吸聲材料在高速公路聲屏障中的應(yīng)用

一般而言，聲屏障的降噪效果主要取決于聲波沿透射、反射、繞射三條途徑的聲能分配情況，當(dāng)聲屏障的隔聲量超過(guò)該頻率降噪量10dB以上時(shí)，聲屏障透射聲能對(duì)降噪量的影響可忽略不計(jì)。目前多采用多孔吸聲材料來(lái)解決聲波的繞射（包括由聲波反射所引起的繞射問(wèn)題），其中吸聲系數(shù)（α）常被用來(lái)評(píng)價(jià)材料吸聲性能的優(yōu)劣，一般把α> 0.2的材料稱為吸聲材料；α> 0.56的材料稱為高效吸聲材料。

吸聲材料只有對(duì)各個(gè)頻段的聲波都具有較好的吸收性能時(shí)，才能有效防止聲波繞射作用對(duì)聲屏障繞射聲衰減量和降噪效果的影響。如果吸聲材料僅在高頻具有較好的吸聲性能，中低頻吸聲效果較差，則對(duì)聲屏障繞射量的貢獻(xiàn)并不大。因此，研制在中低頻段具有較好吸聲性能的材料對(duì)聲屏障降噪效果具有重要作用，可有效防止高速公路噪聲污染。

吸聲材料研究現(xiàn)狀

當(dāng)聲波通過(guò)多孔吸聲材料內(nèi)部大量的孔隙時(shí)，在材料中發(fā)生多次反射，通過(guò)黏滯阻力和聲波與孔隙間摩擦作用力，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。目前大部分材料對(duì)高頻聲波（大于2000Hz）具有較好的吸聲性能，而在中頻（500Hz～2000Hz）和低頻（小于500Hz）的吸聲效果相對(duì)不明顯。

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，中低頻吸聲性能有所改善的材料主要包括：纖維類、泡沫類、復(fù)合類和其他材料（如表1所示），其中大部分多孔材料可以作為吸聲材料，有的甚至可以作為高效吸聲材料。

纖維類材料，平均吸聲系數(shù)相對(duì)較高（0.67-0.76），其中天然竹纖維、多層椰殼纖維、非織布吸聲材料在各個(gè)頻段（125Hz～4000Hz）均具有較高的吸聲系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸聲性能。纖維材料良好的吸聲效果與材料自身性質(zhì)有關(guān)，如椰殼纖維具有纖維素含量高、氣孔率高（95%）等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)吸聲性能還與材料的制備方法有關(guān)。

泡沫材料，作為一種新型的多孔材料，主要是經(jīng)過(guò)發(fā)泡處理后形成大量的氣泡構(gòu)成了孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善材料的吸聲性能，一般分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種泡沫材料。由表1可知，泡沫材料在各個(gè)頻段的吸聲性能基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在中低頻段的吸聲性能優(yōu)異（0.16-0.96）其中聚合物-無(wú)機(jī)纖維復(fù)合泡沫材料的研究表明，將具有良好中高頻吸聲性能的無(wú)機(jī)纖維加入復(fù)合材料中，可以提高制品的吸聲性能，但是纖維加入過(guò)多會(huì)影響復(fù)合材料的發(fā)泡過(guò)程，使得泡孔生長(zhǎng)困難，孔隙率下降，吸聲性能降低。

復(fù)合材料，通過(guò)添加發(fā)泡劑等方法，將兩種或兩種以上的材料混合制備成吸聲材料，包括聚氯乙烯基與無(wú)機(jī)物、聚氨酯與無(wú)機(jī)物、混凝土與無(wú)機(jī)物混合等。由表1可知與其他材料相比，復(fù)合材料在中低頻的吸聲效果較好（當(dāng)頻率為500Hz時(shí)，硅酸鹽水泥和黏土質(zhì)陶粒復(fù)合材料吸聲系數(shù)高達(dá)0.92）。

其他材料，主要包括有機(jī)物（聚丙烯、聚苯乙烯等）、無(wú)機(jī)物（礫石、高硅砂等）、金屬、廢棄物（廢舊羊毛、廢硅橡膠等）。這些材料在中頻的吸聲效果較好，而在低頻（125Hz-500Hz）、高頻（2000Hz-4000Hz）的吸聲效果相對(duì)于其他材料不明顯。但是利用廢舊羊毛、廢硅橡膠改性制備的材料為聲屏障吸聲材料的研究和制備提供了新的思路，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

