常用吸聲材料及吸聲機理

白攀峰， 柏林元， 何 山， 高 立， 劉 璐

(1.陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007；2.中國(浦東)知識產權保護中心，上海 200136)

引 言

噪聲污染目前已經逐漸成為世界上三大主要污染源之一，并且其發展形勢越來越嚴峻。噪聲污染不單單對人們的聽覺系統產生影響，同時也會加速裝備器材的老化、降低其使用壽命、影響加工精度。降低軍用裝備的噪聲水平，不僅能夠為士兵提供一個更加舒適的工作環境，同時也能提高裝備的生存力和戰斗力。正因如此，吸聲降噪問題成為了許多科技工作者熱衷的研究方向[1]。

控制聲源和采用吸聲材料是目前的處理噪聲的兩種主要措施。控制聲源即從源頭上降低噪聲，這種方法對設備結構、加工裝配等方面有很高要求，不僅成本昂貴且效果有限，在實際應用中使用得并不多。相比之下，采用吸聲材料則可以實現低成本高效益的效果。

通常所說的吸聲，是指聲波在傳播過程中能量衰減的過程，衰減降低部分能量在邊界面處被吸聲消耗[2]。具體來說是指聲波在介質中傳播到某個邊界面時發生的能量降低的過程，其中部分能量被反射(或散射)，部分能量在邊界處被吸收消耗。被吸聲部分聲能包括在材料邊界處轉變為振動機械能傳遞轉移或轉變為熱能耗散，或直接透過邊界傳到另一材質。根據不同的使用場合，吸聲材料能夠在噪聲的傳播過程中有效的將其吸收或反射，從而實現降噪效果。

1 吸聲材料分類

根據材料的吸聲機理不同通常可將吸聲材料(結構)分為共振結構吸聲材料、纖維類吸聲材料、多孔性吸聲材料以及其他類吸聲結構材料[3]。

1.1 共振結構吸聲材料

應用最為廣泛的共振性吸聲材料是微穿孔板結構，圖1為吸聲微穿孔板及其結構圖。微穿孔板結構最早是在20世紀60年代開始開發并應用的，其孔徑為0.1 μm級，通過微穿孔板及其后背空腔共同組成微穿孔吸聲結構，其結構相當于許多亥姆霍茲共振器并聯組成[4]。圖2為亥姆霍茲共振器及其機械類比示意圖。目前微觀孔板吸聲結構的吸聲理論、結構設計以及吸聲性能的測試已經形成了一套完整的體系。

圖1 吸聲微穿孔板及其結構圖

圖2 亥姆霍茲共振器及機械類比示意圖

單純的穿孔板結構其共振效果很強，如果入射波頻率與吸聲結構的共振頻率一致，板內空氣發生劇烈的振動，通過空氣的摩擦將聲能轉化為熱能消耗，造成聲能衰減起到吸聲效果。當入射波頻率與共振頻率不一致時，穿孔板結構吸聲效果明顯降低。

在實際的工程應用中，通常需要吸聲結構在較寬頻率范圍內具有較強的吸聲性能。因此為了增強穿孔板結構的吸聲性能，一般在穿孔板背后的空腔中加入其他吸聲材料。

1.2 纖維類吸聲材料

工程中常用的纖維類吸聲材料包括無機纖維、有機纖維和金屬纖維。

無機纖維材料通常指以礦物質為基本原材料制作而成的化學纖維，品種包括玻璃棉、巖棉等。從上個世紀90年代開始，無機纖維材料技術在北美和歐洲等地區得到迅速發展和應用，無機纖維材料具備良好的絕熱性能以及優異的吸聲隔音性能，且耐酸堿、抗老化、抗菌、阻燃能力強。

有機纖維材料指以天然植物纖維為原材料加工或者通過有機聚合物制作而成的纖維材料，圖3為聚酯纖維材料顯微結構。通過天然植物纖維制作的有機纖維材料在中、高頻區域表現出良好的吸聲性能，然而其防火、防潮能力較差，因此其使用范圍受限。近年來，人們將紡織纖維制作成多孔結構的復合材料，在家居領域得到了較廣泛的應用。

