第七章 声学材料

1、第七章第七章 声学材料声学材料 声音是物质的波动，一个完整的声学系统应包括声源、声介质和声接受器三个要素。我们把振动发声的物体叫做声源，把能够传播声音的物质叫做传声介质，把能够感知声音的器件叫声接受器。 声学材料可分为发声材料、声介质材料和声探测(感知)材料。1、声的物理特征、声的物理特征 声音主要有强弱强弱和高低高低两个方面的衡量。声音的强弱是指声音的大小。表示声音强弱的物理量度主要有声压、声强和声功率以及它们的级。 声压（声压（P）是指声介质中的压强相对于无声波时的压强改变量。声音的声压大，该声音就强。声压的大小是由声源振动的振幅决定的，与声源的振动频率无关。由于声压是随时间作疏密相间不断

2、变化的，所以，通常用一段时间的有效声压表示，称为有效声压，它是瞬时声压的方均根值其数学表达式为： 式中P(t)是瞬时声压，t是时问，T是声波周期。人耳的听觉声压范围为2x10-5-20Pa。用声压表示声音的强弱是很不方便的。为此，人们便采用声压的对数来表示声音的大小组别称为声压级，单位为dB。 国际上统一规定，把正常人耳刚刚能听到的声压2x10-5作为基准声压p0，定为0dB。声压级Lp的数学表达式为： 声强声强(I)是指在垂直于声波传播的平面上，单位时间内通过单位面积的声能，单位是W/m2。在自由声场中，某处的声强与声压的平方成正比：式中，介质密度；c是声速。 把正常人耳刚刚能听到的声强(1

3、0-2w/m2)作为基准声强I0，定为0dB。声强级的数学表达式为： 声功率声功率(W)：声源在单位时问内辐射出的总声能量。10-12w作为基准声功率W。，定为0dB。声功率级的数学表达式为： 频率与频谱：频率与频谱：频率表示声源振动快慢的物理量。 声音的频率越高，音调就高，听起来就感到尖锐；反之声音的频率低，音调就低，听起来就感到低沉。能够发出单一康率的纯音的发声体很少，发声体的振动一般都比较复杂，所发出的声音都是有许多不同频率、不同强度的纯音复合而成。以频率为横坐标，以声音的强弱(声压级或声强级)为纵坐标，绘出声音强弱的频率分布图，叫频谱图。 利用频谱图可以进行频谱分析，可以看出构成声音的

4、各个频率成分和相应的强度。频谱分析在材料的无损检测、机械的故障诊断、噪声控制等方面有广泛的应用。2、发声材料和声探测材料、发声材料和声探测材料 凡是能产生振动的材料（固体、液体和气体）都可以是发声材料，都可能成为发声材料。这里我们只介绍压电材料和磁致伸缩材料（压磁）。它们既可以做发声材料，又可以做声探测材料。 压电材料主要是利用它的压电效应来实现电-声和声-电转换，利用电-声转换可做为发声材料，利用声-电转换可做为声探测材料。 压电效应是指在某些晶体材料上施加机械应力时，晶体的某些表面会产生电荷，这种现象通常称为正压电效应：反之，在晶体的某些方向施加电场时，晶体会产生几何形状的变化，这种现象通

5、常称为逆压电效应。 除了一些晶体外，许多陶瓷、聚合物也具有压电效应。 利用压电材料的逆压电效应可制成各种电声源，如扬声器、鳞鸣器、超声波发生器等。 利用压电材料的正压电效应可制成各种声探测器，如拾音器、船舶声纳、水声换能器、超声探测器等。 利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和逆磁致伸缩放应可制造成各种超声波发生器、水声、电声换能器，如声纳的水声发射与接受器，超声波换能器等。3、声阻尼材料、声阻尼材料 随着工业和交通运输业的飞速发展，噪声噪声污染污染及其对人体健康的危害，越来越引起人们的重视。它同水污染、空气污染一样被列为三大公害。 噪声与振动可以通过吸声、隔声、消声、阻尼减振等措施加以治理。 阻尼