影響材料吸聲性能的因素

盡管多孔材料對(duì)高頻段聲波具有較好的吸收性能，但是可以通過(guò)增加材料的厚度、密度、容重等方式改善其在中低頻段的吸聲性能。因此研究影響多孔材料吸聲特性的因素（如材料的厚度、密度、背后空腔等），有利于制備出高效吸聲材料以防止高速公路噪聲污染現(xiàn)象。

材料的厚度

多孔材料厚度的增加使得內(nèi)部孔隙通道變長(zhǎng)，聲波與材料相互作用的時(shí)間變長(zhǎng)，聲能被削減的機(jī)會(huì)增大，材料吸聲性能得到明顯提高。目前關(guān)于材料厚度對(duì)吸聲性能影響的研究有很多，如無(wú)機(jī)聚合物泡沫、水泥基多孔吸聲材料等。由瑞利模型可知，材料厚度增加到一定程度時(shí)，對(duì)吸聲性能的影響較小，因此，材料厚度并不是越大其吸聲性能就越好，還與自身特性有關(guān)。材料吸聲性能的改善不能盲目提高厚度，應(yīng)從材料的成本、制造工藝、實(shí)際應(yīng)用情況等多方面考慮。

材料的密度

聲波入射到密度較大的多孔材料中會(huì)引起聲能損耗的增加，提高材料對(duì)中低頻聲波的吸收性能，這主要是因?yàn)槊芏鹊奶岣邥?huì)增大材料的表面積和聲波與材料的接觸面積。當(dāng)聲波進(jìn)入材料表面時(shí)，聲波能量較高，所需材料的吸聲性能要求較高，但是隨著聲波在材料中的傳播，聲波能量逐漸降低。因此，將兩種或兩種以上不同密度的材料堆疊在一起有利于聲波能量在不同時(shí)間和位置得到有效衰減。

背后空腔

當(dāng)吸聲材料背部沒有空腔時(shí)，主要通過(guò)黏滯和熱損耗作用將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉；有空腔時(shí)，能產(chǎn)生類似空腔共振結(jié)構(gòu)的吸聲作用。基于聲學(xué)原理，當(dāng)材料背后空腔厚度為入射聲波1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，吸聲系數(shù)最大；當(dāng)厚度為1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，吸聲系數(shù)最小。空腔深度的增加相當(dāng)于提高材料的有效厚度，顯著改善了材料對(duì)低頻聲波的吸收性能。

其他因素

除了厚度、密度、背后空腔外，容重、孔徑、空氣流阻等因素均會(huì)影響材料的性能。對(duì)于容重而言，容重越小，孔隙率越大，材料越疏松；容重越大，孔隙率越小，材料越密實(shí)，因此吸聲材料存在最佳的容重范圍。對(duì)于孔徑而言，尺寸較小時(shí)，高頻聲波的吸收性能較好，低頻聲波的吸收性能沒有明顯的變化。對(duì)于空氣流阻而言（即聲波透過(guò)多孔吸聲材料所受的阻力大小），流阻越大，材料越密實(shí)，聲波越不容易深入材料內(nèi)部，吸聲性能較低。反之流阻越小，材料越稀疏，聲能轉(zhuǎn)化為熱能的效率降低，吸聲性能下降。

表1 吸聲材料的分類和性能研究

結(jié)語(yǔ)

目前，交通噪聲污染現(xiàn)象已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，多孔吸聲材料的研究仍將是降噪領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。為有效研制開發(fā)吸聲材料，尤其在中低頻段具有較好吸聲效果的材料，本文研究了多孔材料的分類及影響其性能的因素。其中，吸聲材料的厚度、密度、背后空腔等方面均會(huì)對(duì)材料的吸聲性能產(chǎn)生不同程度的影響，探索和采用新的制備工藝方法改善并拓寬材料在中低頻段的吸聲性能，以期制備出具有優(yōu)異吸聲性能的新型環(huán)保材料應(yīng)用于交通噪聲污染的防治中。