圖3 聚酯纖維材料顯微結構

相對于有機纖維材料，金屬纖維材料具有強度高、耐高溫、導熱耐水性好等獨特的優點和性能，因此取得了廣泛的應用。

金屬纖維材料具有代表性的是鋁纖維吸聲板和變截面金屬纖維材料。變截面金屬纖維材料已經在汽車消音器上開始使用。后續研究中對這種材料做了進一步優化，在金屬纖維材料復合微穿孔板或增加空氣層后，不僅使其低頻吸聲性能得到明顯改善，且抗惡劣工作環境如高溫、油污、水汽等條件下表現出良好的適應性。

1.3 泡沫類吸聲材料

泡沫材料主要分為泡沫塑料、泡沫玻璃和泡沫金屬。

發泡硅膠板是在玻璃基板上用粘合劑復合薄層層析硅膠而成，具有質軟、阻燃、失效期長等諸多優點，但制造成本較高，吸聲能力不夠理想。固化聚氨酯泡沫材料吸聲效果不穩定，但因其具有防腐、防水、阻燃等特點常用于汽車座椅車門內飾等。平靜隔音吸聲棉以橡塑添加隔音顆粒為主要材料，經氮氣發泡并冷卻成型)，具有防火、防水、柔軟、恢復性強、性價比高等諸多優點。該材料正面具有微型吸聲孔和異形吸聲槽，使其對噪聲具有高效過濾效果。

泡沫玻璃是一種極具裝飾潛力的無機材料，可做成多種顏色。它質輕，不燃，強度高，剛度大，可加工性好，但因吸聲系數低，不耐磨，成本高而未被廣泛應用。

泡沫金屬吸聲材料同時具備了泡沫材料與金屬材料的優勢，不但具備了泡沫材料的多孔吸聲特性，同時具備金屬材料強度高、耐高溫等優點，但是由于其加工成本高，并未得到廣泛的應用。通過水下吸聲試驗發現泡沫鋁吸聲材料具備很好的水聲吸聲性能。圖4為泡沫鋁材料顯微結構。

圖4 泡沫鋁材料顯微結構

2 吸聲機理

2.1 多孔吸聲材料的吸聲機理

多孔吸聲材料其內部包含大量相互連通的細微孔隙，并且孔隙延伸至材料的表面與外界連接。當聲波到達材料的外表面時，部分聲能被反射，另外部分則傳播至材料內部。聲波在材料內部傳播過程中，會引發孔隙內部空氣振動，并與孔壁相互摩擦轉化為熱能消耗掉。聲波在泡沫壁面發生反射又回到材料表面，一部分聲波返回到空氣中，其余部分又反射到材料內部。聲波經過這樣的反復傳播，能量會不斷衰減，因此表現出了良好的吸聲性能[5]。

2.2 共振吸聲材料(結構)的吸聲機理

共振吸聲結構類似于很多個相互并聯的亥姆霍茲共振器共同作用。當聲波傳播至材料表面時，材料內部以及周邊空氣會對聲波振動產生的體積、速度變化產生一個慣性阻抗。根據聲波振動頻率的不同，該慣性阻抗反抗強度也有所不同，在聲波頻率與共振吸聲系統固有頻率接近時，這種慣性阻抗最強，對聲能的衰減也最強。因此，共振犧牲材料的吸聲性能很大程度上受到入射聲波頻率影響，聲波振動頻率與共振結構固有頻率越接近，吸聲結構吸聲效果越好。

3 未來展望

不同的吸聲材料具有不同的性能和應用條件，纖維材料吸聲性能好，但是與泡沫金屬相比其物理性能較差。多孔吸聲材料目前已廣泛應用于各類降噪工程中，雖然木質纖維板、微穿孔板等也有較好的降噪功能，但是材料的強度和剛度較差的缺陷嚴重的限制了其應用范圍。泡沫金屬材料則具有高強度、高剛度等良好特性，然而對泡沫金屬材料來說，吸聲性能有很大的選擇性，生產成本也較高。因此，如何在合理利用現有吸聲技術的基礎上，繼續開發新型吸聲材料是今后該領域的研究熱點。