（材料学专业论文）石膏基吸声材料结构设计与性能调控.pdf

摘要 在治理环境噪声污染中，利用吸声材料进行吸声降噪处理是一种重要的措 施。要求使用的吸声材料不仅具有良好的高频吸声性能，还应该具有较好的中 低频吸声性能，同时要考虑材料的力学性能、环保性以及廉价性。吸声材料已 成为国内外相关领域的研究重点。 通过对各类吸声原材料与吸声结构的吸声机理分析，选择耐久性好、强度 较高、价格低廉、具有较好中低频吸声性能的玻璃纤维一石膏体系作为吸声材料 体系，探索吸声材料的组成与制备工艺。采用瑞利创立的经典吸声理论，通过 声阻抗率的变化规律建立圆管吸声理论模型。充分利用理论成果更好地指导实 验，而实验反过来可以对理论进行验证和修正。对多孔吸声材料的声学特性以 及吸声机制进行了初步探讨。 材料制备中，利用高强石膏作为原料，内掺玻璃纤维，提高材料的吸声性 能、抗折强度以及耐久性；采用硅酸盐水泥来增强石膏基吸声材料的抗水化性 能和强度；利用发气技术形成多孔吸声材料所需要的孔形及合理的显微结构， 采用柠檬酸控制材料的凝固时间，使发气速度与料浆的凝结速度相适应，以期 形成适宜的多孔结构，同时给工程施工带来便利。通过对发气剂含量、玻璃纤 维含量、水灰比等因素的控制，使材料内部形成相互连通、分布均匀的微孔， 以期提高多孔性吸声材料的吸声性能。通过对材料的厚度、孔隙率、孔径大小 等因素的研究，考察它们对材料吸声性能的影响程度。 采用驻波管法测试材料的垂直吸声系数。研究结果表明，石膏基复合吸声 材料具有较好的中低频吸声性能，特别在1 2 5 h _ z 5 0 0 h z 范围内吸声性能突出。 材料在六个频率下的平均吸声系数为0 5 8 ，降噪系数达0 6 ，在1 2 5 h z 下吸声系 数高达o 3 以上。当孔隙率在6 0 - 7 0 、孔径大小在3 0 0 a m , - 4 0 0 9 m 时，材料具 有较佳的吸声性能。玻璃纤维经过热、酸处理，使材料的强度提高2 0 。加入 0 2 的柠檬酸可以延长石膏凝固时间。 关键词：多孔性吸声材料，圆管模型，高强石膏，玻璃纤维，吸声系数，降噪 系数 a b s t r a c t i nt h ee n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o n , t h eu s eo fs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l s p r o c e s s i n gi sa l li m p o r t a n tm e a s a r e t h em a t e r i a l st h a tb e i n gp u ti n t ou s en o to n l yh a s t h ef i n eh i g hf r e q u e n c ys o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c e , a l s os h o u l dh a v ef a i r l yg o o d m i d d l e - l o wf r e q u e n c ys o u n da b s o r p t i o nf u n c t i o n , w es h o u l da l s oc o n s i d e rt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , a sw e l la sp r i c e s o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a l sh a v eb e c o m oaf o c u so fr e s e a r c hi nr e l a t e df i e l d sa th o m ea n d a b r o a d a n a l y s i so fa l lt h e r a wm a t e r i a l sa n da c o u s t i ca b s o r p t i o nm e c h a n i s mo f s t r u c t u r a la n a l y s i s ，c h o o s i n gg o o dd u r a b i l i t y , h i g h - i n t e n s i t y , l o w - p r i c e a , b e t t e rl o w f r e q u e n c ys o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e s o f g l a s sf i b e r - g y p s u ms y s t e ma sa s o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a ls y s t e m p r e p a r a t i o no fs o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a lt oe x p l o r e t h eb