（材料学专业论文）地铁吸音材料的结构研究与性能测试分析.pdf

独立进行研究所 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：狱守格 日期：加争年乡月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密囱，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：欲辱拓日期：砂中年衫月锢 导师签名：锨彳日期：厂年6 月f 汐轸 摘要 摘要 地铁具有运送旅客能力大、行车速度高、行车的可控制性和可靠性强等特点， 它作为未来城市发展一种现代化交通工具，符合我国为解决城市人口及汽车急剧 增加而造成城市交通拥挤和大气污染问题的战略规划。但由于地铁内机车和轮轨 摩擦而引起的噪音非常高，严重影响了人们的身心健康，已越来越引起人们的关 注。本文根据地铁的特定环境，以膨胀水泥、轻质陶粒、膨胀珍珠岩、粉煤灰等 原料研制适用于地铁隧道中使用的吸音材料。 对于地铁多孔吸声材料的制备，发泡剂的发泡的好坏直接决定了材料的孔隙率 及孔结构特性，不同类型的发泡剂所制成的制品性能相差很大。本文对几种发泡 剂的发泡机理、泡沫的稳定性及泡沫的破灭过程进行了分析，测试了发泡剂的性 能并对其复配过程进行研究，优选试用于地铁吸音材料制备过程用的两种发泡剂。 采用正交实验，通过对多孔材料的抗压强度的测试以及微观结构的分析表明， 所采用的原料、粗细陶粒的级配、泡沫的掺量、水灰比及制备工艺等对多孔材料 的孔结构和强度均有很大的影响。其影响大小为：粉煤灰 陶粒级配 泡沫多少。 泡沫的掺量和水灰比有一最佳范围，在这个范围内，随着泡沫量( 水灰比) 的增 加，材料的强度增加，超过此范围后，强度开始下降。比如，膨胀珍珠岩、细陶 粒、水泥的质量比为1 ：4 5 ：5 l ，水灰比为o 2 8 时，泡沫掺入量在1 5 - 3 0 m l 范围内时， 材料的抗压强度是随着泡沫量的增加而增大的；当泡沫量超过3 0 m l 后，抗压强度 也逐渐降低。粗细陶粒的最佳级配是l ：2 1 ：4 。粗细陶粒的质量比为1 ：1 时，孔 径分布很均匀，但是孔隙很大，强度很难提高。 为了考核材料的吸音效果，利用驻波管法测量了多孔吸声材料在声波频率为 1 2 5 。2 0 0 0 h z 时的系数，并分析其厚度、容重、孔径、使用环境的变化对其吸声特 性的影响。当多孔材料的厚度、容重、背后空气层增加时，能增加低频的吸声系 数；当多孔材料的含水率增加时，会从整体上降低材料的吸声性能。 在制备地铁多孔吸声材料时，由于陶粒和膨胀珍珠岩的吸水率很高，会降低制 品的性能；而一般的防水剂又会堵塞材料的毛孔，从而降低吸声性能。在分析陶 粒和膨胀珍珠岩防水机理的基础上，用乳液聚合法制备了一种防水性能优良而不 会堵塞多孔材料的毛孔的水性有机硅乳液。用单因素的0 6 18 优选法确定了乳化剂 用量为单体用量的8 5 4 ，制得的乳液性能稳定，乳胶粒径小且基本呈圆形。研究 证明，本防水剂的防水性能要优于一般市售的防水剂。 关键词多孔吸声材料；发泡剂；抗压强度；吸声系数；乳液聚合 华南理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t m e t r op o s s e s s e sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hc a p a b i l i t yo ft r a n s p o r t i n gp a s s e n g e r s ，f a s t s p e e d ，c o n t r o l l a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo fo v e r h e a dc r a n e a sam o d e r nm e a n so f c o m m u n i c a t i o n ，i tm e e t st h en e c e s s i t yo fs t r a t e g i cp r o j e c t so fs o l v i n gc o n g e s t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nt h a tw o r k e db yi n c r e a s i n go fc i t yp e o p l ep o p u l a t i o na n dc a r s b e c a u s eo ft h en o i s ea f f e c t i n