁上所用微穿孔板是厚5mm的有機(jī)玻璃板，穿孔直徑是0.55mm,孔距3.5mm,共振頻率是250-800Hz。在研制玻璃窗上的微穿孔板結(jié)構(gòu)時(shí),發(fā)現(xiàn)微穿孔板不但呈現(xiàn)良好的吸聲性能,玻璃窗的隔聲性質(zhì)也提高了。例如，厚8mm的玻璃窗，隔聲級(jí)別為38dB,在窗前75mm處加一層微穿孔板后，隔聲級(jí)別提高到41dB, 增加了3dB?，F(xiàn)在德國(guó)通用的微穿孔板吸聲體用1250 X 1250mm2,厚0.5mm的鋼板制成。另外，還有其它形式的吸聲體。1996 年無(wú)纖維吸聲材料有一個(gè)重要的發(fā)展,就是點(diǎn)粘連鋼板共振體的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)證明,用厚 2.5mm 的鋼板在幾點(diǎn)上粘到厚100mm 的泡沫

13、塑料上,可以得到寬頻帶范圍的吸收性質(zhì),低頻可達(dá)到40Hz。以上是德國(guó)在無(wú)纖維吸聲材料領(lǐng)域中的一些主要研究結(jié)果。我國(guó)是微穿孔理論和設(shè)計(jì)的發(fā)源地。自馬大猷教授發(fā)表了微穿孔板理論和設(shè)計(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)科技工作者開(kāi)展了若干實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作,微穿孔結(jié)構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用在一些工業(yè)噪聲場(chǎng)所。進(jìn)入 90 年代 ,微穿孔板在國(guó)內(nèi)噪聲控制工程,改善廳堂音質(zhì)方面得到了廣泛的應(yīng)用。其中 ,大型游泳池館的吸聲吊頂,一些需要清潔環(huán)境的重要產(chǎn)品空間,醫(yī)院通風(fēng)系統(tǒng)等,相繼采用了微穿孔吸聲處理。最近噪聲控制專家在設(shè)計(jì)高架路聲屏障時(shí),也采用了透明微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) , 大大開(kāi)拓了微穿孔板應(yīng)用的新領(lǐng)域。目前,需要一種安全、清潔、低噪聲場(chǎng)所設(shè)

14、計(jì),即在一個(gè)需要清潔安全的場(chǎng)所,所有的噪聲控制措施全部采用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。包括微穿孔板吸聲吊頂,微穿孔板消聲器,移動(dòng)式微穿孔板吸聲隔聲屏,采用微穿孔板吸聲內(nèi)襯的隔聲箱,還有一些大的作業(yè)場(chǎng)所需要設(shè)置控制室,觀察室,休息室等等。用透明微穿孔板結(jié)構(gòu),隔聲音量下降,室內(nèi)聲級(jí)下降。以上是我們所了解的微穿孔板結(jié)構(gòu)這種非纖維吸聲材料的一些進(jìn)展,近來(lái)越來(lái)越多的人相繼開(kāi)展了這方面的研究和開(kāi)發(fā)工作。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)這種無(wú)纖維吸聲材料,正在朝著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方向發(fā)展,其應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。3 吸聲材料的應(yīng)用及展望吸聲材料最早用于對(duì)聽(tīng)聞音樂(lè)和語(yǔ)言有較高要求的建筑物中,如音樂(lè)廳、劇院、 播音室等。隨著人們對(duì)聲環(huán)境質(zhì)量

15、要求的提高,吸聲材料在一般建筑中也到了廣泛的應(yīng)用。在音質(zhì)設(shè)計(jì)中,對(duì)房間的墻面、頂棚進(jìn)行吸聲處理或者懸掛強(qiáng)吸聲體,可以減弱反射聲,降低噪聲;在產(chǎn)生氣流噪聲的進(jìn)氣或排氣管道中設(shè)置消聲器,能有效地降低氣流噪聲,減少噪聲污染;利用吸聲材料還可以調(diào)整聲場(chǎng)分布,消除回聲,控制反射聲,以獲得合適的混響時(shí)間。特別指出的是,地下鐵道作為一種城市現(xiàn)代化交通工具,其周圍一般是城市居民眾多,商業(yè)發(fā)達(dá)的地段,因而噪聲治理顯得非常重要。最近吸聲材料又有了新的進(jìn)展,由湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院和深圳楚粵公司共同研制成功的“吸聲降噪泡沫陶瓷”與傳統(tǒng)吸聲材料相比,有了質(zhì)的飛躍,其性能指標(biāo)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該產(chǎn)品采用陶瓷原料及相應(yīng)工藝生產(chǎn),具有三維狀結(jié)構(gòu)材料、開(kāi)口孔隙率高、耐氣候變化、抗腐蝕、抗熱和抗震等特點(diǎn)。能忍受風(fēng)吹、日曬、雨淋的侵蝕而不變形和破裂,不會(huì)改變網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí),它具有共振吸聲結(jié)構(gòu),表面美化處理后也不會(huì)影響吸聲效果?？蓮V泛用于城市高架橋、鐵軌鐵道、地鐵、隧道、建筑施工現(xiàn)場(chǎng)和露天變壓器等消聲隔音屏,還可用于娛樂(lè)場(chǎng)所及柴油發(fā)電機(jī)組、空調(diào)機(jī)組的消聲降噪工程。同時(shí),日本開(kāi)發(fā)出一種具有高吸音性能的吸音瓷磚。這種瓷磚采用信樂(lè)陶土和火山灰,加入特殊材料在1280的高溫下燒制而成。該產(chǎn)品除具有吸音、防火等性能外,它的熱傳導(dǎo)率也很低,且耐水性很好,可用水清洗,維修也很簡(jiǎn)單。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及陶瓷工藝