e s tm a m f i a i sa n dc o m p o n e n t s a d o p tt h ec l a s s i c sa c o u s t i ca b s o r p t i o nt h e o r yt h a t r a y l e i g hf o u n d s ，e s t a b l i s h i n ga c o u s t i ca b s o r p t i o nt h e o r ym o d e lb yt h eo r d e r l i n e s s t h a tt h ec h a n g es o u n di m p e d a n c e m a k ef u l lu s eo ft h e o r yt og u i d et h ee x p e r i m e n t ， a n dt h ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no ft h e t h e o r y t h a tc o u l dt u r n t h ea c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r o u sm a t e r i a l sa n da c o u s t i ca b s o r p t i o nm e c h a n i s mf o ra p r e l i m i n a r yd i s c u s s i o n m a k eu s eo fh i g h s t 嵋n g mg y p s u m 鹤am a j o rs t r o n gg e lr a wm a t e r i a l w i t h i n d o p e dg l a s sf i b e r , i n c r e a s et h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，f l e x u r a ls t r e n g t h a n dd u r a b i l i t y ；p o r t l a n dc e m e n ti su s e dt oe n h a n c et h em a t e r i a lo fh y d r a t i o n r e s i s t a n c ea n ds t r e n g t h v e s i c a n tt e c h n o l o g i e su s i n gp o r o u sm a t e r i a l sn e e d e dh o l ea n d r e a s o n a b l em i c r o s t r u c t u r e t h ec i t r i ca c i dc o n t r o lt i m et om a k et h es l u r r y g a s c o n d e n s a t i o np a c ew i t ht h es p e e do fa d a p t a t i o n , a n dt h ep o r o u ss t r u c t u r ew i t hav i e w t od e v e l o p i n ga p p r o p r i a t e ，t of a c i l i t a t et h ec o n s t r u c t i o n ；f a c t o r so ft h ec o n t e n to f f i b e r ，g a sf o r m e r , w a t e r - g y p s u mr a t i oa n dt h i c k n e s sw e r ec o n t r o l l e d ，a n dt h em a t e r i a l f o r m i n gt h ei n t e r n a lc o n n e c t i v i t y , u n i f o r md i s t r i b u t i o no fm i c r o - h o l e ，w i t hav i e wt o e n h a n c i n gt h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so fp o r o u ss o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l ；e f f e c t so f t h em a t e r i a lt h i c k n e s s ，p o r o s i t y , p o r es i z ew e r ei n v e s t i g a t e d , a n dt h ei n f l u e n c e d d e g r e ew a sr e v i e w e da b o u ts o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c e ，t h u sam o