gp e o p l e sp s y c h o s o m a t i ch e a l t h ，w h i c hg e n e r a t e db y f r i c t i o no ft r a m m e ra n dw h e e l t r a c ki nt h eu n d e r g r o u n d ，p e o p l ea r ep a y i n gm o r e a t t e n t i o no ni t i nt h i st h e s i s ，e x p a n d e dc e m e n t ，l i g h tc e r a m i s i t e ，e x p a n d e dp e r l i t ea n d f l ya s hw e r eu s e da sr a wm a t e r i a l st op r e p a r eak i n do fp o r o u sm a t e r i a lf o rm e t r o a p p l i c a t i o no nt h eb a s i so fu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n t f o rm e t r oa c o u s t i ca b s o r b i n gm a t e r i a l sp r e p a r a t i o n ，t h eq u a l i t yo fb l i s t e ri sc r u c i a l t op o r o s i t ya n dp o r es t r u c t u r eo fm a t e r i a l s t h ef o a m i n gm e c h a n i c s ，f o a ms t a b i l i t ya n d t h ep r o c e s so ff o a md i s a p p e a r a n c eo faf e wb l i s t e r s w e r ea n a l y s e di nt h i st h e s i s t h r o u g ht h es t u d i e so nb l i s t e rp r o p e r t i e s ，t w ok i n d so fb l i s t e r sh a v eb e e ns e l e c t e d ，i e e m u l s i f i e ro p , k 一1 2 ( n e e d l e - l i k e ) ，a n du s e di np r e p a r i n gm e t r op o r o u sm a t e r i a l s c o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t i n ga n da n a l y s i so fm i c r o - s t r u c t u r er e s u l t ss h o wt h a tr a w m a t e r i a l s ，r a t i oo fc o a r s e f i n ec e r a m i s i t e ，a m o u n to ff o a m ，w a t e rc e m e n tr a t i o na n d p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sh a v es t r o n ge f f e c t o nt h ep o r es t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i o n s t r e n g t h c o m p a r i s o nr e s u l t so fe f f e c ta r eb e l o w ：f l ya s hi sb e t t e rt h a nr a t i oo f c o a r s e f i n eh a y d i t e ；r a t i oo fc o a r s e f i n eh a y d i t ei sb e t t e rt h a na m o u n to ff o a m f o r a m o u n to ff o a mu s i n g ，t h e r ee x i s t sa no p t i m u mr a n g e ，i nw h i c ht h e s t r e