多孔吸声材料的吸声原理及其分类

1、多孔吸声材料的吸声原理和分类一、多孔材料的吸声原理惠更斯原理：声源的振动引起波动，波动的传播是由于介质中粒子之间的相互作用。在连续介质中，任何一点的振动都会直接引起相邻粒子的振动。声波在空气中的传播符合其原理。多孔吸声材料有许多微小的缝隙和连续的气泡，因此它们具有一定的透气性。当声波入射到多孔材料表面时，主要有两种机制导致声波的衰减。首先，声波引起的振动导致小孔或缝隙中的空气移动，从而与孔壁产生摩擦。由于孔壁的影响，靠近孔壁和纤维表面的空气不易移动。由于摩擦力和粘滞力，相当一部分声能转化为热能，使声波衰减，反射声减弱，达到吸声的目的。其次，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换所导致的热损失也削

2、弱了声能。此外，高频声波可以加速空气颗粒在间隙中的振动速度，也可以加速空气与孔壁之间的热交换。这使得多孔材料具有良好的高频吸声性能。第二，多孔吸声材料的分类多孔吸声材料根据其材料的柔顺程度分为柔顺和非柔顺材料，其中柔顺吸声材料主要通过骨架的内耗、空气摩擦和热交换来实现吸声效果；非柔顺材料主要依靠空气粘度来实现吸声。多孔吸声材料根据其物理特性和外观主要分为四类：有机纤维材料、无机纤维材料、吸声金属材料和泡沫材料。1有机纤维材料早期使用的吸声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、水泥纤维板和秸秆板。有机合成纤维材料主要是化学纤维，如腈纶棉和涤棉。这些材料在中高频范围内具

3、有良好的吸声性能，但防火、防腐和防潮性能较差。此外，本文还研究了纺织纤维在超高频声波场中的吸声性能，证明这种纤维材料在超高频声波场中基本没有吸声性能。2无机纤维材料玻璃棉、矿渣棉和岩棉等无机纤维材料不断涌现。这种材料不仅具有良好的吸声性能，而且具有重量轻、不燃、不腐蚀、不老化、价格低廉等特点。从而替代天然纤维吸声材料，广泛应用于声学工程中。然而，无机纤维吸声材料脆性大，容易断裂，受潮后吸声性能急剧下降，柔软的质地要求添加复杂的防护材料。3金属吸声材料金属吸声材料是20世纪70年代末出现在发达工业国家的一种新型实用工程材料。如今，典型的金属材料是铝纤维隔音板和具有可变横截面的金属纤维材料。其中，

4、铝纤维吸音板具有以下特点：(1)超薄、重量轻、吸声性能优异。(2)强度高，加工安装方便。因为所有的材料都是铝制的，所以它们能够承受气流的冲击和振动，并且适用于气流速度高或振动剧烈的地方。铝具有良好的柔韧性，所以钻孔、弯曲和切割都很容易。材料不会散开、污染环境和刺激皮肤。(3)良好的耐候性和耐高温性。铝纤维不易吸水，浸泡后水分立即流失，容易干燥，干燥后吸声性能可完全恢复。这种材料在水结冰时不会损坏，因此它既适用于寒冷的环境，也适用于炎热的环境。(4)不含有机粘合剂，可循环使用。它既能形成大量的垃圾，又能节约资源。可称为绿色环保材料，具有电磁屏蔽效果和良好的导热性，可用于有特殊要求的场所。铝纤维吸

5、声材料在国外已得到广泛应用，如音乐厅、展览馆、教室和高架公路底部的吸声材料，高速公路或冷却塔的隔声屏障，以及地铁和隧道等地下潮湿环境中的吸声材料。由于其特殊的耐候性，它特别适合户外使用。铝纤维吸声材料的缺点是生产成本高。目前只有日本能生产这种铝纤维，上海已经有一家生产铝纤维吸声材料的企业，但原材料必须进口。由于铝纤维吸声材料的突出优势，它将在未来中国改善声环境和控制噪声方面发挥作用。近年来，变截面金属纤维材料逐渐在国外汽车上使用，我国的奥迪和桑塔纳轿车也开始使用这种材料作为汽车消声器的消声器芯。马建民等人对变截面不锈钢纤维材料的吸声特性进行了全面的实验研究，分析了材料厚度、材料体积密度、材料含

