低頻吸聲材料的研究進展*

敖慶波，王建忠，李 燁，馬 軍，吳 琛

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室， 西安 710016)

0 引 言

隨著我國城市化進程的加快，以低頻噪聲為主(聲波頻率≤500 Hz)的城市共建和高層住宅中的各類動力設備(水泵、壓縮機、中央空調(包括冷卻塔)、通風設備等)噪聲已成為最重要的社會生活噪聲源。低頻噪聲源既可造成神經衰弱、失眠、頭痛等各種神經官能癥，又會使心臟、肺、脾、腎、肝等受到不可逆的損害。除此之外，低頻噪聲還會對航空航天、核潛艇、精密武器、裝甲車等國防現代裝備中的精密儀器產生不良影響，極大地降低裝備的精度和生存能力[1-2]。因此，低頻噪聲已成為威脅人類身體健康和國防安全的隱形殺手。

目前，主要采用吸聲材料或吸聲結構進行被動降噪[3-5]。由于低頻噪聲波長較長，吸聲材料或吸聲結構與低頻聲波的相互作用較弱，使其低頻吸聲性能較差，如厚度為20 mm的梯度結構金屬纖維多孔吸聲材料，當聲波頻率為50～500 Hz時，其平均吸聲系數僅為0.06[6]，即使材料厚度增加到30 mm，其平均吸聲系數也僅為0.12[7]。通過調控與優化吸聲結構來改善低頻吸聲性能也不太理想，而且吸聲結構僅在共振頻率處的吸聲系數較高，其他頻段內的吸聲系數很低，近乎為0。

近年來，眾多科研人員通過調控多孔材料(金屬纖維/金屬泡沫多孔材料、穿孔板、超材料等)的內部結構、降低共振頻率等措施來提高材料的低頻吸聲系數，得到了一些規律性和具有指導性的研究結果，在一定厚度條件下，設計出的新型結構能夠使低頻處的吸聲系數提高很多。本文就幾種典型的吸聲材料及結構的設計及低頻吸聲性能特點進行了介紹。

1 穿孔板復合材料

穿孔板是由薄板(如鋼板、鋁板、膠合板、塑料板等)按照一定的孔徑和穿孔率打上孔，在其背后留下一定厚度的空腔，形成共振吸聲結構。穿孔板共振吸聲結構相當于由許多單個共振器并聯而成，當聲波垂直入射到穿孔板表面時，孔內及周圍的空氣隨聲波一起來回振動，相當于一個“活塞”，它反抗體積速度的變化，穿孔板與壁面間的空氣層相當于一個“彈簧”，它阻止聲壓的變化。此外，由于空氣在穿孔附近來回振動存在摩擦阻尼，也可以消耗聲能[8]。

吸聲特性：當入射聲波的頻率接近穿孔板復合結構固有的共振頻率時，結構內空氣的振動很強烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當入射聲波的頻率遠離穿孔板復合結構的共振頻率時，結構內空氣的振動很弱，因此吸聲的作用很小。

有關穿孔板的聲學特性及性能開發的相關研究很多，且由于其不怕水和潮氣、防火、清潔、無污染、耐高溫、耐腐蝕、能承受高速氣流沖擊，且其可設計性強等優點，可廣泛應用到各個噪聲防護領域，但是針對低頻噪聲治理還存在性能不達標的問題，單獨使用穿孔板是吸收不了低頻噪聲，很多科研人員利用穿孔板和其它材料及結構進行復合，利用穿孔板單頻段吸聲性能好的優點，研制出部分穿孔板復合吸聲結構用于低頻噪聲治理：(1)通過添加空腔(20 mm)，并在微穿孔板前增加復合阻尼材料，最終得到共振頻率為340 Hz處的吸聲系數為0.9的微穿孔板吸聲結構[9]，但是該結構在其他頻率處的吸聲性能很差，即吸聲頻帶較窄。(2)在蜂窩波紋復合芯體的基礎上，引入穿孔結構，形成穿孔蜂窩波紋復合芯體[10]，通過改變穿孔板孔徑大小、穿孔板厚度、復合芯體厚度等參數獲得超寬帶低頻吸聲結構，聲波頻率為290～1 000 Hz時，吸聲系數均大于0.5(圖1)，其厚度大于超過20 mm。(3)研究者[11]還借鑒聲學超材料的新思路，將微穿孔板結構與空間折疊型超材料相結合，設計了一種折疊式微穿孔板型元胞結構，在保持低頻特性的同時，具有更寬的峰值，設計了多單元耦合的寬頻吸聲體，其厚度為60 mm，在550～2 500 Hz范圍內其平均吸聲系數高達90%以上。