n g t h o f m a t e r i a l si n c r e a s e sa st h ei n c r e a s i n gu s eo ff o a m w h e ne x c e e d i n gt h i s r a n g e ，t h e s t r e n g t hd e c r e a s e s f o re x a m p l e ，w h e nr a t i o no fe x p a n d e dp e r l i t e f i n ec e r a m i s i t e c e m e n ti s1 ：4 5 ：51a n dw a t e rc e m e n tr a t i o ni s0 2 8 a m o u n to ff o a mi sw i t h i nar a n g e 0 f1 5 3 0 m 1 i nw h i c ht h es t r e n g t ho fm a t e r i a l si n c r e a s e sa st h ei n c r e a s i n gu s eo ff o a m ； w h e ne x c e e d i n g3 0 m l ，t h es t r e n g t hd e c r e a s e s t h eb e s tr a t i oo fc o a r s e f i n ec e r a m i s i t e i si nt h er a n g eo fl ：2t o1 ：4 w h e nt h er a t i oi s1 ：1 ，t h ep o r ed i s t r i b u t i o ni sn a r r o w b u t t h ep o r es i z ei st o ol a r g ea n dt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fm a t e r i a l si sl o w i no r d e rt oa s s e s st h es o u n da b s o r b e n tc o e f f i c i e n te f f e c to fm e t r o a c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l s ，t h es t a n d i n gw a v em e t h o dw a sa p p l i e dt om e a s u r et h ea c o u s t i c a b s o r b i n gc o e f f i c i e n to ft h em a t e r i a l sw i t h i nar a n g eo f12 5 2 0 0 0 h zs o u n df r e q u e n c y a n dt h ee f f e c t so ft h i c k n e s s ，d e n s i t y ，p o r es i z ed i s t r i b u t i o na n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i ca b s o r b i n gb e h a v i o rw e r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a t a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n g t h i c k n e s s ，d e n s i t y ，o ra i rl a y e r , s o u n da b s o r b e n tc o e f f i c i e n to fl o w f r e q u e n c ya l s oi n c r e a s e s i na d d i t i o n ，w i t hi n c r e a s i n gh u m i d i t yo fm a t e r i a l s ，s o u n d a b s o r b e n tp r o p e r t i e sw i l lb er e d u c e d b e c a u s eo ft h eh i g hw a t e ra b s o r p t i o no fc e r a m i s i t ea n de x p a n d e dp e r l i t e ，t h e p o