r ed i r e c t u n d e r s t a n d i n go ft h ea c o u s t i ce h a r a c t e f i s t i c so fm a t e r i a l s t h es o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ft h em a t e r i a lw a st e s t e db ys t a n d i n gw a v e t u b em e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t g y p s u mc o m p o s i t em a t e r i a l s w i t hb e t t e r l o w f r e q u e n c ya c o u s t i ca b s o r p t i o np r o p e r t i e s e s p e c i a l l yf r o m1 2 5 i - i zt o5 0 0 1 - i zw e r e h i g h l i g h t e d t h ev e r t i c a lw a v em e t h o dt e s t st h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t t h er e s u l t s h o w st h a tt h ea v e r a g ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tf o rt h es i xf r e q u e n c i e sa t0 5 8 ，a n dt h e n o i s er e d u c t i o nc o e f f i c i e n to ft h em a t e r i a la t0 6 ，a n dt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e a tw a sa s h i g ha s0 3a t1 2 5 h z t h em a t e r i a lh a sb e t t e rs o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e sw h e nt h e p o r o s i t yf r o m6 0 t o7 0 a n dt h ep o r es i z ef r o m3 0 0p m t o4 0 0 a m t h em a t e r i a lo f s t r e n g t hi n e a s e2 0 w h e n # a s sf i b e rw a st r e a t e dw i t hh e a ta n da c i d g y p s u m c l o t t i n gt i m ew a sa d d e d 谢t h c i t r i ca c i do f0 2 k e y w o r d ：p o r o u ss o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l , c i r c u l a r i t yt u b em o d e l , s u p e r - s t r e n g t hg y p s u m ，g l a s sf i b e r , s o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t , n o i s er e d u c t i o n c o e f f i c i e n t i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：年日期：掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 随着现代工业、建筑业和交通运输业的迅速发展，各种机械设备、交通运 输工具在急剧增加，噪声污染日益严重，它影响和破坏人们的正常工作和生活， 危害人体健康1 1 1 。由于噪声污染来源广，对人的身体和精神都有较大的影响，国 际上将噪声污染列为世界四大环境污染之一越是在入口密集、经济发达的大 中城市，噪声污染的程度越加严重，成为环境治理过程中倍受关注的热点问题。 在噪声污染治理中，吸声材料的使用是噪声污染治理不可缺少的一种措施。 1 1 吸声材料的种类 采用吸声材料进行声学处理是最常用的吸声降噪措施国内外发展的吸声 材料种类很多，不同的工程中应用不同的吸声材料。按吸声机理分为多孔吸声 材料和共振吸声结构材料。多孔吸声材料一般分为纤维类、泡沫类和颗粒类三 大类型；共振吸声结构材料包括穿孔板吸声结构材料、微穿孔板吸声结构材料、 吸声尖劈材料等。 1 1 1 多孔吸声材料 1 1 1 1 纤维类吸声材料 纤维类分为无机纤维和有机纤维二类。无机纤维类主要有玻璃棉、玻璃丝、 矿渣棉、岩棉及制品等。玻璃丝可制成各种玻璃丝毡。玻璃棉分短棉、超细棉 和中级纤维三种。