吸聲材料的研究進展

蓋曉玲，朱亦丹，趙佳美，吳瑞

（北京市科學技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學研究所，北京 100054）

1 吸聲材料

吸聲材料是指當聲波在材料內(nèi)部傳播時，能有效將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、機械能等，從而使其消耗掉的一種功能材料。通常把吸聲系數(shù)大于0.2 的材料稱為吸聲材料[1]。根據(jù)吸聲機理，吸聲材料可分為多孔吸聲材料、共振吸聲結(jié)構(gòu)和復合吸聲結(jié)構(gòu)。多孔吸聲材料的高頻吸聲性能較好、吸聲頻帶較寬，但低頻吸聲系數(shù)較低。共振吸聲結(jié)構(gòu)基于共振原理，低頻吸聲系數(shù)比較高，但吸聲頻帶相對較窄。復合吸聲結(jié)構(gòu)結(jié)合了不同材料的不同吸聲原理，綜合吸聲性能較好，得到了越來越多的推廣和應用[2]。

1.1 多孔吸聲材料

多孔吸聲材料根據(jù)材料的形成機理及結(jié)構(gòu)分為纖維狀、泡沫狀和顆粒狀吸聲材料。當聲波入射到多孔性吸聲材料界面時，材料孔隙中的空氣分子會發(fā)生振動，消耗部分能量。此外，靠近纖維表面或者孔隙壁的空氣，由于摩擦、黏滯作用又使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能。影響多孔材料吸聲性能的主要因素有材料的容重、流阻、厚度、護面層等[3]。

1.1.1 纖維狀吸聲材料

20 世紀，人們主要使用棉、麻、草本和動物皮毛等天然有機材料。這些天然有機材料在一定范圍內(nèi)具有較好的吸聲性能，但其耐火、耐潮、耐腐蝕性差[4,5]。經(jīng)過不斷探索，無機纖維材料隨之問世，在很大程度上改善了天然纖維的耐火耐腐蝕性。但玻璃纖維等無機纖維在使用時容易形成粉塵，污染環(huán)境，同時刺激皮膚，對人體有一定危害[6]。鑒于此，金屬纖維材料應運而生。這種材料強度高，不易老化，對環(huán)境沒有污染，高頻吸聲性能好、抗破壞能力強，但價格比較昂貴。

隨著材料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們開始通過改變材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)或原材料來探究纖維材料的吸聲性能。合理設計紡織品的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以讓其在很薄的情況下實現(xiàn)材料的高效吸聲。瑞士某公司開發(fā)了一種超薄的半透明的紡織纖維吸聲簾[7]。蔡澤農(nóng)等[8]基于三維建模和多孔材料理論，研究了薄層紡織材料的編織工藝、纖維細度、纖維孔隙率、表面密度參數(shù)對其吸聲性能的影響，實現(xiàn)了薄層紡織材料的吸聲性能優(yōu)化設計，研制出應用8 種不同編織工藝的具有良好吸聲效果的薄層紡織材料樣品。這些樣品的面密度為120g/m2?；祉懯覍嶒灉y定薄層紡織材料無規(guī)入射條件下的吸聲系數(shù)（NRC）可以達到0.65，平均吸聲系數(shù)可達0.62。汽車制造業(yè)的發(fā)展及對駕駛室舒適性要求的提高，推動了非織造材料的發(fā)展。Na 等[9]研究了4 種汽車非織造材料的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)中空聚酯纖維的吸聲性能好于普通聚酯纖維。Kalebek 等[10]研究了針刺非織造材料的吸聲性能。隨著新材料和新技術(shù)的不斷開發(fā)和完善，人們開始著力開發(fā)新的綜合性能良好的新型纖維制品[11]。例如，將傳統(tǒng)纖維材料與納米纖維復合以改善其在低頻段的吸收效率[12]。

