多種組合吸聲材料的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

高 潔 舒玉嬌

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710062）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，各種機(jī)械設(shè)備、交通運(yùn)輸工具在急劇增加，噪聲污染日益嚴(yán)重.噪聲影響人們的正常工作和休息、危害人體健康，同時(shí)也是導(dǎo)致發(fā)生各種事故的主要根源［1］.如今噪聲污染已成為繼水污染、空氣污染和固體廢棄物污染的第四大壞境公害，因此必須對(duì)噪聲進(jìn)行控制.其中，使用吸聲材料是控制噪聲的重要途徑之一［2］.

吸聲材料按吸聲機(jī)理分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)材料兩大類(lèi).多孔性吸聲材料是目前應(yīng)用最廣泛的吸聲材料.其內(nèi)部具有無(wú)數(shù)細(xì)微孔隙，孔隙間彼此聯(lián)通，且通過(guò)表面與外界相通，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，激發(fā)其孔隙內(nèi)部的空氣振動(dòng)，使空氣和固體筋絡(luò)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并發(fā)生摩擦作用，由空氣的黏性在孔隙內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的黏性阻力，使得振動(dòng)空氣的動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)換為熱能，從而使聲能量轉(zhuǎn)換成熱能而衰減.共振吸聲結(jié)構(gòu)是在聲源發(fā)出聲波的激勵(lì)下，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)或物體由于自身的內(nèi)摩擦和與空氣的摩擦，會(huì)把一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成熱能而消耗掉，從而降低了噪聲.共振吸聲結(jié)構(gòu)主要對(duì)中、低頻噪聲有很好的吸聲性能，而多孔性吸聲材料的吸聲頻率范圍主要在中、高頻.因此在進(jìn)行噪聲控制設(shè)計(jì)時(shí)，合理地將共振吸聲結(jié)構(gòu)與多孔性吸聲材料相結(jié)合，可以獲得較寬頻帶的吸聲效果.大量實(shí)驗(yàn)證明材料的厚度和容隙率、在材料后預(yù)留空氣層以及多層材料疊加可以提高材料的吸聲性能［3～6］.薄板、穿孔板和微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)［7～8］等常見(jiàn)的共振吸聲結(jié)構(gòu)也能提高材料的吸聲性能.但它們對(duì)材料的吸聲性能究竟有何影響則需要實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證.

本文擬采用駐波管法，對(duì)5種吸聲性能表現(xiàn)一般的簡(jiǎn)單材料進(jìn)行穿孔、疊加、重構(gòu)等改造設(shè)計(jì)，使這些簡(jiǎn)單材料的吸聲性能得到改善，并尋找材料吸聲性能的改善規(guī)律，以求為實(shí)際應(yīng)用中吸聲材料的優(yōu)化利用研究找到一條新思路.

2 吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改善

本文選擇幾種常見(jiàn)的、具有一定吸聲性能的材料進(jìn)行加工、改造，研究材料改造的吸聲規(guī)律，并基于空氣層吸聲的原理設(shè)計(jì)出一種特殊的吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì).選擇一些在生活中較常見(jiàn)的軟質(zhì)材料來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合、改善設(shè)計(jì).基礎(chǔ)材料共5種，分別是橡膠，泡沫，紙板，海綿1，毛氈.其中橡膠正反兩面不同，有一些凹凸不平但分布均勻的小槽，反面是光滑的.紙板表面光滑，中間有一些并聯(lián)的管道結(jié)構(gòu).

設(shè)計(jì)的方法主要有以下幾種：

（1）加空氣層.在海綿、泡沫和紙板后預(yù)留不同厚度的空氣層.首先觀察分析預(yù)留空氣層對(duì)材料吸聲系數(shù)的影響，再觀察分析預(yù)留空氣層厚度的改變對(duì)吸聲系數(shù)的影響.

（2）穿孔.在紙板、橡膠和泡沫的表面穿孔.首先觀察分析穿孔后吸聲材料吸聲性能的變化，再觀察分析孔的大小、疏密和孔穿透與否對(duì)材料吸聲性能的影響.（注：大孔直徑0.25 cm，小孔直徑0.2 cm）

（3）疊加.將紙板和橡膠、紙板和泡沫以及紙板和海綿兩層或三層疊加，觀察分析組合材料吸聲性能的改變.

（4）在材料后預(yù)留空氣層會(huì)影響多孔性吸聲材料的吸聲性能，這里設(shè)計(jì)一種空氣層放在材料中間的吸聲結(jié)構(gòu)，把兩個(gè)空腔泡沫相對(duì)放在一起組成泡沫空腔，其中間有一個(gè)空氣柱.研究泡沫空腔的吸聲特性.

3 吸聲系數(shù)測(cè)試

測(cè)量吸聲系數(shù)總共有3種方法：聲波導(dǎo)管法、自由聲場(chǎng)法、混響室法.前兩者測(cè)試的聲波是垂直入射或者斜入射，后者測(cè)試的聲波是無(wú)規(guī)則入射.垂直入射聲波的測(cè)試方法又有兩種：駐波管法和傳遞函數(shù)法［9］，本文主要用駐波管法測(cè)試材料的吸聲系數(shù).