圖1 穿孔蜂窩波紋復合芯體示意圖[10]Fig 1 Schematic of perforated honeycomb-corrugation hybrid (PHCH) metamaterial

2 金屬泡沫材料

金屬泡沫材料是一種在基體中分布有孔隙的多孔金屬材料。泡沫金屬具有高比強度和比剛度、耐高溫和潮濕及無污染等優點。金屬泡沫材料在中高頻的吸聲性能較好，在低頻處的吸聲性能較差。制備金屬泡沫的方法有電沉積法、掛漿高溫真空燒結法、粉末冶金造孔劑法等[12]，所涉及的材質分別為銅、不銹鋼、鋁、鎳等等。

金屬泡沫材料作為吸聲材料，中低頻(200～1 000 Hz)的吸聲系數均達不到0.2[13]，通過增加背后的空腔，可以明顯提高金屬泡沫材料在低頻處的吸聲系數，如彭康[14]等人研究了通過添加空腔改善電沉積法制備的泡沫銅低頻條件下的吸聲性能，結果表明添加空腔可以明顯提高泡沫銅低于1800 Hz的頻率下的吸聲系數，10 mm的泡沫銅吸聲系數從0.125通過添加10 mm空腔后，吸聲系數增加到0.3，添加20 mm時，吸聲系數增加到0.485。

在泡沫金屬材料前面添加穿孔板對提高金屬泡沫吸聲性能作用不大，在金屬泡沫前后均添加穿孔板可以明顯提高泡沫金屬材料在低頻處的吸聲性能，但隨著金屬泡沫厚度的增加，提高低頻吸聲性能的效果越來越弱[15]。

段翠云等人[16-17]制備的孔隙率為89%，厚度為2.3 cm，平均孔徑為0.57 cm的泡沫鎳，5層泡沫鎳加5 cm厚空腔在1 000～1 600 Hz范圍內，吸聲系數最高可達0.4左右，且雙層泡沫鎳與相同的5 cm空腔，附加穿孔薄板后的復合結構在1 000 Hz的頻率處的吸聲系數達0.68。

圖2 泡沫鎳的微觀照片Fig 2 SEM images of nickel foam

3 聲學超材料

超材料由于其結構的可設計性，逐漸成為聲學領域的研究熱點。聲學超材料目前研究較多的結構：利用3D打印技術制備具有不同微孔結構的材料，金屬片狀結構與薄膜結構結合應用的復合材料，與穿孔板結合設計復雜通道的復合結構。

利用3D打印技術制備的孔徑為190 μm的微點陣結構超材料(孔徑為粘滯邊界層厚度2倍)，該材料在500 Hz處的吸聲系數達到0.6以上(材料厚度50 mm)[18]。北京理工大學[19]利用3D打印技術制備了由兩個串聯軸向耦合管組成的聲學超材料，通過設計耦合管的幾何參數，可以設計出頻率為36 ～100 Hz范圍內吸聲系數大于0.8的超材料(材料厚度為20 mm)，其波長與厚度之比高達38.5倍。Alexandre Leblanc[20]等人利用3D打印技術制備了膜振動材料，膜尺寸為50 mm，中心小板質量為1.5 g(小板半徑為10 mm，高度為4 mm)，其聲傳遞損失值在180 Hz處出現最大值，約為22.5 dB，但其他頻率處損失值很小。

Jun Mei 等人[21]提出聲學“暗”材料，用設計的剛性平板裝飾彈性薄膜，所制備的超材料在170 Hz時可以吸收86%的聲波，材料厚度為28 mm。

在膜振動材料研究方面提出來磁力負剛度的解決方法，具有磁力負剛度機制的薄膜復合材料共振頻率顯著下降，可以用較小的背腔實現低頻吸聲[22]。負剛度的實現是在背腔中心加入磁鐵，薄膜中心粘接輕質圓形小鐵片。利用磁鐵對小鐵片的磁力吸附作用來減弱背腔的剛度，解決輕薄薄膜結構低頻吸聲差的問題。由薄膜和剛性背腔組成吸聲結構，背腔深度從20 mm增加到50 mm的過程中，共振峰值從800 Hz移動到600 Hz，400 Hz，吸聲系數約為0.9。