超细玻璃棉是最常用的吸声材料，具有不燃、防蛀、耐热、 乃腐蚀、抗冻等优点。经过硅油处理的超细玻璃棉，具有防火、防水、防湿的 特点。岩棉是一种较新的吸声材料，它价廉、隔热、耐高温( 7 0 0 ) ，易于成 型加工。无机纤维吸声材料的缺点是在施工安装过程中因纤维性脆，容易折断 形成粉尘散逸而污染环境、影响呼吸、刺瘁皮肤，且质软表面需有保护层，如 穿孔板、透气织物等进行保护和装饰，构造比较复杂，体积大，贮存和运输麻 烦无机纤维吸声材料不太适宜于户外露天、潮湿、高温、洁净以及高速气流 武汉理工大学硕士学位论文 等环境使用。 有机纤维材料是使用棉、麻等植物纤维及木质纤维制品来吸声的。如软质 纤维板、木丝板、纺织厂的飞花及棉麻下脚科、棉絮、稻草等制品。其优点是 成本低，然而防火、防蛀和防潮性能差，这使得该类材料在环境稍微恶劣的地 方使用都会受到限制。随着合成工业的发展，合成纤维已进入了研究人员的视 野。刘振辉 2 1 等人对涤纶纤维和丙纶纤维的吸声性能进行了研究，指出了不同材 质、不同截面几何形状及尺寸大小、不同容重和厚度下吸声系数随不同噪声频 率变化的特性，对纤维吸声材料的理论研究和应用选择提供了一定的依据和参 考。 1 1 1 2 泡沫类吸声材料 泡沫吸声材料也包括无机和有机泡沫吸声材料。无机泡沫材料目前的研究 主要集中在泡沫玻璃和泡沫金属上。泡沫玻璃是以玻璃粉为原料，加入发泡剂 及其它外加剂经高温焙烧而成的轻质块状材料，其孔隙率可达8 5 以上【3 】。泡沫 玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易 于切割加工，施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点，是一种良好的吸 声材料但由于泡沫玻璃的工艺不好控制，制作成本较高限制了其使用。泡沫 金属是一种新型多孔材料，泡沫金属最早由美国e t h y l 公司在2 0 世纪6 0 年代开 始研究，我国对泡沫金属的研制始于8 0 年代。目前泡沫金属的研究，已经涉及 到的金属包括a l 、n i 、c u 、m g 等，其中研究最多的是泡沫铝及其合金。研究 发现：泡沫铝随着孔隙率的增大，其吸声系数先增加，后减小，当孔隙率达7 5 时有最佳吸声效果【4 】。ht j 等人研究发现压缩加工可明显提高泡沫铝的吸声性 能，当压缩率为4 0 时效果最好【5 1 。从综合效果来看，随着气孔分布均匀，孔径 减小，孔隙率增加，泡沫铝在各频段的吸声系数均有升高的趋势。 有机泡沫吸声材料主要有脲醛泡沫塑料、氨基甲酸酯泡沫塑料、海绵乳胶、 泡沫橡胶等。这类材料的特点是容积密度小、导热系数小、质地软。其缺点是 易老化、耐火性差目前用的最多的是聚氨酯泡沫吸声材料。宁波镇海吸音材 料厂开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板【6 l ，该产品正面有一层不影响吸声 的阻燃薄膜覆盖，用混响法测得的聚氨酯泡沫塑料板吸声系数，结果表明聚氨 酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易 于切割和安装方便等特点。但聚氨酯材料的强度低，要达到良好的吸声效果需 2 武汉理工大学硕士学位论文 要较厚的材料，给使用带来不便。因此，研究强度较高、厚度薄。同时具有良 好的吸声效果的材料逐渐引起科研人员的重视。 1 1 1 3 颗粒类吸声材料 颗粒类吸声材料主要有膨胀珍珠岩、多孔陶土砖、矿渣水泥、木屑石灰水 泥、多孔石膏等。具有保温、防潮、不燃、耐热、乃腐蚀、抗冻等优点。 日本研制出新型吸声陶瓷，该装饰吸音瓷砖，具有良好的吸音能力。这种 吸音陶瓷是用陶土和火山灰如进特殊材料，经干式混均，在高压下干挤压、涂 釉、干燥等工序，在1 2 8 0 c 的高温烧制而成。火山灰在瓷砖内部形成大大小小 的气孔空隙率达到4 0 - 5 0 ，这种气孔能起到减音的作用除了吸音、防火等 性能外，它的传热导率也很低，大约是混凝土的1 1 0 。如此不但隔热保温性能 好，而且耐久性也很突出，还可用水清洗【刀。 国内生产的新型声屏障材料泡沫陶瓷，拥有良好的声学性能，对噪声能量 集中在2 0 0 - - 1 0 0 0 i - l z 具有良好的吸声性能。此泡沫陶瓷性价比高，用该工艺生产 的厚度为5 c m 的吸声泡沫陶瓷价格为3 0 0 元m 2 ，相当于国际市场烧结泡沫陶瓷 的1 2 8 ，国内烧结泡沫陶瓷的1 1 0 。其性能指标开口空隙率达7 8 - 8 3 。降噪 系数达到0 7 0 ，密度为0 5 4 1 加5 4 7 9 锄3 ，而常温抗压强度达到2 1 2 砣2 9 m p a ， 而且经测试达到g b 8 6 2 4 中的b 1 级难燃材料的规定，而且经试验证明该泡沫陶 瓷具有耐酸性和抗老化性能，能在公路较恶劣的环境下使用i 研。由于此泡沫陶瓷 材料的吸声频带范围较窄，因而在工程应用中受到一定的限制。 1 1 2 共振吸声结构材料 l 。1 2 1 穿孔扳吸声结构材摹荨 穿孔板吸声材料也叫做穿孔板吸声结构，由穿孔板构成的共振吸声结构被 称作穿孔板共振吸声结构，它是工程中常用的共振吸声结构工程中有时也按 照穿孔的多少将其分为单孔共振吸声结构和多孔共振吸声结构。