6、减振技术已发展成为一项专门的技术，成为控制振动、冲击和噪声的主要技术手段。 阻尼减振技术中所用到的材料称为阻尼材料或减振材料。阻尼材料可分为金屑基阻尼材料和非金属基阻尼材料两大类。 阻尼材料属于粘弹性材料，它的动态力学性能不同于纯弹性材料，应变滞后应力。滞后的相角是阻尼材料的损耗因子，它可表示为； 损耗因子是衡量阻尼材料耗散振动能量的主要指标之一。表征阻尼材料阻尼性能最常用的量是损耗因数，它的物理意义是每振动一次所损耗的能量与贮存的能量的比值。它的大小与材料振动在单位时间内转变为热能而损失的振动能成正比。 值越大，表明材料的阻尼性能越好。损耗因子与损耗因数的关系为 2。 金属基阻尼材料又称为减

7、振合金，是一种高内耗合金，它能把振动能较快地转变为热能消耗掉，有效地阻尼声的传播。 金属基阻尼材料主要用于设备和机械上，达到减振和防噪声的目的，如发电机盖、运输带的齿轮、汽车发动机油盘、汽缸头盖、船舶螺旋桨等。用减振合金作为结构材料制成机械中振动和发声强烈的部件。 常用的非金属基阻尼材料有橡胶系、塑料系、沥青系。通常是由两种基本材料组成，一种是基材，另一种是添料。常用的基料有沥青、氯丁橡胶、聚胺脂、环氧树脂等。常用的添料有膨胀珍珠岩粉、膨胀蛭石、石棉缄、碳酸钙、二硫化铜、铅粉、炭黑粉等。 粘弹性聚合物具有很好的阻尼性能，是很好的阻尼材料基料。众所周知，枯性液体能耗散能量，然而它却不能贮存能量；

8、弹性体能够贮存能量，但它却不能耗散能量。粘弹性聚合物同时具有枯性液体和弹性固体的特征，在受到交变应力作用下发生变形时，部分能量作为位能贮存起来，另一部分能量则被耗散掉，转化为热能。这种能量的耗散表现为振动阻尼， 用枯弹性聚合物阻尼材料牢固地粘贴到产生振动的部件上，形成阻尼层，会使振动减弱，降低噪声，在工业、国防领域有着广泛的应用。 一种典型的阻尼材料是美国海军研制的MRC-OG4粘弹性聚合物阻尼材料。它的基体是经过增塑处理的氯乙烯和醋酸乙烯共聚物，添料是片状石墨和炭黑。它在较宽的温度和频率范围内阻尼较好，把它粘贴在潜艇的壳体上，可以有效地降低潜艇的自噪声。4、声吸收材料、声吸收材料 在噪声较大

9、的车间，由于四壁及天花板的多次反射，造成混响，使车间内噪声强度增加。另外，在大型会议室、剧场、礼堂、音乐厅和体育馆等，为了得到良好的音响效果，通常不希望墙壁和屋顶反射声音。因此需要在天花板和墙壁上粘贴吸声材料，以减少声音的反射。 常用的吸声材料主要是多孔材料。当声波进入吸声材料孔隙后，引起空隙中的空气和材料的细小纤维振动。由于摩擒和枯滞阻力，声能转变为热能，而被吸收和消耗掉。 材科的吸声性能常用吸声系数来表示，它定义为声波人射到材料表面时，材料的吸收声能和透射声能之和与入射到材料表面的总声能之比。完全反射的材料， o，完全吸收的材料， =1，一般材料的吸声系数介于0和1之间。 多孔吸声材料分为无机纤维吸声材料、泡沫塑料吸声材料、有机纤维吸声材料和建筑吸声材料等。 无机纤维吸声材料主要有超细玻璃棉、玻璃丝、矿渣棉、岩棉等，这类材料的优点是隔热耐价格低廉。 泡沫塑料吸声材料主要有聚胺脂、聚醚乙烯、聚氯乙烯、酚醛等，这类材料具有良好的弹性，缺点是易燃，易老化。 有机纤维吸声材料有棉麻、干蔗、木丝、稻草等，这些材料的价格低廉，取材方便。 建筑上采用的吸声材料有加气混凝土、膨胀珍珠岩、微孔吸声砖等。日本市区内的高速路采用声阻尼材料和 吸声材料日本市名古屋区内的高速路费米能 在固体物理学中，一个由无相互作用的费米子组成的系统的费米能费米能（EF）表示在该系统中加入一个粒子引起的基态能量的最小