新型吸聲材料及吸聲模型研究進(jìn)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(xué) 冶金工程學(xué)院，西安710055)

0 引 言

聲學(xué)的發(fā)展歷史悠久，18世紀(jì)提出聲學(xué)的波動理論，19世紀(jì)末20世紀(jì)初W.C.SABINE提出混響時間理論，20世紀(jì)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(shè)計有跡可循，而吸聲材料首先就應(yīng)用于室內(nèi)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(shù)低，易燃，使用范圍小。在 20世紀(jì)30年代，玻璃纖維成功開發(fā)，由于其優(yōu)異的吸聲性能，被廣泛應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域[3]。我國吸聲材料的發(fā)展主要從上世紀(jì)20年代至30年代開始，主要是使用進(jìn)口的甘蔗板和軟質(zhì)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(jīng)濟的發(fā)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(fā)應(yīng)用。目前，吸聲材料仍存在很多問題，如污染嚴(yán)重，耐高溫性弱，使用壽命短等問題。但泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使吸聲材料的耐高溫性，使用壽命，產(chǎn)生污染等方面的問題得到了有效的解決；纖維復(fù)合吸聲材料有效解決了傳統(tǒng)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(fā)展，介紹了吸聲材料的分類及其原理并總結(jié)歸納了部分傳統(tǒng)吸聲材料以及分析了以圓管理論為基礎(chǔ)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(jù)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(dāng)聲波通過媒介時使得媒介產(chǎn)生壓縮和膨脹變化：壓縮區(qū)的體積變小，使溫度升高；而膨脹區(qū)的體積變大，相應(yīng)的溫度也降低，從而使相鄰的壓縮區(qū)和膨脹區(qū)之間產(chǎn)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(qū)，發(fā)生熱量的交換，使聲能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)即亥姆霍茲共振結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(chǎn)生強烈的振動，在該振動過程當(dāng)中，由于克服摩擦阻力而消耗聲能，但當(dāng)入射聲波的頻率遠(yuǎn)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(jù)這兩種吸聲機制，分述傳統(tǒng)和新型吸聲材料如下。

2 傳統(tǒng)吸聲材料

2.1 多孔吸聲材料

2.1.1 纖維吸聲材料

傳統(tǒng)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(yōu)點是具有良好的吸聲性能且質(zhì)量輕，不易燃，不易老化等。但是由于其脆性較大容易導(dǎo)致斷裂，并且受潮后吸聲性能嚴(yán)重下降，容易造成環(huán)境污染等一系列缺點，導(dǎo)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(xué)纖維，植物纖維主要有棉麻纖維，毛氈，甘蔗纖維板等，化學(xué)纖維主要有晴綸棉，滌綸棉等。其優(yōu)點是這些材料在中高頻范圍內(nèi)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(yōu)點是強度高，防火性好，環(huán)境適應(yīng)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(tǒng)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(zhì)聚氨酯泡沫塑料。其優(yōu)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(huán)境造成污染等缺點。泡沫玻璃是以玻璃粉為原料，加入發(fā)泡劑以及其他外摻劑經(jīng)高溫焙燒而成。其優(yōu)點是質(zhì)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(shù)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(chǎn)品，其優(yōu)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(jié)構(gòu)材料

在各種薄板上穿孔并在板后設(shè)置空氣層，可以組成穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(yīng)用最為廣泛[9]。

2.2.2 薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)材料

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

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

3 新型吸聲材料

3.1 泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)

泡沫鋁作為新型吸聲材料，根據(jù)孔型結(jié)構(gòu)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(yōu)異的力學(xué)性能、吸聲性能、隔聲性能和電磁屏蔽性能等。泡沫鋁具有優(yōu)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(yōu)點，但其低頻段吸聲效率低，因此需要泡沫鋁進(jìn)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(fù)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(nèi)部孔洞填充聚氨酯材料，得到泡沫鋁-聚氨酯復(fù)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸聲效果不理想，因此對其進(jìn)行打孔處理，并在背后填加空腔，使之形成亥姆霍茲共振結(jié)構(gòu)，從而提高其吸聲系數(shù)[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(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)對吸聲系數(shù)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(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)隨著玻璃棉厚度的增加，低頻吸聲系數(shù)整體得到提高，但該結(jié)構(gòu)由于玻璃棉存在環(huán)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(zhì)吸聲布來增強吸聲性能。

圖3 打孔閉孔泡沫鋁共振吸聲結(jié)構(gòu)及通孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)Fig 3 Resonance sound absorption and through hole structure of punched closed-cell aluminum foam

3.2 纖維吸聲復(fù)合材料

傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，將廢羊毛纖維與再生聚酯纖維(RPET) 進(jìn)行復(fù)合得到 RPET/廢羊毛纖維復(fù)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(tǒng)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(yán)重，周博等[16]研制了硅藻泥-草梗復(fù)合多孔吸聲材料，該材料具有密度低，質(zhì)量輕，可凈化空氣等優(yōu)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(qū)內(nèi)等對吸聲降噪要求較高的場所。余海燕[17]等設(shè)計了水泥-木梗纖維復(fù)合多孔吸聲材料，該復(fù)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(fù)合材料吸聲能力的影響因素。Kucuk等[18]設(shè)計了不同比例多種纖維混合制成的非織造吸聲復(fù)合材料，70%棉纖維和30%滌綸纖維混合制得的非織造復(fù)合材料在中高頻段有較好的吸聲系數(shù)。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(fù)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(jìn)行復(fù)合，使其成為機械性能優(yōu)異的纖維復(fù)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(fù)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(huán)保的聚酯纖維為原料，制成的絲瓜纖維復(fù)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(yán)重的環(huán)境污染，因此該吸聲材料可有效抑制環(huán)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(fù)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(jīng)實驗得出竹粉-聚氨酯復(fù)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(shù)可達(dá)到0.87。趙心一等[22]將玉米皮纖維與聚乳酸復(fù)合制備了玉米皮纖維-聚乳酸吸聲復(fù)合材料，當(dāng)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(dá)0.95。傳統(tǒng)的金屬纖維造價成本高，楊富堯等[23]以鋁纖維、鋁箔、鋁板網(wǎng)為原料制備不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁纖維吸聲復(fù)合材料，使材料在中低頻段具有優(yōu)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(fù)合材料，通過該材料對吸聲材料進(jìn)行處理。他們使用氧化鎂-聚醚醚酮復(fù)合材料對玻璃棉進(jìn)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(nèi)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(fù)合，改結(jié)構(gòu)顯著擴寬了吸聲頻帶，提高了吸聲性能。