对于单孔共振 吸声结构，它本身就是最简单的亥姆霍兹共振器结构1 9 ，如图1 - 1 所示。 3 武汉理工大学硕士学位论文 l 到 图1 - 1 单孔共振吸声结构 这种结构的腔体中空气具有弹性，相当于弹簧；孔内空气柱具有一定质量， 相当于质量块，因此可以将它看作一个质量弹簧共振系统。当声波入射到共振 器上时，空气柱将在孔内往复运动，由于摩擦作用，使声能转变为热能而消耗。 当入射声波频率与共振器固有频率一致时，产生共振。 f 一丢压 式( 1 - 1 ) 式中：c 声速，m s ；s o - 颈口面积，m 2 ；v 空腔体积，m 3 ；d - 孔颈直径，m ；a 孔颈有效长度，m ；其中a = a o + o 8 5 d ( m ) 。 整个材料可以看成多个亥姆霍兹共振器并联面成的共振吸声结构，其共振 频率，可按下式计算： 。c 阿 ，。磊v 面 式( 1 - 2 ) 式中：c 声速，m s ；p 空隙率；d 空腔厚度，m lf 孔颈有效长度。m 。 多孔板的共振频率与穿孔板的穿孔面积越大，吸声频率就越高，空腔或板 的厚度越大，吸声频率就越低。为了改变穿孔扳的吸声特性，可以通过改变上 述参数以满足声学设计上的需要。通常，穿孔板主要用于吸收中、低频率的噪 声，穿孔板的吸声系数在0 6 左右。穿孔板的吸声带宽定义为：吸声系数下降到 共振时吸声系数的一半的频带宽度为吸声带宽，穿孔板的吸声带宽较窄，只有 几十赫兹到几百赫兹，为了提高多孔穿孔板的吸声性能与吸声带宽，可以采用 如下方法：( 1 ) 空腔内填充纤维状吸声材料；( 2 ) 降低穿孔板孔径，提高孔口 的振动速度和摩擦阻尼；( 3 ) 在孔口覆盖透声薄膜，增加孔口的阻尼；( 4 ) 组 4 武汉理工大学硕士学位论文 合不同孔径和穿孔率、不同板厚度、不同腔体的穿孔板结构。工程中，常用板 厚度为2 - 5 c m ，孔径2 - l o n u n ，穿孔率在1 一1 0 ，空腔厚度1 0 0 - 2 5 0 m m 的穿 孔板结构i 埘。 1 1 2 2 微穿孔板吸声结构材料 微穿孔板吸声结构是一种板厚度和孔径都小的穿孔板结构，其穿孔率通常 只有1 - 3 ，其孔径一般小于3 m m 。微穿孔板吸声结构同样属于共振吸声结构， 其吸声机理与穿孔板结构也基本相同。与普通穿孔板吸声结构扭比，其特点是 吸声频带宽、吸声系数高，缺点是加工困难、成本高。微穿孔板吸声结构也可 以组合成双层或多层结构使用，以进一步提高吸声性能。 1 1 2 3 吸声尖劈材料 工程中，也经常材料吸声尖劈作为吸声结构材料，如图1 2 所示。吸声尖劈 具有很高的吸声系数，可以达到0 9 9 ，常用于有特殊用途的声学结构的构造。 吸声尖劈的吸声性能与吸声尖劈的总长度l ：l l + k 和l dk 以及空腔的深度h 、 填充的吸声材料的吸声特性等都有关系，l 越长，其低频吸声性能越好。此外， 上述参数之间有一个最佳协调关系，需要在使用时根据吸声的要求进行优化， 必要时还需要通过实验加以修正。 虱隧 hk i a 图1 - 2 吸声尖劈示意图 1 2 影响材料吸声性能的因素 吸声材料的吸声特性是由多方面因素所决定的，这些因素又是相互牵连， 彼此之间存在着内部联系。只有找出内在关系，才能掌握改变吸声材料的吸声 性能的方法，达到符合实际工程需要的目的。从控制噪声工程理论和实践可知， 影响吸声材料吸声性能的因素主要有五个方面：材料的厚度、容重( 体积密度) 、 5 武汉理工大学硕士学位论文 孔隙率、流阻、结构因子【l l l 。 1 2 1 材料的厚度 吸声材料一般对中高频吸声性能较好，而低频吸声效果较差，若要提高低 频性能，则以增大厚度为代价。从理论上讲，当材料厚度相当于入射声波1 4 波长时，在该频率下具有最大的声吸收性能。在实际工程中由于处理吸声材料 的后面大都为刚性壁而，在多孔材料的第一共振频率，下，若材料厚度d v 4 0 为声波之波长) ，即可近似得到 ，d = c ( c 为常数)式( 1 - 3 ) 由上式可见：多孔吸声材料的第一共振频率正近似与材料厚度d 成反比。 1 2 2 材料的容重或密度 容重是吸声材料单位体积质量的主观表征。材料的容重可以直接反映材料 的本质特征孔隙率，即容重与材质有关；与采用材料的孔隙率有关；与材料内 部的筋络、颗粒大小也有直接关系。容重对材料的吸声性能具有很大的影响。 容重对声学性能的影响，体现在第一共振频率厂，的选择上首先，厚度不 变，容重增大，可以提高低频和中频的吸声系数，有向低频转移的倾向；容 重若过大，可能表明材料过于密实，吸声系数则不会太高，高频端的吸声系数 可能降低。因此，材料的容重存在一个最佳值，这个值需要通过反复试验或根 据吸声频谱的要求来选定。 注意的问题是如何控制容重，提高低频效果，切不可以牺牲高频吸声性能 为代价，尽可能地作到高频吸声性能降低不明显，使f 处于理想的低频范围内。 高频的吸声系数是决定于吸声材料的特征阻抗以，只要有效控制特征阻抗p 。不 发生变化，一般就不会影响高频吸声系数的变化。 1 2 3 材科的孔隙率 孔凉率主要是指吸声材辩内部空气体积与材料总体积之比，理论上讲，比 较好的吸声材料孔隙率一般都在6 0 - 8 0 之间。 对孔隙率的要求，应视材质的不同而异，不能概而论，但最根本的要求 6 武汉理工大学硕士学位论文 是孔隙的分布应是比较均匀的，且孔隙之间应是贯通的。