1.1.2 泡沫狀吸聲材料

泡沫狀吸聲材料主要包括泡沫金屬、泡沫塑料、泡沫玻璃等。

（1） 泡沫金屬吸聲材料

泡沫金屬吸聲材料具有實體金屬不具備的輕質(zhì)、可吸收能量等優(yōu)異性能，成為一種新型結(jié)構(gòu)功能材料。美國某公司在20 世紀60 年代就開始研究泡沫金屬吸聲材料。我國對泡沫金屬的研究要晚些。目前泡沫金屬主要包括鋁（Al）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鎂（Mg）等。多孔泡沫鋁材料是目前最熱門、最具應用潛力的泡沫金屬。泡沫鋁具有密度小、耐高溫、抗腐蝕、不易燃、耐候性好、導熱率低、電磁屏蔽強、吸能降噪等優(yōu)異性能，被廣泛應用在汽車工業(yè)、航空航天、建筑工業(yè)等工程領(lǐng)域[13,14]。

（2）泡沫塑料吸聲材料

聚氨酯泡沫塑料是一種新型的泡沫塑料狀吸聲材料，具有阻燃性好、容重輕、耐潮、易于切割和安裝方便等特點。聚氨酯泡沫塑料可分為硬質(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以閉孔為主，主要用于隔聲隔熱領(lǐng)域；半硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料為半開孔、半閉孔結(jié)構(gòu)，具有一定的隔聲和吸聲性能；軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以開孔為主，主要用于吸聲降噪[15]。聚氨酯泡沫塑料是目前吸聲降噪工程中常用的一種多孔性材料[16]。聚氨酯泡沫塑料的缺點是強度低，在實際使用時，一般要外加護面材料或飾面材料[17]。

（3）泡沫玻璃吸聲材料

泡沫玻璃是以玻璃粉為主要原料，加入發(fā)泡劑及其他添加劑經(jīng)高溫焙燒而成的材料，具有質(zhì)輕、不燃、不腐、不易老化、無味、易于加工和無環(huán)境污染等優(yōu)點[18]。泡沫玻璃不僅可以作為吸聲材料，同時由于具有很好的裝飾效果，還可以在候車室、商場和展覽大廳等場所進行聲場控制。由于其具有耐水性和抗老化性，還可作為地鐵、游泳館、道路聲屏障的材料。同時，泡沫玻璃吸聲材料還適用于要求潔凈環(huán)境的通風和空調(diào)系統(tǒng)的消聲。但是，泡沫玻璃板強度較低，背后不宜留空腔，否則容易損壞[19]。

1.1.3 顆粒狀吸聲材料

顆粒狀吸聲材料是將一定粒徑的顆粒材料，通過黏結(jié)劑黏結(jié)或燒制加工而成的材料。典型的顆粒狀吸聲材料是膨脹珍珠巖。膨脹珍珠巖吸聲性能好，耐火性能強，是隧道降噪的理想材料[20]。此外，陶粒吸聲材料也是一種顆粒狀吸聲材料。陶?？捎山ㄖ壨?、河道淤泥、煤矸石、黏土、頁巖等燒制而成，是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀的多孔吸聲材料，具備質(zhì)輕、吸音、耐久、環(huán)保等特點，非常適合作為聲屏障的吸聲材料[21]。

1.2 共振吸聲結(jié)構(gòu)

典型的共振吸聲結(jié)構(gòu)有亥姆霍茲共振器、薄板/薄膜共振、微穿孔板共振等。當聲波的頻率等于結(jié)構(gòu)的固有頻率時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生共振，消耗大量能量，從而起到吸聲的作用。因此，當聲波頻率與結(jié)構(gòu)的共振頻率接近時，結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出很好的吸聲性能；當聲波頻率偏離了共振頻率時，結(jié)構(gòu)的吸聲性能就會明顯下降[22]。

1.2.1 亥姆霍茲共振器

亥姆霍茲共振器是一個最簡單、最基本的聲振動系統(tǒng)[23,24]。早期，亥姆霍茲共振器主要被用來分辨復雜聲音環(huán)境下的不同頻率[25]。后來，亥姆霍茲共振器又被廣泛應用于消聲器中，用于控制低頻噪聲。近年來，隨著聲子晶體和聲學超材料技術(shù)的發(fā)展，亥姆霍茲共振器結(jié)構(gòu)作為一種聲學局域共振單元被用來設計新型的聲學超結(jié)構(gòu)和聲透鏡等聲學器件[26-29]。Garcia[30]等基于亥姆霍茲共振器原理制造了亞波長的窄帶完美吸收體和寬帶完美吸收體。

