多孔吸声材料的吸声原理及其分类

多孔吸声材料吸声原理及其分类一、多孔材料吸声原理惠更斯原理：声源的振动引起波动，波动的传播是介质中质点之间的相互作用。 在连续介质中，任何点的振动都直接引起相邻质点的振动。 声波在空气中的传播满足其原理。多孔性吸音材料多为微小间隙和连续气泡，具有一定的透气性。 当声波入射到多孔质材料表面时，主要由两个机构产生的声波的衰减：首先通过声波的振动引起小孔或间隙内的空气运动，引起与孔壁的摩擦，孔壁与纤维表面接近的空气由于孔壁的影响而难以运动，通过摩擦和粘性力的作用将相当大的声能转换为热能而将声波在减弱反射声以达到吸音的目的的同时，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失也会减弱声能。 另外，高频声波加快了空隙间的空气质点的振动速度，也加快了空气和孔壁的热交换。 因此，多孔材料的高频吸声性能良好。二、多孔吸声材料的分类多孔吸声材料按其选择材料的顺序分为顺序和非顺序材料，其中顺序吸声材料主要通过骨架内摩擦、空气摩擦和热交换来达到吸声效果的非顺序材料主要通过空气粘性来达到吸声功能。 多孔性吸音材料根据其材质的物性和外观主要分为有机纤维材料、无机纤维材料、吸音金属材料和发泡材料4种。1有机纤维材料早期使用的吸音材料主要是植物纤维制品，如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板、水泥板、稻草板等有机天然纤维材料。 有机合成纤维材料主要为化学纤维，如巴龙棉、聚酯棉等。 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。 此外，文献还对纤维类超高频声波的吸音性能进行了研究，证实了在超高频声波场中，该纤维材料几乎没有吸音作用。2无机纤维材料无机纤维材料陆续登场，如玻璃棉、矿渣棉、石棉等。 这种材料不仅具有良好的吸音性能，而且具有质量轻、不燃、不腐烂、不易老化、价格低廉等特性，因此已广泛应用于声学工程学中来代替天然纤维的吸音材料。 但是，无机纤维吸音材料存在脆性容易断裂、受潮后吸音性能急剧降低、底纹松弛、需要添加复杂的保护材料等缺点。3金属吸音材料金属吸音材料是一种新的实用工程材料，1970年代后半期出现在发达工业国家。 现在典型的金属材料是铝纤维吸音板和变截面金属纤维材料。 其中铝纤维吸音板具有以下特点：(1)超薄、轻量、吸音性能优良。(2)强度高，易于加工和安装。 全部采用铝材料，能承受气流的冲击和振动，适用于气流速度大的场所和振动剧烈的场所。 铝的柔软性很高，便于钻头、弯曲和切割加工。 材料不会飞散污染环境，也不会刺激皮肤。(3)耐候、耐高温性能良好。 铝纤维不易吸水，浸水后水分立即消失，易干燥，干燥后吸音性能完全恢复。 含水冻结时材料不破损，也适用于冷热环境。(4)不含有机粘合剂，可循环利用。 不会形成大量的废弃垃圾，节约资源，可称为环保材料，具有电磁屏蔽效果和良好的导热性能，可用于特殊要求的场所。 铝纤维吸音材料在国外的应用已经很普遍，音乐厅、展览馆、教室、高架道路底面的吸音材料、高速公路和冷却塔的声屏障、地铁、隧道等地下湿润环境的吸音材料被广泛使用。 特殊的耐侯性能，特别适合室外露天使用。 铝纤维吸声材料的不足之处是生产成本高。 目前，只有日本能生产这种铝纤维，上海已经有生产铝纤维吸音材料的企业，但原材料必须依赖进口。 由于铝纤维吸音材料的优点，今后将有助于我国音响环境的改善和噪音控制。截面金属纤维材料近年来在国外的汽车中得到了使用，在国内的奥迪、桑塔纳汽车中，也开始使用以该材料为围巾芯的汽车围巾。 马健敏等人对变截面不锈钢纤维材料的吸声特性进行了比较全面的实验研究，分析了材料厚度、材料容积、材料含水量及材料背后空气层对吸声性能的影响，进一步探讨了不锈钢纤维与穿孔板复合结构的吸声特性10 . 