对于颗粒状吸声材料 而言，颗粒表面的孔隙应是敞开的，若单独的气泡或孔隙密闭是不会起到吸声 作用的。 1 2 4 流阻 流阻是材料透气性的一个定义，是指空气质点通过材料孔隙中的阻力，反 映材料的阻力特性。流阻r ，与气流通过材料的线速度v 成正比，与材料两边的 压力差p 成正比，若单位材料厚度为d ，则流阻率r 为 e 一丢。等 吸声材料在实际应用时，总要压成型，必须考虑空气特性阻抗 p ，翻扔n s m 3 ，由实践可知，当材料流阻露。在2 4 成时，可获得很好的吸声能 力。 流阻的高低与材料的孔隙率有直接关系，一般密实性吸声材料，容易形成 很高的流阻。对于任何一种吸声材料，都应该有一个合理的流阻值，过高和过 低的流阻值都无法使材料获得良好的吸声性能。因此，控制流阻可以调整吸声 材料的吸声性能，是决定吸声性能的很重要因素【埘。在工程实践中，通常对吸 声材料的流阻加以比较，来考虑是否选用。 1 2 5 结构因子 在研究吸声材料时，为了使理论与实践尽量相符合，必须考虑一个修正系 数称此为结构因子，它是一个无量纲参数，决定于材料的性质，受材料孔隙率 影响，是材料内部微观结构的反映。在实际应用时，却往往忽略了结构因子的 重要性1 1 3 l 。 实验证明：结构因子对低频吸收基本上无影响，当r ，较小时，增大材料结 构因子，在中高频随吸声系数周期性交化。 1 3 多孔吸声材料的吸声机理及评价方法 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 多孔吸声材料吸声机理 多孔吸声材料的结构具有以下特征：材料的内部有大量的微孔或闻隙，孔 隙细小且在材料内部均匀分布；材料内部的微孔是相互连通的，单独的气泡和 密闭间隙不起吸声作用；微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内，不具有敞开 微孔而仅有凹凸表面的材料不会有好的吸声性能。凡在结构上具有以上特征的 材料都可以作为吸声材料。 多孔吸声材料的吸声机理是：当声波入射到材料表面时，一部分在材料表 面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。由惠更斯原理可知，声波的 振动带动相邻质点的振动，相邻的质点又将振动传递给与它相邻的质点，如此 这样声波在多孔材料内传播下去。在传播过程中，引起孔隙的空气运动，与形 成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而 耗散掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到 空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换 耗散，如此反复，直到平衡，由此使材料“吸收”了部分声能。 可见，只有材料的孔隙在表面开口，孔孔相连，且孔隙深入材料内部，才 能有效地吸收声能。有些材料内部虽然有许多微小气孔，但气孔密闭，彼此不 互相连通，当声波入射到材料表面时，很难进入到材料内部，只是使材料做整 体振动，其吸声机理和吸声特性与多孔材料小同如聚苯和部分聚乙烯泡沫塑 料以及加气混凝等，内部虽有大量气孔，但多数气孔为单个闭合，互不相通， 它们只能作为隔热保温材料。不能用作吸声材料【1 4 1 。 1 3 2 吸声性能评价方法 目前，材料吸声性能的测定主要有三种方法，即：混晌室法、驻波管法和 传递函数法【l s l 。 国际标准i s o3 5 4 ：1 9 8 5 “声学混响室中声吸收的测量”对混晌室法测量吸声 系数进行了规定。 国标g b t 1 8 6 9 6 2 2 0 0 2 “阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2 部分：传递 函数法”，对传递函数法测量吸声系数进行了规定。 国标g b j8 8 1 9 8 5 “驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范”，对驻波管法测 量吸声系数进行了规定。可以测定材料的垂直入射吸声系数。 g 武汉理工大学硕士学位论文 根据吸声原理理解吸声系数公式的含义，声波在传播过程中遇到各种固体 材料时，一部分声能被反射，一部分声能进入到材料内部被吸收，还有很少一 部分声能透射到另一侧我们常将入射声能e 和反射声能t 的差值与入射声能 巨之比值称为吸声系数，记为口7 ，即 a t 一睢i e 3 e t 式( 1 - 4 ) 吸声系数口的取值在0 到1 之间，当a = o 时，表示声能全部反射，材料不 吸声；口- - 1 时表示材料吸收全部声能，没有反射。吸声系数愈大，表明材料的 吸声性能愈好。吸声系数的值与入射声波的频率有关，同一材料对不同频率的 声波，其吸声系数不同。所以一般计算某一材料的平均吸声系数。 1 4 国内外声学材料及声屏障的研究现状 1 4 1 国外声学材料的研究及使用现状 发达国家对吸声材料和隔声屏障的应用技术已经比较成熟，不但在生产、 制作和安装等方面已经形成规模化，而且充分利用各种吸声结构设计出吸声性 能很高的吸声墙，对隔声墙色彩的处理甚至考虑到了隔声屏障对其周围环境的 美化。