新型吸聲材料及吸聲模型研究進展*

梁李斯，郭文龍，張 宇，李林波，杜金晶，劉漫博，臧旭媛

(西安建筑科技大學 冶金工程學院，西安710055)

0 引 言

聲學的發展歷史悠久，18世紀提出聲學的波動理論，19世紀末20世紀初W.C.SABINE提出混響時間理論，20世紀初塞賓提出混響公式，該公式表明混響時間近似與房間體積成正比，與房間總吸聲量成反比，使禮堂，劇院的設計有跡可循，而吸聲材料首先就應用于室內用來控制混響時間[1-2]。早期最常用的是有機植物纖維吸聲材料，但植物纖維有許多缺點：吸聲系數低，易燃，使用范圍小。在 20世紀30年代，玻璃纖維成功開發，由于其優異的吸聲性能，被廣泛應用于聲學領域[3]。我國吸聲材料的發展主要從上世紀20年代至30年代開始，主要是使用進口的甘蔗板和軟質木纖維板來吸聲，60年代以后玻璃纖維和石棉材料逐漸替代有機植物纖維，70年代以后，隨著經濟的發展，噪聲污染成為公害，引起各方的重視，隨后各種吸聲材料相繼被研發應用。目前，吸聲材料仍存在很多問題，如污染嚴重，耐高溫性弱，使用壽命短等問題。但泡沫鋁及其復合結構的應用，使吸聲材料的耐高溫性，使用壽命，產生污染等方面的問題得到了有效的解決；纖維復合吸聲材料有效解決了傳統吸聲材料耐火，耐潮等方面的問題。為了更好的了解如今吸聲材料的發展，介紹了吸聲材料的分類及其原理并總結歸納了部分傳統吸聲材料以及分析了以圓管理論為基礎的多孔吸聲材料模型。

1 吸聲材料分類及其原理

吸聲材料根據其吸聲機制的不同，一般分為兩大類，即多孔吸聲材料和共振吸聲材料。

1.1 多孔吸聲材料的吸聲原理

多孔吸聲材料的吸聲原理就是當聲波通過媒介時使得媒介產生壓縮和膨脹變化：壓縮區的體積變小，使溫度升高；而膨脹區的體積變大，相應的溫度也降低，從而使相鄰的壓縮區和膨脹區之間產生溫度梯度，一部分熱量從溫度高的部分流向溫度較低的媒介中區，發生熱量的交換，使聲能轉化為熱能而耗散掉。從而被衰減[4]。

1.2 共振吸聲材料的吸聲原理

共振吸聲結構即亥姆霍茲共振結構，當入射聲波的頻率接近共振器的固有頻率時，孔徑的空氣柱會產生強烈的振動，在該振動過程當中，由于克服摩擦阻力而消耗聲能，但當入射聲波的頻率遠離共振器的固有頻率時，共振器振動很弱，消耗的聲能很少，聲吸收作用很小，因此共振吸聲材料吸聲時入射聲波的頻率要接近共振器的固有頻率[5]。

圖1 亥姆霍茲共振器Fig 1 Helmholtz resonator

圖2 聲波入射至吸收材料的傳播途徑Fig 2 The way of the propagation of sound waves to the absorbing material

根據這兩種吸聲機制，分述傳統和新型吸聲材料如下。

2 傳統吸聲材料

2.1 多孔吸聲材料

2.1.1 纖維吸聲材料

傳統的纖維吸聲材料包括無機纖維吸聲材料，有機纖維吸聲材料和金屬纖維吸聲材料。其中無機纖維吸聲材料主要包括巖棉，玻璃棉等無機纖維材料，其優點是具有良好的吸聲性能且質量輕，不易燃，不易老化等。但是由于其脆性較大容易導致斷裂，并且受潮后吸聲性能嚴重下降，容易造成環境污染等一系列缺點，導致其使用范圍受到很大限制。有機纖維材料主要為植物纖維制品和化學纖維，植物纖維主要有棉麻纖維，毛氈，甘蔗纖維板等，化學纖維主要有晴綸棉，滌綸棉等。其優點是這些材料在中高頻范圍內有良好的吸聲性能。但其，防火，防腐，防潮等性能非常差，因此適用范圍很小[6]。金屬纖維吸聲材料主要為不銹鋼金屬纖維和鋁纖維，其優點是強度高，防火性好，環境適應性強，散熱性強等，但其缺點是造價成本高[7]。