r o u sm a t e r i a l sp e r f o r m a n c ew i l l b ed e c r e a s e d i na d d i t i o n ，g e n e r a l u s ew a t e r p r o o f i n ga g e n tw i l lb l o c kp i n - h o l e so fp o r o u sm a t e r i a l s s oo nt h eb a s i so fw a t e r p r o o f i n gm e c h a n i c so fc e r a m i s i t ea n de x p a n d e dp e r l i t e ，d i dw es u c c e s s f u l l yp r e p a r ea k i n do f h i g hp e r f o r m a n c ew a t e r - p r o o fo r g a n i c s i l i c o nl a t e xw i t he m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o np r o c e s s t h ec e n t r i f u g a ls t a b i l i t ya n dw a t e r p r o o fp e r f o r m a n c ew e r e t e s t e d t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h ew a t e rp r o o f i n gp e r f o r m a n c eo fo r g a n i cs i l i c o nl a t e x w a sb e t t e rt h a ng e n e r a l u s ew a t e rp r o o f i n ga g e n t a tt h es a m et i m e t h r o u g ht h eo 618 o p t i m i z a t i o no fs i n g l ef a c t o r ，w ed e t e r m i n e dt h eu s el e v e lo fe m u l s i t ya g e n t 一8 5 4 p e r c e n to fm o n o m e r k e y w o r d sp o r o u s a c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l ；b l i s t e r ；s t a n d i n gw a v ea c o u s t i c a b s o r b i n gc o e f f i c i e n t ；e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 我国地铁发展概况1 1 2 地铁环境噪声的控制措施2 1 2 1 降低噪声源的辐射2 1 2 2 控制噪声的传播2 1 2 3 合理布置绿地，降低城市环境噪声3 1 2 4 施工方法3 1 2 5 采取综合措施3 1 3 吸声材料的结构分类3 1 3 1 多孔吸声材料4 1 3 2 共振吸声材料5 1 4 吸声材料的研究现状及其应用9 1 4 1 多孔吸声材料9 1 4 2 共振吸声材料1 2 1 5 材料吸声性能的评价1 3 1 5 1 吸声系数1 3 1 5 2 降噪系数1 3 1 5 3 吸声性能等级的评定1 4 1 6 建筑声学材料应用中的几个问题1 4 1 7 本课题的研究意义、目的及主要内容1 5 1 7 1 本课题研究的内容1 5 1 7 2 本课题研究的目的1 5 1 7 3 本课题研究的意义1 6 第二章实验用原料及测试表征设备1 8 2 1 实验用原材料及化学试剂1 8 2 2 常用仪器及设备1 8 2 3 实验表征手段1 9 2 3 1 立体显微镜分析1 9 华南理工大学硕士学位论文 2 3 2 透射电镜分析( t e m ) 2 4 多孔吸音材料的抗压强度测试 2 5 多孔吸声材料的抗折强度的测试 2 6 多孔材料驻波管吸声系数的测试 2 7 多孔材料混响室吸声系数的测试 2 8 原材料吸水率的测试 第三章地铁多孔吸声材料的制备 3 1 弓i 言 3 2 发泡剂的选择 3 2 1 泡沫的产生 3 2 2 泡沫的稳定 3 2 3 泡沫的破裂 3 2 4 发泡剂性能检验及复配 3 2 5 几种常用发泡剂的性价比比较 3 3 三种实验方案及其制备工艺的比较 3 3 1 实验方案一和实验方案三的工艺流程图 3 3 2 实验方案二的实验步骤 3 3 3 三种实验方案的比较 3 4 本章小结2 9 第四章多孔吸声材料的抗压强度测试及其影响因素分析3 0 4 1 引。