世界各国对噪声防治方面都进行了许多研究，一些发达国家在2 0 世纪印 年代就开始研究公路声学屏障技术，到7 0 、8 0 年代已在声学屏障的设计和施工 方面进行了深入研究和大量实践，积累了丰富的经验。8 0 年代，日本的城市中 高速公路声学屏障设置率高达8 0 ，到1 9 8 6 年美国已修建公路声学屏障约 7 2 0 k i n ，投入约3 亿美元，还设计了“公路声学屏障专家设计优化系统”，进一步 提高了公路声学屏障的设计水平。德国早在1 9 7 4 年就颁布污染防治法，要求在 公路选线时，极力避免对周围环境产生有害影响。如找不到更有利的公路路线， 则要修建声学屏障，将公路与住宅隔开。比利时在对高速铁路噪声控制方面也 大量采用声学屏障降噪措施。芬兰p c ee n g i n e e r i n gl t d2 0 0 0 年最新的产品在六 个频率下的吸声系数分别达到0 4 4 、0 7 8 、0 8 4 、0 9 7 、0 8 8 和o 9 1 ，平均达到 0 8 1 1 6 。 近年来，吸声材料在室内外得到广泛应用，总的来说有如下趋势： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 注重公路声学屏障与景观协调设计。为克服一般声学屏障单调无变化的 缺点，许多国家在声学屏障建造中，除要求满足声学要求外还特别注重声学屏 障的造型与色彩设计，或因地制宜建造透明声学屏障。目前在许多国家已有各 式各样新颖美观的声学屏障出现在公路两侧。 ( 2 ) 石膏基吸声材料以不只用于室内，f o r t o n - j e s m o n i t e 聚合物改性玻璃纤维 增强石膏可以广泛应用于室外，如街道设施、花坛、建筑画板等等。 ( 3 ) 降噪与环境治理相结合，在可能的情况下。将声学屏障与花草栽种相结 合，使屏障四季长青，既减少噪声污染又可美化环境。 1 4 2 国内声学材料的研究及使用现状 尽管噪声对环境、对人的健康产生严重的影响，而且这种影响已经被越来 越多的人所认识，但是国内在大量的工程实践中，配套的降噪措施并没有跟上。 例如，我们国家许多企业厂房、体育馆、会议室等很多没有考虑到降嗓措旄。 我国数千公里的隧道中，只有极少数考虑了降噪措施，而绝大多数隧道都没有 进行降噪处理。究其原因，主要在于目前缺乏经济有效的符合我国国情的，能 够为广大业主接受的吸声材料和降噪系统，以及相应的施工技术。 采用吸声材料消耗一部分噪声，也是降低噪声污染的一项重要措施。目前 广泛采用的吸声材料包括有机发泡吸声材料和无机多孔吸声材料，以及相关的 吸声结构。常用的吸声材料有泡沫玻璃、泡沫陶瓷、橡胶型泡沫吸声材料、聚 合物- 岩棉复合泡沫吸声材料等。这些材料价格昂贵，或者有的吸声材料的效果、 耐久性或性能稳定性等方面还有待进一步改进。比如，有的用吸声材料做的隔 声墙，采用带缝铁板复合矿棉组成，在防治噪声污染的同时又产生了污染环境 的隐患，因为矿棉在野外长期干、湿、冷、热及风吹日晒的老化作用下会逐渐 释放有害物质。随着时间的推移，一旦矿棉向下沉降，隔声墙上部的空箱结构 会严重降低吸声效果。同时，外部起保护和复合吸声作用的铁箱也需要较高的 维护费用。例如，上海高架桥上采用的隔声墙在一年后经过测试，降噪作用从 原来的8 d b 左右下降到3 d b 左右，几乎失去了使用的意义因此，这些都使这 样的吸声材料根本无法大面积推广应用。 现在，国内已经有人研制出吸声性能和耐久性能都很高的吸声材料开孔泡 沫玻璃，其六个频率下的平均吸声系数可以达到o 6 8 左右，尤其是它能在 1 0 0 - 2 5 0 h z 之间的低频达到0 3 以上的吸声系数，而且容重不大，强度较高。这 l o 武汉理工大学硕士学位论文 种吸声材料的缺点是制作工艺复杂、成本较高，每平方米生产成本超过2 0 0 元1 1 7 1 。 虽然吸声和降噪性能都很好，但总的来说，价格都很昂贵，根据中国的国情， 这些材料在我国还不能充分的被利用。 因此，研究一种具有耐久性能和吸声性能较高且成本相对低廉的新型吸声 材料具有重要意义。 1 5 本课题的研究意义及内容 1 5 1 本课题的研究意义 随着工业、农业、交通运输事业的迅速发展，噪声污染日趋严重，它对人 们身心健康的危害日益为人们所认识和关注，并且越是在人口密集、经济发达 的大中城市，噪声污染的程度愈加严重，已成为环境治理过程中倍受关注的热 点问趔”。在噪声污染治理中，吸声材料的使用是噪声污染治理不可缺少的一种 措施。吸声材料按吸声机理分为多孔性吸声材料和共振吸声结构材料两大类。 国内研制的多孔吸声材料具有高频吸声系数大、比重小等优点，但中低频吸声 系数低；而一般的噪声污染，噪声源大部分在中低频范围；共振吸声结构材料 的低频吸声系数高，但加工性能差。当前我国所采用的吸声材料以超细玻璃棉 为主，它的吸声系数大、比重小，但是强度低、性脆易断裂、易飞扬、吸尘， 使其应用受到了严重限制。因此，开发综合性能优良的新型吸声材料意义重大。 石膏是我国的优势矿产之一，我国石膏矿产蕴藏丰富，储量居世界前列。 而且分布广、类型多。全国共发现和探明石膏矿床达5 0 0 多个其中不乏质量 优良者。湖北、山西、湖南、宁夏、四川均有大型及特大型优质石膏矿床。虽 然我国石膏资源的丰度大，但开发利用率低，尤其是石膏的深加工技术与国外 差距较大因此，研究石膏的深加工及其应用具有十分重要的意义。 