2.1.2 泡沫吸聲材料

傳統泡沫材料有泡沫塑料，泡沫玻璃等。泡沫塑料種類繁多，主要有聚氨酯泡沫塑料，脲醛泡沫塑料，酚醛泡沫塑料等，這些泡沫塑料大多為閉孔型，主要用于保溫絕熱，只有少量開孔型泡沫塑料可用于吸聲，如脲醛泡沫塑料，軟質聚氨酯泡沫塑料。其優點是價格較低，不易老化。但其具有不防火，燃點低，吸水性強，強度低，且容易對環境造成污染等缺點。泡沫玻璃是以玻璃粉為原料，加入發泡劑以及其他外摻劑經高溫焙燒而成。其優點是質量輕，不易燃，不易老化，無氣味等，其缺點是強度較低，吸聲系數較低[8-9]。

2.1.3 顆粒吸聲材料

顆粒狀原料如珍珠巖，蛭石，礦渣等，由于顆粒之間形成的間隙，加上一定的厚度，使其具有多孔吸聲材料的性能。有膨脹珍珠巖吸聲板，陶土吸聲磚等產品，其優點是耐潮，防火，耐腐蝕等，其缺點是用途單一，主要用于建筑吸聲材料[10]。

2.2 共振吸聲材料

2.2.1 穿孔板共振吸聲結構材料

在各種薄板上穿孔并在板后設置空氣層，可以組成穿孔板共振吸聲結構。一般膠合板，纖維水泥板以及鋼板，鋁板均可以作為穿孔板結構的面板原料。其缺點是聲阻過小，不做處理時吸聲頻帶較窄。穿孔鋁板和穿孔鋼板應用最為廣泛[9]。

2.2.2 薄板共振吸聲結構材料

在周邊固定在框架上的金屬板等后，設置適當厚度的封閉空氣層，使其形成一個共振系統，在系統共振頻率附近具有較大的吸聲作用[11]。

針對傳統吸聲材料的存在的弊端，研究者們不斷探索具有更優良性能的吸聲材料，新型吸聲材料應運而生。

3 新型吸聲材料

3.1 泡沫鋁及其復合結構

泡沫鋁作為新型吸聲材料，根據孔型結構的不同，泡沫鋁材料又分為開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁。其中開孔泡沫鋁孔與孔之間由孔棱連接，互相連通，通氣性好，因此具有很好的換熱散熱能力、吸聲能力等；閉孔泡沫鋁孔與孔之間除了孔棱連接，還有孔壁連接，且孔型為近似球形的圓孔，孔隙率高、比表面積大，因此閉孔泡沫鋁具有優異的力學性能、吸聲性能、隔聲性能和電磁屏蔽性能等。泡沫鋁具有優良的吸聲、隔聲、電磁屏蔽性能、不燃、不易氧化、不易老化、回收再利用性強等優點，但其低頻段吸聲效率低，因此需要泡沫鋁進行一系列處理。對于開孔泡沫鋁，將其與一定厚度的鋁板制成復合板，可大大提高其低頻段吸聲性能[12]。趙長銀[13]以開孔泡沫鋁為基體，向其內部孔洞填充聚氨酯材料，得到泡沫鋁-聚氨酯復合材料，大大改善了開孔泡沫鋁的吸聲降噪性能。對于閉孔泡沫鋁，由于其孔型結構，導致吸聲效果不理想，因此對其進行打孔處理，并在背后填加空腔，使之形成亥姆霍茲共振結構，從而提高其吸聲系數[14]，其原理如圖3所示。對于閉孔泡沫鋁，為了提高閉孔泡沫鋁吸聲性能，可采用雙層閉孔泡沫鋁板復合結構，該復合結構對吸聲系數的提高和主吸聲頻段范圍的擴大都是很有利的；還可以采用閉孔泡沫鋁板與玻璃棉復合結構，該復合結構隨著玻璃棉厚度的增加，低頻吸聲系數整體得到提高，但該結構由于玻璃棉存在環境污染問題，適用范圍不廣；也可以在閉孔泡沫鋁吸聲板表面覆蓋軟質吸聲布來增強吸聲性能。