言3 0 4 2 各实验方案的强度测试结果及其分析3 0 4 2 1 实验方案一的强度测试结果3 0 4 2 2 实验方案二的强度测试结果3 1 4 2 3 实验方案三的强度测试结果3 3 4 3 多孔材料含气量的影响因素3 6 4 3 1 水泥品种及水泥用量3 6 4 3 2 粗细骨料的影响3 6 4 3 3 一些施工因素对含气量的影响3 7 4 4 抗压强度的影响因素分析3 7 4 4 1 水泥的影响3 7 4 4 2 陶粒掺量及其配比的影响3 8 4 4 3 粉煤灰用量的影响3 8 目录 4 4 4 膨胀珍珠岩的影响3 8 4 4 5 水灰比的影响3 9 4 4 6 泡沫掺量的影响3 9 4 4 7 减水剂对抗压强度的影响4 0 4 4 8 制备工艺的影响4 0 4 5 本章小结4 1 第五章地铁多子l 吸声材料的吸音系数的测试与影响因素分析4 2 5 1 引言4 2 5 2 驻波管吸声系数的测试与结果分析4 3 5 2 1 测试原理与方法4 3 5 2 2 试样的制备与测量4 4 5 2 3 测试结果与分析4 5 5 3 混响室法吸声系数的测试与结果分析5 4 5 3 1 混响时间5 4 5 3 2 试样的制备j 5 6 5 3 3 测试结果与分析5 6 5 4 本章小结5 7 第六章有机硅化合物水乳剂的制备及防水性能的测试5 8 6 1 引言5 8 6 2 陶粒、膨胀珍珠岩的防水机理6 0 6 2 1 陶粒的微观结构分析6 0 6 2 2 膨胀珍珠岩的防水机理和憎水机理6 0 6 3 实验部分6 2 6 3 1 乳化液的原料组成6 2 6 3 2 乳化剂的选择及其用量的确定方法6 3 6 3 3 乳化液的制备方法6 5 6 3 4 实验方案6 7 6 3 5 乳液性能的测试及原料吸水率的测试6 7 6 4 实验结果与分析6 8 6 4 1 实验结果6 8 6 4 2 结果分析6 9 6 4 3 其他影响因素的分析7 0 6 5 本章小结7 1 m 华南理t 大学硕士学位论文 结论7 2 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 7 致谢7 8 附录7 9 i v 第一章绪论 1 1 我国地铁发展概况 第一章绪论 地铁具有运送旅客能力大、行车速度高、行车的可控制性和可靠性强的特点， 同时地铁还能使城市道路面积得到双倍利用，促进城市的物业开发以及减少空气 污染，有利于环境保护。按经济发达国家实践证明，人口在5 0 1 0 0 万人以上的 城市，应该修建地铁。我国已有1 0 0 万人口以上城市3 l 座，5 0 万人口以上城市 6 0 座，加快地铁建设势在必行。 目前已开工建设的地铁有1 5 条( 见表卜1 ) 。哈尔滨、西安、成都、青岛、郑 州等城市也已在拟建地铁或轻轨交通。 表1 - 1 已开工建设的地铁线路 t a b l e1 1m e t r ol i n e su n d e rc o n s t r u c t i o n 城市线路 里程k m 建成时间 备注 八通线 1 92 0 0 3 1 22 0 0 1 年开工( 地面线) 北京 地铁5 号线 2 7 62 0 0 52 0 0 1 年试验段开工 明珠线二期( m 4 ) 2 22 0 0 4 年底2 0 0 1 年开工 1 号线北延伸线 1 22 0 0 3 年底 2 0 0 0 1 2 开工 上海轨道交通杨浦线 2 52 0 0 5 年底 2 0 0 1 1 2 开工 轨道交通莘闵线 1 72 0 0 2 年底试运 2 0 0 0 8 开工 地铁2 号线西延伸线 1 02 0 0 3 年 2 0 0 1 开工 天津滨海线 4 9 52 0 0 3 1 02 0 0 2 8 开工 1 号线 2 6 22 0 0 52 0 0 2 年开工 广州2 号线 2 3 2 6 52 0 0 32 0 0 2 年底开通首段9 k m 3 号线 3 5 82 0 0 5 年底2 0 0 2 年开工 南京南北线一期工程 1 6 9 92 0 0 5 2 0 0 0 1 2 开工 深圳一期工程 1 9 4 6 82 0 0 4 1 22 0 0 1 开工 武汉1 号线一期工程 l o 1 7 72 0 0 3 2 0 0 2 年开工 较新线一期 1 4 3 52 0 0 4 62 0 0 0 6 开工 重庆 较新线全线 1 9 8 52 0 0 5含一期工程罩程 注：数据截止日期为2 0 0 2 年底。 