1.2.2 薄板/薄膜共振結(jié)構(gòu)

薄板共振結(jié)構(gòu)是由薄板和空氣層組成的振動系統(tǒng)，是一個彈簧和質(zhì)量塊系統(tǒng)。木膠合板、石膏板、塑料板、硬質(zhì)纖維板、水泥纖維板、金屬板等被固定在龍骨框架上，并且板后面帶有一定深度的空氣層，這就構(gòu)成了典型的薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。當聲波入射到薄板上時，薄板在聲波交變壓力的作用下會發(fā)生彎曲變形，由于板和周邊固定點龍骨之間的摩擦損耗，以及板本身的內(nèi)部摩擦損耗，機械能會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而消耗聲能達到吸聲目的。薄板共振現(xiàn)象隨處可見，在很多工業(yè)與民用建筑中都會存在。例如，房間中大片的吊頂板、龍骨支撐的木地板等，凡是周圍固定緊密的薄板，都可以作為薄板振動而吸聲[31]。薄板的共振頻率一般為80—300Hz。薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)是用聚乙烯薄膜、油氈、漆布、人造革、不透氣的帆布等作為薄板，這類材料剛度小，受拉時具有彈性，共振頻率一般為200—1000Hz。

1.2.3 微穿孔板共振結(jié)構(gòu)

微穿孔板共振結(jié)構(gòu)在眾多的共振吸聲結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。自20 世紀70 年代馬大猷開展奠基性工作后[32]，微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)已廣泛應用在各種工程領(lǐng)域中。在理論方面，馬大猷提出了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的準確理論和設計方法，并得到微穿孔板可能達到的吸聲帶寬極限[33,34]。后來，Atalla 等[35]建立的多孔介質(zhì)的剛性骨架模型也能很好地模擬微穿孔板的吸聲性能。李賢徽[36]提出了考慮黏熱效應的聲阻抗計算模型，補足了經(jīng)典模型在較低頻率下的預測偏差。微穿孔板吸聲體作為共振吸聲結(jié)構(gòu)的一個顯著缺點是吸聲頻帶較窄。因此，如何改善微穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能成為很多聲學工作者研究的重要內(nèi)容。馬大猷率先提出了雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[37]。呂亞東等[38]提出了管束穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。Stinson[39]、陶建成[40]等提出主被動結(jié)合微穿孔板吸聲體。這些結(jié)構(gòu)都在一定程度上改善了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的聲學性能。

1.3 復合吸聲結(jié)構(gòu)

不同的吸聲材料具有不同的性質(zhì)和應用條件。多孔吸聲材料對高頻噪聲具有較好的吸聲效果，但對低頻噪聲的吸聲效果不佳。共振吸聲結(jié)構(gòu)對低頻噪聲的吸聲效果好，但吸聲帶寬相對較窄。所以，單一材料有一定的局限性，不能在寬頻帶范圍內(nèi)起到良好的吸聲效果。這樣，開發(fā)新型復合吸聲結(jié)構(gòu)就成為當前吸聲材料發(fā)展的主流。Jiang 等[41]研制了一種聲子玻璃。這種材料基于金屬骨架，設計成互穿網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)，在材料中構(gòu)建了各種局域共振基元，增加了共振模態(tài)，拓寬了共振吸收頻帶范圍。張文韜[42]將納米纖維與非織造基材相結(jié)合制備了一種納米纖維復合吸音氈，并研究了纖維特性、復合材料結(jié)構(gòu)及排列方式等因素對納米纖維/非織造基材復合材料吸聲性能的影響。

2 結(jié)語

《噪聲污染防治法》于2022 年6 月5 日起施行，其對噪聲污染治理技術(shù)提出了更高的要求。國家衛(wèi)生健康委員會自2022 年1 月至2025 年12 月在全國范圍內(nèi)將深入開展以整治噪聲超標為主要任務的專項整治工作。所以，兼具節(jié)能、環(huán)保、美觀、易清洗等多項功能，而且具有明顯可循環(huán)性與強烈綠色消費概念的降噪產(chǎn)品將成為主流產(chǎn)品。質(zhì)輕、耐用性好的材料仍將是吸聲材料領(lǐng)域未來的研究重點。