6、水量和空气层对吸声性能的影响；张燕等进一步研究了不锈钢纤维与穿孔板复合结构的吸声特性10。基于以上研究，发现金属纤维材料具有以下特点：(1)单一材料具有优异的吸收高频噪声的性能，与微穿孔板配合或增加空气层后，金属纤维材料的低频吸声性能明显提高；(2)对恶劣的工作环境有很强的抵抗力，在高温、油污、水蒸气等条件下仍可作为理想的吸声材料。4泡沫材料根据泡沫孔隙的不同形式，可以分为开孔泡沫和闭孔泡沫。前者的泡沫孔相互连通，属于吸声泡沫材料，如吸声泡沫塑料、吸声泡沫玻璃、吸声陶瓷、吸声泡沫混凝土等。后者的泡沫孔是封闭的，互不连通，吸声性能很差，属于隔热材料。如聚苯乙烯泡沫、保温泡沫玻璃、普通泡沫混凝土等

7、。图1以泡沫铝为例，展示了开孔和闭孔泡沫铝材料的结构图。图1泡沫铝的形态上述各种多孔吸声材料各有优缺点和各自的适用范围。然而，随着研究工作的进一步开展，各种材料的新产品数量不断增加，它们的一些缺点被克服，它们的应用范围也不断扩大，尤其是泡沫材料，发展最为迅速，种类相对较多。本文将详细介绍泡沫吸声材料的研究进展。多孔材料如何吸收声音？通常，多孔材料中有大量的孔，这些孔相互连通并直接通向材料的表面。当声波当入射到多孔材料的表面上时，部分声波将穿透到材料中，部分声波将在材料表面上反射。渗透材料内部的声波在缝隙和小孔中传播，空气运动产生粘性和摩擦力，而小孔中的空气被压缩当温度升高时，温度降低，当它稀疏

8、时，材料的热传导作用，使声能逐渐转化为热能而消耗掉，这能量的转换是不可逆的，所以这种材料产生声音吸收。对于这种具有良好吸声性能的材料，一它被称为多孔吸声材料。它的吸声性能与小孔的大小、数量和结构以及所用材料有关一定的厚度可以吸收声音。虽然材料中有大量的微孔，但这些微孔是封闭的，而不是相通的如果在材料中存在许多相互连接的细小空隙，则由空隙形成的空气通道可以模拟为由许多在实心框架之间形成的细管或毛细管组成的管道结构。当引入声波时，由于管壁附近的细管*和管中部之间的声波振动速度不同，介质之间的速度差引起的内耗使声波振动能量转化为热能并被吸收。好的吸声材料大多是纤维材料，被称为多孔吸声材料，如玻璃棉、

9、岩棉、矿碴棉、棉麻和人造纤维棉、特种金属纤维棉等。并且还包括具有连接间隙的泡沫塑料。吸声性能与材料的纤维空隙结构有关，如纤维厚度(最好在微米到几十微米之间)和材料密度(它决定了纤维之间毛细管的当量直径)、空气体积与材料体积之比(称为空隙率，玻璃棉的空隙率超过90%)以及材料中空隙的形状和结构。从使用的角度来看，无论吸声机理如何，都可以查阅材料吸声系数的实验结果。当然，我们在选择材料时也要注意防潮、防火、装饰等要求。多孔吸声材料具有基本的吸声特性，即低频吸声差，高频吸声好。定性吸声频率特性见图1。频率高达某个值，见图1中的f0，吸声系数达到最大值。当频率继续增加时，吸声系数在高端波动。f0的位置

10、大致是对应于f0的波长，F0是材料厚度T的4倍.当材料厚度增加时，可以改善低频下的吸声特性。在图1中，t2大于t1，并且在相同频率下t2的吸声系数大于t1。如果t2=2t1，对应于相同吸声系数的频率约为f2=f1，即厚度加倍，低频吸声系数的频率特性向低频移动一个八度。然而，增加厚度以提高低频吸声系数并不总是可能的，因为声波在材料的间隙中传播时被阻尼，这限制了通过增加厚度来提高低频吸声。不同的材料具有不同的有效厚度。好的吸音材料如玻璃棉一般约5厘米厚，但很少超过10厘米厚。然而，相对致密的材料，例如纤维板，纤维之间的间隙非常小，声波传播的阻尼非常大，吸声系数小，有效厚度非常小。一般平板吸声材料的低频吸声性能差是一个普遍规律。一种改进的方法是将整个吸声材料切割成楔形，如图2所示。当声波传播到楔形材料时，空气与材料的比例从尖端到基底逐渐变化，即声阻抗逐渐变化，声波传播超过板状材料的有效厚度的极限