北京计划在2 0 0 8 年使全市地铁达到3 0 0 k m ；上海市2 0 0 5 年轨道交通总运营线 华南理丁大学硕士学位论文 路将达到2 0 0 k m ；广州地铁争取2 0 1 0 年建成全长1 3 0 k m 的轨道网；天津市2 0 0 5 年全市将建成7 5 k m 轨道交通；至2 0 0 2 年底，全国地铁和轻轨营运里程已达 2 2 8 9 4 k m 。南京、深圳、武汉已动工兴建地铁，重庆正在建设一条跨座式独轨交 通。 1 2 地铁环境噪声的控制措施 人耳所能感觉到的声波的频率范围大约在2 0 2 0 0 0 0 h z 之间。低于2 0 h z 的声 波，称为“次声波 ；高于2 0 0 0 0 h z 的声波，称为“超声波”。人耳对声音大小的 感觉，并不与声强或声压值成正比，而是近似地与它们的对数值成正比。因此， 采用按对数方式分等分级的办法作为声音大小的常用单位，就是声强级或声压级。 地铁车站的主要噪声源来自列车的运行，噪声级高达8 0 d b ( a ) ，一般声功率级 1 0 0 分贝；其他如变压器、水泵、制冷机、冷却塔等为次声源。 高架路的汽车通行是连续的、昼夜不变的，所引起的噪声属于“分散型噪声 。 轨道交通的通行则是间隙的。上海地铁l 号线目前列车的间隔时间为6 分钟，一般 为早晨5 点到夜里1 1 点行使，所引起的噪声污染属于“集中型噪声”。其噪声源 主要来源于车辆电动机系统及车辆与轨道组成的摩擦振动体系，相对而言整治就 比较容易。 噪声控制的主要目的是要获得适当的声学环境，即把噪声污染控制在可容许的 范围内。采取噪声控制措施时，要求经济合理，而并不是要求彻底消除噪声心胡1 。 1 2 1 降低噪声源的辐射 在噪声控制中，首先是降低噪声源的辐射。一般的工业、交通运输业可选用低 噪声的生产设备和生产工艺，或是改变噪声源的运动方式( 如用阻尼隔振等措施降 低固体发声体的振动，用减少涡流、降低流速等措施降低液体和气体声源辐射) 。 在地铁中，采用低振动，低噪声的轨道结构是很迫切的要求。在莫斯科地铁和基辅 地铁试验了卧梁式和矮框架式两种结构。另外，钢轨与轨枕之间以及轨枕与道床之 间增加弹性垫层，在轨腰处涂上防噪层，都可以有效地减少噪声。巴黎7 号线、 1 3 号线在巴士底狱的新歌剧院下通过，歌剧院方面认为地铁车辆的噪声和振动对 剧场的演出有影响，为此巴黎地铁公司对此进行了研究、试验，并会同歌剧院、 巴黎声学研究所共同进行了现场测试。试验证明在枕木底部加了一层橡胶垫后情 况得到了改善。 1 2 2 控制噪声的传播 控制噪声的传播，改变声源已经发出的噪声的传播途径，如采用吸声降噪、隔 2 第一章绪论 声等措施。在降低现有噪声的手段方面，空心加气混凝土砌块在国外已广泛使用， 在中国发展的微穿孔板在消声管道中也已逐渐推广，在厅堂建筑中也开始使用。 目前，有源控制是噪声控制领域里的热门话题。1 9 9 2 年国际噪声控制工程会 议有2 7 3 篇文章，其中有源控制就占了3 0 篇，当前控制的趋势是有源结构声的控 制。以前的控制方法是使用声源来控制弹性结构振动的声辐射，这种方法往往需 要很多声源来控制复杂结构的声辐射，而有源结构声控制( a s a c ) 不用扬声器来 控制结构振动辐射的中、低频噪声，而是将控制力直接作用于结构上，使辐射的 声能为最小。其优点是可以使用较少的激励器来实现有效的控制，并可将换能器 安排合理紧凑。 1 2 3 合理布置绿地，降低城市环境噪声 绿地对噪声有很好的阻挡和吸收作用。国外对于绿化可以有效地减少噪声污染 进行了深入的研究，并得到了可喜的成果。高架轨道交通上如何进行绿化，组成 绿色“声屏障是一个新课题。根据规划，上海将建设数条轻轨线路，如能在这 方面做一些研究工作，就能达到既抑制噪声，又美化城市的效果。专家指出，高 速路和快速路两侧建设1 0 0 米的绿化带可减少噪声1 2 分贝：在交通主干线两侧建 设5 0 米绿化带，可减少交通噪声1 0 分贝；临街建筑安装隔音窗后，最低也能降 低3 0 分贝。而建设地铁和高速轻轨公交网络，也可有效减少城市的噪声。 1 2 4 施工方法 北京地铁5 号线到2 0 0 3 年开通时，将与1 2 条公交线路交叉，采用暗挖式的盾 构法施工。这在北京地处沙卵石地层的条件下尚是首次。盾构法施工作业均在地 下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和震动影响，避免因地 上、地下拆迁中断交通所带来的损失。 1 2 5 采取综合措施 深圳地铁在声源上采用噪声较小的磨整钢轨等材料，沿深南大道地铁区两侧 3 0 米宽的绿地草坪，增密背景树，利用生物降噪；在一些敏感区域，地铁风亭或 与其相距较远，或改变朝向背对建筑物，或将部分住宅区改建成商业区，降低风 亭噪声。 