圖3 打孔閉孔泡沫鋁共振吸聲結構及通孔內壁結構Fig 3 Resonance sound absorption and through hole structure of punched closed-cell aluminum foam

3.2 纖維吸聲復合材料

傳統的有機纖維在中高頻范圍有良好的吸聲性能，低頻段吸聲性能很差，且防火，防腐，防潮性能非常差，因此Patnaik等研究發現，將廢羊毛纖維與再生聚酯纖維(RPET) 進行復合得到 RPET/廢羊毛纖維復合材料，該材料具有良好的絕緣、隔熱、防火、吸聲、防潮性能和生物可降解性[15]。傳統的無機纖維雖然具有良好的吸聲性能，但是其脆性大容易斷裂，受潮后吸聲性能下降嚴重，周博等[16]研制了硅藻泥-草梗復合多孔吸聲材料，該材料具有密度低，質量輕，可凈化空氣等優點，在中低頻范圍有良好的吸聲效果，可使適用于電影院，房窩住宅區內等對吸聲降噪要求較高的場所。余海燕[17]等設計了水泥-木梗纖維復合多孔吸聲材料，該復合材料大大提高了木梗纖維材料的強度和吸聲能力，并探究了影響該復合材料吸聲能力的影響因素。Kucuk等[18]設計了不同比例多種纖維混合制成的非織造吸聲復合材料，70%棉纖維和30%滌綸纖維混合制得的非織造復合材料在中高頻段有較好的吸聲系數。為了使中低頻段具有較好的吸聲性能，加入腈綸和聚丙烯纖維的棉/滌綸吸聲復合材料。Yu等[19]利用熱壓法將熱塑性聚氨酯與廢棄滌綸纖維進行復合，使其成為機械性能優異的纖維復合材料，該材料鉆孔后制成多孔板，并附上滌綸織物，使其具有良好的吸聲性能。Yuxia Chen等[20]研制了絲瓜纖維復合多孔吸聲材料，如圖4所示，該研究使用廢棄的絲瓜屑和環保的聚酯纖維為原料，制成的絲瓜纖維復合吸聲材料不僅具有良好的吸聲性能，還具有良好的緩沖性能和吸濕消濕性能，并且由于絲瓜廢料的燃燒會造成嚴重的環境污染，因此該吸聲材料可有效抑制環境污染。李婷婷等[21]研制了竹粉，木粉纖維-聚氨酯泡沫塑料復合多孔吸聲材料，竹粉，木粉原料易獲得且價格低廉，可回收無污染，經實驗得出竹粉-聚氨酯復合材料在1 000 Hz左右處吸聲效果較好，木粉-聚氨酯吸聲材料在4000Hz左右吸聲效果較好，吸聲系數可達到0.87。趙心一等[22]將玉米皮纖維與聚乳酸復合制備了玉米皮纖維-聚乳酸吸聲復合材料，當在該材料上添加一層3 mm的麻氈及留有兩層共1cm空氣層時，吸聲性能最好，可達0.95。傳統的金屬纖維造價成本高，楊富堯等[23]以鋁纖維、鋁箔、鋁板網為原料制備不同結構參數的鋁纖維吸聲復合材料，使材料在中低頻段具有優異的吸聲性能，并大大降低了成本。為了解決吸聲材料吸聲與散熱不能同時兼顧的問題，王廣克等[24]制備了氧化鎂-聚醚醚酮復合材料，通過該材料對吸聲材料進行處理。他們使用氧化鎂-聚醚醚酮復合材料對玻璃棉進行處理，對玻璃棉的吸聲性能基本沒有影響，但大大提高了玻璃棉的散熱能力。針對小空間內的消聲問題，王建忠等[25]制備了厚度為2 mm的不銹鋼纖維多孔材料，然后將該材料與穿孔板，金屬薄板復合，改結構顯著擴寬了吸聲頻帶，提高了吸聲性能。