石膏作为一种资源丰富、生产能耗低的胶凝材料，具有质量轻、吸声隔热 性能好、尺寸稳定性好、易加工等优点【坫】。充分利用石膏的优点，将其制成为 具有中低频吸声性能好，强度较高的吸声材料，将具有广泛的应用前景。本实 验采用发泡剂对掺有玻璃纤维的高强石膏进行发泡处理，着力于探索提高吸声 材料中低频吸声系数和强度的有效途径，为提高声学结构的吸声降噪性能提供 实验依据。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 本课题的研究内容及方法 对多孔吸声材料的结构与吸声性能的关系理论上进行模拟，考察材料厚度、 孔隙率、孔径大小等参数与降噪效果之间的定量关系。通过实验验证，更好地 探索材料的声学特性，根据实验结果对理论模型验证。在吸声材料的制备过程 中，通过各种工艺参数的优化，寻求稳定化生产吸声材料的工艺条件。从材料 组成、空隙率、显微结构设计出发，掌握多孔纤维石膏复合吸声材料的吸声性 能以及材料的不同结构、声学屏障的构造方式对噪声的作用规律，探索实现噪 声控制的经济合理的技术措施。 确定吸声材料体系：根据材料使用环境及性能要求，选用阻燃性能良好、 耐腐蚀、耐久性好等，具有较好吸声性能的石膏材料作为吸声材料体系 确定材料制备工艺：以高强石膏作为强凝胶剂，玻璃纤维作为增强纤维， 通过合理使用各种外加剂调节吸声材料的孔形、大小及含量，结合理论吸声原 理及具体的数量关系制备声学材料，提高材料的综合吸声性能。通过力学性能 测量、显微结构测试等数据优化材料的制备工艺。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多孔吸声材料吸声理论模型 1 0 0 年前瑞利创立多孔材料的微孔粘滞吸声理论f 堋，虽然经过了一个多世纪 的研究，这个理论却依然无法反应材料吸声性能的实际情况。5 0 年前z w i k k e r 和k o s t e n 以细管吸声理论为基础建立了材料的有效密度有效压缩模量理论。这 种理论可以通过声阻抗率的变化规律定性的确定吸声系数的变化规律，但其有 效密度有效压缩模量计算公式相当复杂，虽然可以通过计算机进行编程计算， 但没有看到这方面较权威的论证结果。因此，这种理论也不是一个很成熟的经 典理论。 多孔吸声材料吸声是靠声波通过材料的孔隙，与固体骨骼相互摩擦而消耗 其能量的。孔的形状可有不同，骨骼也有软硬，但圆管内的声阻抗是基础，可 以适用和推广到其它形状，可以推广到计入管壁的振动。圆管内声传播也应服 从一般声波满足的流体动力方程；即欧拉提出的运动方程和连续性方程1 2 0 - 2 2 1 。 根据克希霍夫的研究结果，运动方程只受粘滞系数的影响，而连续性方程则只 受热传导系数的影响，这种区分大大简化推导工作，根据运动方程，计入粘滞 系数，很容易地可求出管内的声阻抗及其特性。通过对多孔材料的微孔粘滞吸 声理论模型进行一些修改，可以更精确定量地分析材料孔径大小、厚度、孔隙 率等因数对多孔材料吸声性能的影响。多孔性吸声材料虽然是细管的无规则组 合，其特性仍是在单管基本特性的框架内。本理论首先从单管吸声模型入手， 通过适当的假设和论证，逐渐推向多孔材料中吸声理论模型。 2 1 圆管模型的建立 设有一圆管，半径a 和长度t ，二者都小于声波波长。取柱面坐标系统，管 轴为z 轴，管内一点到轴线距离为经坐标f 。把管内空气看成是大量圆柱层组成， 根据欧拉提出的运动方程和连续性方程，可以求得管内空气的运动方程【为翻】。 如图2 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1圆管模型 2 1 1 管内运动方程的推导 管内介质受到的总合力 f 一v ，压置d v 式( 2 1 ) 雎强的微小燹化就是声雎的微小燹化，即v p 压叠- v 耳压，上式改写为 f - 一v 唯压d v 式( 2 - 2 ) 根据牛顿运动定律，得到 f - p 。d y 生d t 式( 2 - 3 ) 由( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 式可以得到欧拉方程 凡警一一卯 式( “) 式中风表示空气密度，以后不加说明就用p 表示耳压，在阻尼介质中，运用纳 维斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程，运动方程中增加阻尼项，则 p 。警一一卯川气 式( 2 - 5 ) 式中t 1 是粘滞系数，u 是声速，声波以正弦波传播，即e x p ( ，“) ，时间微分 是，则得出运动方程 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ，印。一手昙( ，詈) 一篆 式c z 射 上式左边是零阶贝赛尔方程，它的解她怖。，) ，七o - 序则 群。一竺+ 。怖。) 式(2-7)r07 群_ + 月j i ，一，七ja ，叩o ”7 。 式中a 为常数，在管壁上质点速度因摩擦而为0 ，则u = o ，可求得 彳。可历蕊1 西o p l i 一f 豇口i f n 矽。a z 代入上式得 鬲1石api +【11球一一+ l j 血妒od z i 速度在管壁上为零，在轴上最大，由贝赛尔函数的积分关系 平均速度为 户。仁