1 3 吸声材料的结构分类 吸声材料和吸声结构的种类很多，根据其材料结构的不同，可以分为下列几类， 华南理工大学硕士学位论文 如表卜2 所示。 表1 - 2 吸声材料的种类 t a b l e1 - 2c a t e g o r i e so fa c o u s t i ca b s o r b i n gm a t e r i a l s 吸声材料( 结构) 的种类 吸声性能 纤维状吸声材料 中、高频一良好 颗粒状吸声材料 多孔吸声材料低频一差 泡沫状吸声材料 单个共振器 穿孔板共振吸声结构中、高频一良好 共振吸声结构 薄板共振吸声结构低频一良好 特殊吸声结构薄膜共振吸声结构中频一优良 1 3 1 多孑l 吸声材料 多孔材料一直是主要的吸声材料。其构造特征是在材料中有许多微小间隙和 连续气泡，因而具有适当的通气性。在这些材料中，气泡的状态有两种：一种是 大部分气泡成为单个闭合的独立气泡，没有通气性能；另一种是气泡互相连结成 为连续气泡。这里所指的多孔材料，乃是有着连续气泡的材料。 1 多孔吸声材料的吸声原理当声波入射到多孔材料时，从定性方面来考虑它 的吸声作用，主要是两种机理引起声波的衰减：首先是由于声波引起小孔或间隙 的空气运动时，紧靠孔壁或纤维表面的空气运动速度较慢，由于摩擦和空气的粘 制阻力，一部分声能就转变为热能，从而使声波衰减；其次，小孔中空气和孔壁 与纤维之间的热交换引起的热损失，也能使声能衰减。另外，高频声波可使空隙 间空气质点的振动加快，空气与孔壁的热交换也加快。这就使得多孔材料具有良 好的高频吸声性能。 2 多孔吸声材料的分类目前使用的多孔吸声材料主要有有机纤维材料，无机 纤维材料，泡沫材料和吸声建筑材料四大类。 早期使用的吸声材料主要为植物纤维制品，如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、 木质纤维板、水泥木丝板以及稻草板等有机天然纤维材料。有机合成纤维材料主 要是化学纤维，如晴纶棉、涤纶棉等。这些材料在中，高频范围内具有良好的吸 声性能。但防火、防腐、防潮等性能较差。 随后无机纤维材料问世，如玻璃棉、矿渣棉和岩棉等，这类材料不仅具有良好 的吸声性能，而且具有质轻，不燃，不腐，不易老化，价格低廉等特性，从而替代了天 然纤维的吸声材料，在声学工程中获得广泛的应用。无机纤维吸声材料的缺点是： 4 第一章绪论 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 痒皮肤；其质软表面需要保护层，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，储存和运输麻烦；吸水或吸潮后其吸声性就会大大减弱，故不适于 在潮湿，高温，气流较大的场所或室外等环境使用。 根据泡孔形成的不同，可分开孔型泡沫材料和闭孔型泡沫材料。前者的泡孔 是相互连通的，属于吸声泡沫材料，如吸声泡沫塑料、吸声泡沫玻璃、吸声泡沫 混凝土等。后者的泡孔是封闭的，泡孔之间是互不相通的，其吸声很差，属于保 温隔热材料。如聚苯乙烯泡沫、隔热泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等。但是泡沫塑 料易老化，且其吸声特点是中高频( 5 0 0 h z 以上) 吸声性能优异，低频吸声性能 不够理想。厚度为1 0 m m 的硬质聚氯乙烯泡沫塑料的吸声性能如表卜3 。 表卜3 泡沫塑料的吸声性能 t a b l e1 - 3a c o u s t i ca b s o r b i n gp r o p e r t yo ff o a mp l a s t i c 频率2 5 03 1 54 0 05 0 0 6 3 0 8 0 0 l o o o 1 2 5 01 6 0 02 0 0 0 h z 泡沫塑料 o 1 0o 1 20 1 50 0 9o 1 80 2 lo 3 3o 5 80 7 30 2 8 吸声建筑材料是由多孔性建筑材料制成，如吸声粉刷、微孔吸声砖、陶瓷吸 声板、珍珠岩吸声板等。但建筑吸声板吸声性能较差，而且太重，已逐渐被具 有轻质、不燃、不腐、不蛀以及不易老化等特性的玻璃棉，矿渣棉和岩棉等无 机材料所代替。 1 3 2 共振吸声材料 共振吸声材料或称共振吸声结构可分为薄板吸声、共振吸声、穿孔板吸声、 微穿孔板吸声等多种。共振吸声结构的吸声机理，与多孔材料有相同的地方，其 不同的特点在于：共振结构是利用共振器的特点，更有效的把声能转变成热能消 耗。共振吸声结构不是采用纤维性吸声材料，而是采用铝板，钢板，塑料板等材 料制成，因此不怕水和潮气，防火，清洁，无污染，耐高温，能承受高速气流的 冲击。