3.3 顆粒復(fù)合吸聲材料

水泥基吸聲材料具有多孔結(jié)構(gòu)，因此其具有優(yōu)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(fā)泡多孔結(jié)構(gòu)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(huán)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(yīng)用于建筑吸聲材料[27]。為了減小工業(yè)廢渣造成的資源浪費和環(huán)境污染。孫朋等[28]以轉(zhuǎn)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(yōu)異的聲學(xué)性能，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。李云濤等[29]以工業(yè)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(yōu)異，能夠解決交通運輸噪音污染。

3.4 多孔-共振復(fù)合吸聲材料

張會萍等[30]提出亥姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)附加多孔吸聲材料的新型吸聲結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行理論分析和仿真計算后，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)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(gòu)成的雙層阻抗復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，由外層穿孔板，外層吸聲材料，內(nèi)層穿孔板及內(nèi)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(yè)，其中一些高分子材料可作為性能優(yōu)異的吸聲材料。李棟輝[32]將石墨烯與聚氯乙烯進(jìn)行復(fù)合得到石墨烯-聚氯乙烯隔聲材料，以聚氨酯為發(fā)泡基體，與硅藻土進(jìn)行復(fù)合制備硅藻土-聚氨酯發(fā)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(jié)構(gòu)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(fù)合吸聲材料，該材料吸聲機理為薄板振動與多孔吸聲相結(jié)合，吸聲性能優(yōu)異，最佳吸聲系數(shù)可達(dá)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(xiàn)象，趙宗煌[34]將聚苯胺，聚吡咯，八羧基酞菁銅三忠導(dǎo)電聚合物與石墨，環(huán)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(xiàn)，吸聲模型也不斷涌現(xiàn)。吸聲材料模型的研究與建立，對吸聲材料的設(shè)計，應(yīng)用提供了理論支持和研究基礎(chǔ)。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(yīng)用，本節(jié)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(gòu)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(dǎo)，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(tài)流阻對泡沫鋁吸聲性能的影響，結(jié)果表明，通過控制靜態(tài)流阻的大小，可得到最佳的吸聲系數(shù)。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(shù)，但是該模型在聲波頻率超過3500Hz后，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)偏差較大，因此引入修正因子e指數(shù)以擴寬模型對聲波頻率的適用范圍，經(jīng)驗證，引入該修正因子后，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)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(nèi)部微小通道為基礎(chǔ)，建立了活性碳纖維材料的吸聲理論模型，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致。因此該模型是可行的，為設(shè)計和研發(fā)活性碳纖維吸聲材料提供了理論依據(jù)。Berardi等[38]采用Delany-Bazley模型，能夠最準(zhǔn)確地預(yù)測合成纖維聲阻抗和傳播常數(shù)定律。他們還發(fā)現(xiàn)將該理論吸聲模型應(yīng)用于天然纖維吸聲材料的預(yù)測時準(zhǔn)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(guī)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(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)公式，根據(jù)該模型可得到一種較高吸聲性能的多孔吸聲結(jié)構(gòu)。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(zhì)中的傳播方程，得出不同吸聲材料復(fù)合而成的多孔吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)的推導(dǎo)計算公式，著重分析了由多孔吸聲材料復(fù)合而成的雙層吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲能力與內(nèi)外層材料的厚度、孔隙率、微孔半徑變化之間關(guān)系，由結(jié)果表明，分層吸聲結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的吸聲能力，為多層吸聲材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計提供了研究基礎(chǔ)。Duan Cuiyun等[42]采用Delany-Bazley模型和Johnson-Allard模型對高溫?zé)Y(jié)多孔陶瓷的吸聲特性進(jìn)行研究，結(jié)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(jié) 論

吸聲材料具有非常廣泛的應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)吸聲材料有許多缺點，比如使用壽命短，產(chǎn)生二次污染，性能不穩(wěn)定等。新型吸聲材料的出現(xiàn)在一定程度上彌補了傳統(tǒng)吸聲材料的不足。其中纖維吸聲復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)纖維吸聲材料，其吸聲系數(shù)大大提高，很多可達(dá)到0.8以上，很大程度上彌補了傳統(tǒng)纖維吸聲材料在應(yīng)用范圍所受到的限制，泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的性能以穿孔閉孔泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)，開孔泡沫鋁及其復(fù)合材料被應(yīng)用到道路、汽車消聲等各個領(lǐng)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(xué)者的應(yīng)用。隨著如今對吸聲材料的更高要求，未來吸聲材料的發(fā)展必然集多種功能于一體，這類吸聲材料不僅要具有優(yōu)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(hù)功能，部分還要具有外觀要求，以滿足其應(yīng)用領(lǐng)域的要求。