综上所述，金属纤维材料具有以下特点：(1)单一材料吸收高频噪音的性能优异，配合微穿孔板或增加空气层时，金属纤维材料的低频吸音性能显着改善(2)承受严酷作业环境的能力强，在高温、油污、水蒸气等条件下也能成为理想的吸音材料。4发泡材料根据发泡孔的形式，可分为开孔型发泡材料和闭孔型发泡材料。 前者的泡孔相互连通，是吸音发泡塑料、吸音发泡玻璃、吸音陶瓷、吸音发泡混凝土等吸音发泡材料。 后者的发泡孔被封闭，发泡孔彼此互不相通，吸音性能差，属于保温隔热材料。 例如发泡苯乙烯、绝热发泡玻璃、普通发泡混凝土等。 图1以发泡铝为例，示意性地显示了开孔和闭孔发泡铝材料的构造。图1泡沫铝形态以上各种多孔吸声材料有其优缺点和适用范围，但随着研究的进展，各种材料的新产品数量增加，这些缺点得到克服，其适用范围也扩大，其中发泡材料发展最快，开发种类也较多。 详细介绍了发泡吸声材料的研究进展。多孔材料是怎样吸音的？一般的多孔材料内部有许多小孔，这些小孔互相连通，直接通过材料表面，在声波的情况下入射到这样的开孔性材料的表面，声波的一部分渗透到材料内部，声波的一部分被材料表面反射。 侵入材料内部声波通过缝隙和小孔传播，在空气运动会中产生粘性和摩擦作用的同时，小孔中的空气被压缩温度上升，稀疏时温度下降，材料的热传导效应使声能逐渐变成热能消耗能量变化不可逆，材料起吸音作用。 对于具有这样良好吸音性能的材料一般称为多孔性吸音材料。 其吸音性能与小孔的大小、数量、结构形式等有关，产生材料一定的厚度发挥吸音作用。 在材料内部有许多细孔，但这些细孔相互封闭而不连通其他的多孔质材料如果使波射入该材料的表面，声波就不会渗透到材料内部，所以不会发生吸音使用。 这种多孔材料一般具有良好的绝热保温作用，被称为绝热或绝热材料。 例如聚苯乙烯发泡板硬质聚氨酯板、苯酚发泡板等。 开孔型多孔吸音材料和闭孔型多孔隔热材料中的小孔。 多孔型吸音材料一般中高频的吸音系数大，低频的吸音系数小。如果材料的内部有很多相互连通的微细空隙，则由空隙形成的空气通路能够模拟在固体框架之间形成多个细管和毛细管的管结构。 声波进入时，细管中*近管壁与管之间的声波振动速度不同，因此，通过介质间的速度差产生的内摩擦，声波振动能被转换为热能而被吸收。 好的吸音材料多为纤维性材料，称为多孔性吸音材料。 例如玻璃棉、石棉、渣棉、棉麻和人造丝棉、特制的金属纤维棉等，还含有空隙连通的发泡塑料。 吸音性能与材料的纤维空隙构造有关，如纤维的粗细(微米到数十微米之间较好)和材料密度(决定纤维间的“毛细管”的等效直径)、材料内空气容积和材料体积之比(称为空隙率，玻璃棉的空隙率为90%以上)、材料内空隙的形状构造等。 从使用的观点出发，与吸音的机理无关，只要调查材料的吸音系数的实验结果即可。 当然，选择时也要注意材料的防湿、防火、装饰性等要求。多孔性吸音材料具有基本吸音特性，低频吸音差，高频吸音好。 定性的吸声频率特性如图1所示。 当频率上升到一定值附近时，参照图1的f0，吸音系数达到最大值，当频率进一步上升时，吸音系数在高的地方稍微变动。 对于该f0的位置，大致与f0对应的波长为材料厚度t的4倍。材料厚度增加可改善低频吸声特性。 在图1中，t2大于t1，在相同的频率下，t2的吸音系数大于t1的吸音系数。 当t2=2t1时，对应于相同吸声系数的频率变为f2=f1，即，厚度变为2倍，并且低频吸声系数的频率特性将低频偏移一个倍频程度。 但是，并不总是能够加厚厚度来提高低频吸音系数。 这是因为声波在材料的空隙中传播时有衰减，限制了加厚厚度改善低频吸音。 根据材料的不同有效厚度也不同。 玻璃棉这样的吸音材料一般是5cm左右的厚度，10cm以上几乎没有使用。 纤维板这种比较微细的材料，材料纤维之间的空隙非常小，声波传播的衰减非常大，吸音系数小，而且有效厚度也非常小。一般平板状吸音材料的低频吸音性能差异是普遍规律。 一种改进方法是将整体的吸音材料切成尖形，参照图2，当声波传播到尖形的材料时，空气与材料的比率从尖的部分到基部逐渐变化，