共振吸声结构的不足之处是吸声频带窄，在共振频率附近，吸声系数很高， 可接近于l ，但一旦偏离共振峰，吸声系数迅速下降，因此只适用于吸收中，低频 的单频声音。这也是长期以来共振吸声材料结构在吸声材料领域不能替代纤维吸 声材料的原因。在共振吸声材料结构中，唯有微穿孔板结构具有宽频带吸声的趋 势，大有希望弥补共振吸声频带窄的不足。共振吸声结构以各类穿孔板最为常见， 常与多孔吸声材料一起使用。 5 华南理t 大学硕士学何论文 1 穿孔板吸声结构穿孔板吸声结构的吸声机理n9 1 ：穿孔板上的每个d , - 孑l 及 其对应的背后的一部分空气层形成了一排排的空腔共振器，或者说可以看作是无 限多个共振器系统。当入射声波的频率和这个系统的固有频率相同时，在穿孔孔 径部分的空气就因共振而剧烈振动。在振动过程中主要由于穿孔板附近的摩擦损 失而吸收声能。 穿孔板吸声结构的共振频率，0 可用( 卜1 ) 式计算： f o = 吉拓妨( h z ) ( 1 一1 ) 其中，c 一声速，取3 4 0 0 0 c r n s t 一穿孔板厚度，c l l l ； d 一孔径，c m ； p 一穿孔率，即穿孔面积与总面积之比； f _ 背后空气层的厚度，c m 。 影响穿孔板结构吸声特性的主要因素见表卜4 。 表卜4 决定穿孔板结构吸声特性的主要因素 t a b l e1 4k e yf a c t o r sd e t e r m i n i n gt h ea c o u s t i ca b s o r b i n gp r o p e r t yo fp e r f o r a t e d p a n e l 主要因素影响范围 板后 孔径、孔距( 或穿孔率)主要吸声频率范围 板后空气层的厚度 底层材料的种类和位置吸声系数值 底层材料的种类和位置的影响见图卜l 。图a ) 是在穿孑l 率p = 0 0 3 0 2 0 ，背 后空气层为3 0 - - 3 0 0 m m 的各种穿孔板背后设置空气层时的吸声范围( 不用底层材 料) 。图b ) 表示在穿孔率p = o 0 3 0 2 0 ，背后空气层为3 0 - - 一3 0 0 m m 的各种穿孔板背 后直接用2 5 - 5 0 m m 的岩棉、玻璃棉等多孔材料作底层时的吸声特性。 6 第一章绪论 1 _ o o 0 帅 o 8 0 o 7 0 o 6 0 0 5 0 o 4 0 o 3 0 o 2 0 o 1 0 o a ) 无低层材料b ) 穿孔板背后有2 5 5 0 m m 厚的玻璃棉 或岩棉底层材料 图卜1 穿孔板结构的吸声特性 a ) n ob o t t o ml a y e rm a t e r i a l sb ) g l a s sw o o lo rr o c kw o o la sb o t t o ml a y e rm a t e r i a l f i g 1 - la c o u s t i ca b s o r b i n gp r o p e r t yo fp e r f o r a t e d p a n e l 2 薄膜、薄板吸声结构塑料薄膜、帆布等材料具有不透气、柔软，在受拉 力处于张拉状态时有弹性等特性，这些薄膜一般被认为是多孔材料的表面处理材 料，也可以在薄膜的背后只设置空气层。由于薄膜和空气层形成一个共振系统， 在共振频率附近具有最大的声吸收，但是难以预计施工状态下的共振频率。对于 不施加拉力的薄膜，其共振频率可按( 卜2 ) 式计算： n n f o = 芸战 ( 卜2 ) qm l 式中：m 一薄膜的单位面积重量，k g m 2 ； l 一背后空气层的厚度，c m 。 薄板吸声结构：当投射到薄板上的声波频率和这一系统的共振频率一致时，板 就发生共振，由于内部摩擦而吸声。可以把板状材料做成以共振频率附近为主要 吸声范围的吸声结构。常用的薄板吸声结构的共振频率在8 0 3 0 0 h z ，其吸声系数 约为0 2 0 0 5 0 ，可作为对低频声音的吸声材料。 3 微穿孔板( m i c r o p e r f o r a t e d p a n e ls t r u c t u r e ) 微穿孔板吸声结构是一种共振 吸声结构，其性能类似于多孔吸声材料，介于多孔吸声材料和共振吸声结构之间。 一般把板厚、孔径均在l m m 以下，穿孔率为l - - 3 的薄板与背后的空气层所组 成的结构称为微穿孔板吸声结构。微穿孔板孔的大小和间距决定最大的吸声系数， 板的构造和它与墙面的距离( 即背后空气层的厚度) 决定吸声的频率范围。由于 装置在刚性墙前一定距离处的穿孔板可以看作是无限多个共振器系统，控制穿孔 板的孔径和孔距就可以获得所需要的流阻，不需另加多孔材料就可构成吸声结构。 又因其穿孔细而