在駐波管中傳播平面波的頻率范圍內(nèi)，聲波入射到管中，再?gòu)脑嚰砻娣瓷浠貋?lái)，入射波和反射波疊加后在管中形成駐波.由此形成沿駐波管長(zhǎng)度方向聲壓極大值與極小值的交替分布.用試件的反射系數(shù)r來(lái)表示聲壓極大值與極小值，可寫(xiě)成

其中p0是聲壓振幅，pmax是聲壓極大值，pmin是聲壓極小值.根據(jù)吸聲系數(shù)的定義，吸聲系數(shù)α與反射系數(shù)r的關(guān)系可寫(xiě)成

因此，只要確定聲壓極大和極小的比值，即可計(jì)算出吸聲系數(shù).如果實(shí)際測(cè)得的是聲壓級(jí)的極大值和極小值，記兩者之差為L(zhǎng)［4］.

采用JTZB吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)主要包括：駐波管，信號(hào)發(fā)生器，功率放大器，頻譜分析儀.其中駐波管有3類(lèi)：低頻管，主要用于測(cè)試200～2 000 Hz，直徑為100 mm，長(zhǎng)1 500 mm；中頻管主要用于測(cè)試2 500～4 000 Hz，直徑為50 mm；高頻管主要用于測(cè)試5 000～6 300 Hz，直徑為29 mm；系統(tǒng)總長(zhǎng)3 700 mm.測(cè)試簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1 駐波管測(cè)量設(shè)備典型裝置

4 測(cè)試結(jié)果與分析

本文共進(jìn)行了6類(lèi)共20多組不同材料的吸聲改善優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，測(cè)得各類(lèi)數(shù)據(jù)120余組.挑選7組典型數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明改善設(shè)計(jì)結(jié)果.

（1）材料表面穿孔對(duì)吸聲性能的影響

在紙板表面穿孔后，材料的吸聲系數(shù)前后對(duì)比結(jié)果如圖2所示.可以看到，1 250 Hz以下，紙板穿孔無(wú)論孔是否穿透，材料的吸聲系數(shù)都在減小，這說(shuō)明在紙板上穿孔會(huì)破壞其中并聯(lián)的管道結(jié)構(gòu).由此可得結(jié)論：結(jié)構(gòu)中增加并聯(lián)管道結(jié)構(gòu)利于低頻噪聲的吸收.

（2）同種材料，改變厚度對(duì)其吸聲性能的影響

圖2 紙板穿孔時(shí)的吸聲系數(shù)

改變紙板的厚度，測(cè)試結(jié)果如圖3所示.可以看到，頻率在200～2 500 Hz內(nèi)，紙板厚度增加1倍時(shí)，吸聲系數(shù)增加了0.2～0.6，增加2倍時(shí)，吸聲系數(shù)增加0.1左右，當(dāng)增加3倍時(shí)，吸聲系數(shù)反而減少0.1左右；2 500 Hz以后，增加紙板的厚度，吸聲系數(shù)反而減小.可得結(jié)論一：增加材料的厚度可以增大材料在中低頻區(qū)的吸聲系數(shù).結(jié)論二：材料增加的厚度有一定限度，超過(guò)這個(gè)限度，厚度的增加會(huì)使吸聲系數(shù)減小.

圖3 紙板厚度不同時(shí)的吸聲系數(shù)

（3）在材料后預(yù)留空氣層對(duì)吸聲性能的影響

在海綿1后預(yù)留不同厚度的空氣層，測(cè)試結(jié)果如圖4所示.可以看到1 250 Hz以下，隨著預(yù)留空氣層厚度的增加，海綿1在各頻段的吸聲系數(shù)均會(huì)變大；1 250 Hz以后，空氣層厚度越大，吸聲系數(shù)反而減少.由此可得結(jié)論：預(yù)留空氣層能提高材料在低頻的吸聲系數(shù)，且空氣層厚度越大，吸聲系數(shù)提高越大.

（4）材料厚度增加及加空氣層對(duì)吸聲性能的影響

圖4 海綿1預(yù)留不同厚度空氣層的吸聲系數(shù)

給海綿加厚以及在其后預(yù)留空氣層，測(cè)試結(jié)果如圖5所示.可以看到，給海綿和紙板加厚或預(yù)留空氣層都能提高材料的吸聲系數(shù)；但在所加同種材料厚度與預(yù)留空氣層厚度相同時(shí)，加厚要比預(yù)留空氣層對(duì)吸聲系數(shù)的提高本領(lǐng)大，加厚能提高0.4左右，而預(yù)留空氣層平均只能提供0.2.由上面分析可得結(jié)論：加厚和預(yù)留空氣層都能提高材料的吸聲系數(shù)，但同等厚度情況下，加厚對(duì)吸聲系數(shù)的提高能力更大.