3.3 顆粒復合吸聲材料

水泥基吸聲材料具有多孔結構，因此其具有優異的吸聲性能，以水泥漿覆蓋珍珠巖顆粒制備了含有纖維和發泡多孔結構的水泥基吸聲材料[26]，其成本價格低廉，加工方法簡單，屬于綠色環保型吸聲材料。水泥-聚苯顆粒材料以水泥作為膠凝材料，聚苯顆粒為骨料，聚丙乙烯纖維和可再分散乳膠粉為增韌材料而制成的吸聲材料，被廣泛應用于建筑吸聲材料[27]。為了減小工業廢渣造成的資源浪費和環境污染。孫朋等[28]以轉爐鋼渣為主要原料，摻加黏土，長石等陶瓷材料，制備了鋼渣基陶瓷多孔吸聲材料，該材料不僅具有優異的聲學性能，并且具有優異的力學性能。李云濤等[29]以工業固廢鎳鐵渣為基本原料，制備出鎳鐵渣聚合微粒吸聲材料，該材料在中低頻吸聲性能優異，能夠解決交通運輸噪音污染。

3.4 多孔-共振復合吸聲材料

張會萍等[30]提出亥姆霍茲共振吸聲結構附加多孔吸聲材料的新型吸聲結構，對其進行理論分析和仿真計算后，發現該結構的吸聲性能得到了顯著的提高，并且拓寬了原本的吸聲頻帶范圍。龔凡等[31]建立了由穿孔板及吸聲材料構成的雙層阻抗復合吸聲結構，由外層穿孔板，外層吸聲材料，內層穿孔板及內層吸聲材料組成，顯著增大吸聲頻帶范圍，提高吸聲性能。

3.5 高分子吸聲材料

高分子材料作為新型材料適用于各行各業，其中一些高分子材料可作為性能優異的吸聲材料。李棟輝[32]將石墨烯與聚氯乙烯進行復合得到石墨烯-聚氯乙烯隔聲材料，以聚氨酯為發泡基體，與硅藻土進行復合制備硅藻土-聚氨酯發泡吸聲材料，然后將單層吸聲材料置于兩層隔聲材料之間，組合成層狀結構材料，大大提高了吸聲降噪能力。公晉芳[33]制備出硅藻土-聚丙烯復合吸聲材料，該材料吸聲機理為薄板振動與多孔吸聲相結合，吸聲性能優異，最佳吸聲系數可達0.85。一般的吸聲材料包括高分子吸聲材料都存在吸聲頻段較窄的現象，趙宗煌[34]將聚苯胺，聚吡咯，八羧基酞菁銅三忠導電聚合物與石墨，環氧樹脂，聚酰胺樹脂，N-甲基吡咯烷酮等混合后用球磨機制成漿液，然后將其涂覆在載體上，制成尤其在低頻段吸聲效果好并且吸聲頻段寬的薄膜材料。

為了更好的了解和制備新型吸聲材料，人們開始建立吸聲材料模型，以下介紹了部分新型吸聲材料模型以及其建立的目的。

4 新型吸聲材料模型

為了更好的了解和制備新型吸聲材料，人們開始建立吸聲材料模型，以下介紹了部分新型吸聲材料模型以及其建立的目的。

伴隨著新型吸聲材料的出現，吸聲模型也不斷涌現。吸聲材料模型的研究與建立，對吸聲材料的設計，應用提供了理論支持和研究基礎。針對多孔性骨架為剛體的吸聲材料，圓管理論模型及基于圓管理論的JCA模型得到廣泛應用，本節介紹了部分基于圓管理論模型的吸聲材料模型。