圖3 磁力負剛度薄膜吸聲結構Fig 3 Membrane-type absorber with magnetic negative stiffness

非對稱超材料的研制，是利用降低共振帶寬使吸聲共振頻率向低頻移動。西安交通大學設計的非對稱聲學超材料：由四個相同大小的單元組成，每個單元有兩個不同的質量塊[23]，共計8個，質量塊的密度從1 000～7 870 kg/m3不等。其中硅膠薄膜的厚度為0.2 mm，該結構實現了195～800 Hz的頻率范圍內吸聲系數均在0.3～0.45范圍內波動。

軍械工程學院[24]利用PET薄膜、硅橡膠薄膜和金屬片復合制備的鑲嵌薄膜結構，其中寬為2 mm的條形薄膜上鑲嵌由半徑為8 mm 的半圓金屬片與尺寸為18 mm×15 mm 的硅橡膠薄膜組成的結構單元，厚度為1 mm的金屬片形態各異的分布在矩形薄膜上。300～850 Hz的頻率范圍內，吸聲系數均在0.5以上。

聲學超材料不僅結構可設計性強，且制備出的樣品低頻處的吸聲性能也表現較好。但由于聲學超材料的制作技術和材料本身的可加工性、使用壽命，以及批量生產的需求，使其大多限于實驗研究中。

4 金屬纖維多孔復合材料

金屬纖維多孔材料是近年來發展起來的一類具有廣闊應用前景的吸聲材料，其內部纖維呈雜亂無章排列，且具有大量連通的孔隙(圖4)，此獨特的孔結構使其具有優異的吸聲性能，可用于高溫、承載、振動等特殊的吸聲場所。

目前，科研人員[25-34]主要針對金屬纖維多孔材料的孔隙率、厚度、纖維直徑、纖維材質、空腔厚度、聲壓級、環境溫度等因素對其吸聲性能的影響規律進行了系統的研究。為了進一步提高金屬纖維多孔材料的吸聲性能，西北有色金屬研究院設計并制備出了2種梯度孔結構金屬纖維多孔材料(絲經梯度孔結構和孔隙率梯度孔結構)，并通過優化聲學界面數量、排列方式使多孔材料的吸聲性能獲得顯著提升，在聲波頻率為1500 ～ 6400 Hz范圍內的吸聲系數均大于0.90，最高可達0.998(材料厚度為75 mm)[33-37]。

圖4 金屬纖維束照片與金屬纖維多孔材料的微觀照片Fig 4 The photo of the metal fiber bundle and SEM image of metal fiber porous materials

金屬纖維多孔材料是在苛刻環境下做噪聲控制的優選材料，鑒于超材料的膜振動設計思路，結合金屬纖維多孔材料優異的環境適應性，開發出一種金屬纖維復合膜材料，研究了金屬薄膜和金屬纖維多孔材料的排列方式以及結構參數對復合膜材料吸聲性能的影響規律。厚度為4.2 mm的金屬纖維復合膜材料在500～1 000 Hz的頻率范圍內平均吸聲系數為0.23，與穿孔板結合后的金屬纖維復合膜材料在500～1 000 Hz的頻率范圍內平均吸聲系數為0.39[38]。

5 結 論

近年來很多應用領域如航天器、大飛機、潛艇等現代裝備都希望所用材料在解決低頻噪聲的同時，還能節約大量空間，這就是所謂限域空間的噪聲控制，實現利用小尺寸結構高效調控低頻聲波是聲學領域極具挑戰和急需解決的科學難題，也是設計現代裝備長期追求的目標。

很多材料雖然可設計性很強，但是在尺寸限定后就無法發揮其性能優勢，應用領域對其機械加工性、使用壽命和批量生產要求嚴格，這使很多材料無法實現從設計、實驗、驗證到實際生產一個完整的工序。金屬纖維多孔材料通過結合微穿孔板、金屬薄膜制備的復合材料，不僅聲學性能滿足應用要求，其可實現從設計到生產一整套工序，由于其具有金屬本身特性，其適應環境性和使用壽命均可達到要求，所以金屬纖維多孔復合材料在低頻噪聲治理領域具有很大的發展前景。