圖5 海綿1加厚與加空氣層時(shí)的吸聲系數(shù)

（5）不同材料兩層疊加時(shí)吸聲性能的變化

對(duì)紙板和海綿兩層疊加，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示.可以看到，2 500 Hz以下，紙板和海綿疊加，將紙板放前面，組合材料在各頻段吸聲系數(shù)總的來(lái)說(shuō)比海綿小，比紙板大；將海綿放在前面，組合材料在各頻段的吸聲系數(shù)要比海綿和紙板都大.其中海綿的容隙率比紙板大.可得結(jié)論：兩種材料疊加，吸聲系數(shù)大的材料放在前面，則組合材料的吸聲系數(shù)在各頻段將有所增加；吸聲系數(shù)小的放在前面，則組合材料的吸聲系數(shù)位于兩種材料之間.

圖6 紙板、海綿兩層疊加時(shí)的吸聲系數(shù)

（6）兩種材料3層疊加吸聲性能的變化

對(duì)紙板和海綿3層疊加，測(cè)試結(jié)果如圖7所示.發(fā)現(xiàn)在800 Hz之后，有海綿放在前面的兩種組合材料的曲線明顯上升，而將紙板放在前面的兩條曲線明顯下降.由此可得結(jié)論：多種材料疊加，若疊加在前面的材料容隙率較大，則在較高頻吸聲效果好；前面材料的容隙率較小，在較高頻吸聲效果較差.

圖7 紙板、海綿3層疊加時(shí)的吸聲系數(shù)

（7）設(shè)計(jì)幾種不同的吸聲結(jié)構(gòu)

在橡膠表面穿孔，在橡膠后預(yù)留空氣層以及泡沫空腔的測(cè)試結(jié)果如圖8所示.看到這3幅圖在某個(gè)頻率處吸聲系數(shù)都會(huì)有一個(gè)大的起伏值，這里設(shè)計(jì)的這幾種吸聲結(jié)構(gòu)與一般的共振吸聲結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在材料后預(yù)留空氣層、穿孔和泡沫空腔形成共振腔，具有共振頻率，當(dāng)外界噪聲達(dá)到該頻率時(shí)，吸聲系數(shù)突然增大，之后又急劇減小.因此這種結(jié)構(gòu)適合對(duì)某些特殊頻段的吸聲需求.

圖8 共振結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文對(duì)一些常見(jiàn)的、簡(jiǎn)單的、具有一定吸聲效果的材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造和處理，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行穿孔、組合疊加等不同的設(shè)計(jì)來(lái)改善材料的吸聲性能.最終對(duì)6類(lèi)20多組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了吸聲系數(shù)的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得到以下結(jié)論.

（1）在吸聲材料內(nèi)加中空管道結(jié)構(gòu)可以增加低頻區(qū)的吸聲量.

（2）增加吸聲材料的厚度和預(yù)留空氣層都能提高材料在低頻的吸聲性能，且材料和空氣層厚度越大，吸聲性能越好，但所加厚度有一定限度.同等厚度情況下，加厚對(duì)吸聲系數(shù)的提高能力更大.

（3）多層材料疊加，容隙率大的材料放在前面，組合結(jié)構(gòu)在高頻的吸聲性能好，反之，吸聲性能變差.其中材料兩層疊加時(shí)，低頻處，將容隙率大的放在前面，組合結(jié)構(gòu)的吸聲性能變大，反之，吸聲性能位于兩者之間.

（4）泡沫空腔、穿孔或在材料后預(yù)留空氣層會(huì)形成共振結(jié)構(gòu)，當(dāng)噪聲頻率達(dá)到共振頻率時(shí)，吸聲系數(shù)在此頻率達(dá)到最大值，吸聲效果最好，適合對(duì)某些特殊頻段有吸聲要求的情況.

結(jié)果表明，對(duì)簡(jiǎn)單材料進(jìn)行重新組合和表面處理可以有效地提高材料的吸聲性能，這些結(jié)論對(duì)實(shí)際工程中吸聲材料的優(yōu)化選擇和充分利用有很好的參考意義，能有效節(jié)約成本.

1 朱從云，黃其柏.多層吸聲材料吸聲系數(shù)的理論計(jì)算.聲學(xué)技術(shù)，2008，27（1）：101～102

2 毛東興，洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程（第二版）.北京：高等教育出版社，2010

3 潘鈞.泡沫玻璃制品的吸聲效果和應(yīng)用.地下工程與隧道，1993（1）：27～30

4 陳克，曾向陽(yáng)，李海英.聲學(xué)測(cè)量.北京：科學(xué)出版社，2005

5 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)（第二版）.南京：南京大學(xué)出版社，2001

6 盛美萍，王敏慶，孫進(jìn)才.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）.北京：科學(xué)出版社，2007

7 馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，2004

8 水中和，李躍，彭顯莉，等.吸聲材料構(gòu)造形式對(duì)吸聲效果的影響.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（12）：89～91

9 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì).GBJ88－85.駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測(cè)量規(guī)范.上海：同濟(jì)大學(xué)，1985