圖4 多孔材料的構造Fig 4 Structure of the porous materials

圖5 圓柱形孔示意圖Fig 5 Schematic diagram of cylindrical hole

4.1 泡沫鋁吸聲材料模型

曹曙明等[35]采用Rayleigh-Kirchhoff圓管模型考慮粘滯損耗和熱傳導，建立了一個適用于泡沫鋁吸聲性能的理論模型，分析了兩種背襯(剛性和空腔)條件下，靜態流阻對泡沫鋁吸聲性能的影響，結果表明，通過控制靜態流阻的大小，可得到最佳的吸聲系數。段翠云等[36]采用多孔材料吸聲Johnson-Allard模型來計算泡沫鋁的吸聲系數，但是該模型在聲波頻率超過3500Hz后，計算結果與實驗數據偏差較大，因此引入修正因子e指數以擴寬模型對聲波頻率的適用范圍，經驗證，引入該修正因子后，計算結果與實驗數據基本一致。

4.2 纖維吸聲材料模型

沈岳等[37]采用多孔吸聲材料圓管理論，以活性碳纖維內部微小通道為基礎，建立了活性碳纖維材料的吸聲理論模型，經對比分析發現，計算結果與實驗數據基本一致。因此該模型是可行的，為設計和研發活性碳纖維吸聲材料提供了理論依據。Berardi等[38]采用Delany-Bazley模型，能夠最準確地預測合成纖維聲阻抗和傳播常數定律。他們還發現將該理論吸聲模型應用于天然纖維吸聲材料的預測時準確性并不高，這是因為與合成吸聲纖維相比，天然吸聲纖維具有更不規則的截面。

4.3 其他材料模型

劉鵬輝等[39]采用了多孔吸聲材料的圓管理論模型，具體分析了孔隙率、孔徑、厚度等對多孔材料吸聲性能的影響，該模型的建立對實際多孔材料的設計有著非常重要的意義。陳文炯等[40]采用Zwikker & Kosten模型和Stinson模型，利用表面阻抗法和傳遞矩陣法研究圓柱形孔多孔金屬材料與結構的聲傳播特性，并建立了聲能吸收率與孔的尺寸和孔隙率之間的推導公式，根據該模型可得到一種較高吸聲性能的多孔吸聲結構。劉新金等[41]采用了多孔吸聲材料的圓管理論模型，利用聲波在分層介質中的傳播方程，得出不同吸聲材料復合而成的多孔吸聲結構吸聲系數的推導計算公式，著重分析了由多孔吸聲材料復合而成的雙層吸聲結構的吸聲能力與內外層材料的厚度、孔隙率、微孔半徑變化之間關系，由結果表明，分層吸聲結構具有優異的吸聲能力，為多層吸聲材料復合結構的應用和設計提供了研究基礎。Duan Cuiyun等[42]采用Delany-Bazley模型和Johnson-Allard模型對高溫燒結多孔陶瓷的吸聲特性進行研究，結果表明，相比玻璃棉和多孔沸石，多孔陶瓷具有更好的吸聲能力。

5 結 論

吸聲材料具有非常廣泛的應用前景，但傳統吸聲材料有許多缺點，比如使用壽命短，產生二次污染，性能不穩定等。新型吸聲材料的出現在一定程度上彌補了傳統吸聲材料的不足。其中纖維吸聲復合材料相較于傳統纖維吸聲材料，其吸聲系數大大提高，很多可達到0.8以上，很大程度上彌補了傳統纖維吸聲材料在應用范圍所受到的限制，泡沫鋁及其復合結構由于其優異的性能以穿孔閉孔泡沫鋁及其復合結構，開孔泡沫鋁及其復合材料被應用到道路、汽車消聲等各個領域。吸聲材料模型主要是多孔性材料，因此剛性骨架的圓管理論模型及基于圓管理論的JCA模型得到眾多學者的應用。隨著如今對吸聲材料的更高要求，未來吸聲材料的發展必然集多種功能于一體，這類吸聲材料不僅要具有優異的吸聲，降噪，阻尼等性能，還必須具有隔熱，阻燃，防火，耐腐蝕等一些防護功能，部分還要具有外觀要求，以滿足其應用領域的要求。