一种新型多孔玻璃的制备及吸声性能研究

邹伟仁, 徐颖, 方庆川, 罗璐, 王常力

(1.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072; 2.深圳中雅机电实业有限公司, 广东 深圳 518031)

噪声污染是严重的环境问题之一[1]。近年来,随着高铁的快速发展与机动车数量急剧增加,交通噪声问题已严重影响人民生活与工作。吸声材料作为降低噪声,改善声环境的有效措施之一[1-3],目前已被广泛应用到很多实际工程领域,特别是在开阔或者大的封闭环境内。具有宽频带及高吸声系数的材料主要是各种多孔材料,如矿棉、玻璃纤维毡、有机纤维毡、金属纤维毡、泡沫金属、泡沫塑料和泡沫玻璃等[2-3]。虽然矿棉和玻璃纤维毡具有阻燃、耐腐蚀、抗老化等特点,而且具有很好的吸声性能,但在施工及应用时存在纤维散落,造成环境二次污染的现象,因而应用存在隐患。金属纤维毡和泡沫金属具有强度高,耐腐蚀,耐高温等优点,但材料的成本较高。有机泡沫塑料的强度、易燃、易老化和耐腐蚀性较差,应用受到限制。

泡沫玻璃不仅具有阻燃、耐腐蚀、抗老化、强度较高、比重小以及成本低等优势[4],而且避免了纤维毡散落引起的二次污染的缺点。泡沫玻璃的特点是泡孔结构连通性不佳,吸声效果较差。钟祥璋[5]发现泡沫玻璃吸声性能不是很理想,采用板面钻孔和边缘留缝的方法提高吸声性能;毛东兴[6]为了提高泡沫玻璃的吸声性能,在泡沫玻璃中加工一定深度的小孔以改善吸声性能。造成玻璃泡孔不连通的主要原因是采用的是高温发泡工艺,高温熔融状态下的玻璃熔体粘度较大,不易形成连通孔结构,因此,影响泡沫玻璃的吸声性能。本文采用新的制备工艺——盐模烧结法,制成内孔连通,高孔隙率的多孔玻璃材料,获得高吸声性能的多孔玻璃。

1 样品制备

盐模烧结法制备样品:选择一定尺寸玻璃粉、细硼酸以及不与玻璃粉和硼酸反应的无机盐,将它们混合均匀后装入模具中压制成一定厚度的初样品;然后将初样品放入马弗炉中,在一定温度下烧结,然后冷却至室温;最后将无机盐溶出,干燥后得到多孔玻璃材料。采用丹麦B&K公司的4206型双传声器阻抗测量管测量样品的吸声性能,频率范围是50～6 400 Hz。

2 研究结果与分析

2.1 孔隙率对吸声性能的影响

孔隙率分别为50.4%、56.4%、62.3%、68.2%、74.1%以及80%,选择无机盐颗粒的粒径范围为80～90目,即孔径范围与无机盐颗粒的粒径基本相同,直径为29 mm的样品。后空腔深度为0 mm时,吸声性能测试结果如图1所示,吸声参数如表1所示。测试采用B&K公司的4206双传声器阻抗管法测试吸声系数。

图1 孔隙率对吸声性能的影响

表1 不同孔隙率材料的吸声参数

由图1可以看出,多孔玻璃材料具有非常宽的吸声频带,吸声系数在高于峰值频率后的波动不大,具有优异的吸声性能。

随孔隙率增大,吸声系数曲线呈现有规律的变化,即吸收峰略向高频移动,从孔隙率为62.3%的2 008 Hz移到孔隙率为80%的2 410 Hz,移动频带为402 Hz。共振吸声系数显著增大,从孔隙率为50.4%的0.3到孔隙率为80%的1.0。可以看出,孔隙率低于50%时,材料几乎无吸声作用。这是由于材料声阻过大,阻碍声波进入材料造成的。当孔隙率为80%时,显示出优异的中高频吸声性能,即非常宽的吸声频带,吸收峰非常平坦,而且具有很高的吸声系数。

2.2 孔径对吸声性能的影响

选择采用无机盐颗粒的粒径分别为:180～190目、110～120目、80～90目、60～70目和50～60目。制备厚度为10 mm,孔隙率为77.8%,样品直径为29 mm的5个样品。后空腔深度为0 mm时,吸声性能测试结果如图2所示,吸声参数如表2所示。

图2 孔径对吸声性能的影响

表2 不同孔径材料的吸声参数

由图2可见,随着孔径的增大,吸声曲线向高频移动,从孔径为0.08 mm的1 908 Hz移到孔径为0.33 mm的2 688 Hz,移动频带宽为780 Hz,平均吸声系数先提高而后降低。从曲线1～曲线5的各种孔径分布,均显示了中高频很好的吸声性能。尤其是孔径为0.18 mm时,平均吸声系数为0.66,吸声频带从2 000～6 400 Hz均有很好的吸声性能,即曲线3。孔径的进一步增大,吸收峰向高频移动,降低了2 400～2 700 Hz频带的吸声性能。

2.3 多孔玻璃厚度对吸声性能的影响

选择无机盐颗粒的粒径范围为80～90目,制备孔隙率为77.8%,厚度(mm)分别为5、10、15、20、25、30,直径为29 mm的6个样品。当后空腔为0 mm时,吸声性能测试结果如图3所示,吸声参数如表3所示。

图3 厚度对吸声性能的影响

表3 不同厚度材料的吸声参数

由图3可见,随着厚度增加,吸声曲线明显向低频移动,吸声系数增大,起始频率明显向低频移动,中低频的吸声性能显著提高。如样品厚度为30 mm,起始频率为488 Hz,较样品厚度为5 mm的起始为3 476 Hz向低频移动了2 988 Hz,因此增加厚度可以有效提高多孔玻璃的中低频吸声性能。

随着厚度的增加,多孔玻璃的吸声曲线并没有明显的多峰吸收,而是非常平稳的吸收峰,具有很高吸声系数,如厚度为30 mm的样品,平均吸声系数为达0.8。因此,多孔玻璃材料可以实现非常卓越的吸声性能。

2.4 后空腔深度对吸声性能的影响

2.4.1 样品厚度为10 mm时后空腔深度对吸声性能的影响

选择无机盐颗粒的粒径范围为80～90目,制备孔隙率为77.8%,厚度为10 mm,直径为29 mm的样品。改变后空腔深度,吸声性能测试结果如图4所示,吸声参数如表4所示。

图4 后空腔对10 mm厚度样品吸声性能的影响

表4 10 mm厚度样品不同后空腔深度的吸声参数

从图4可看出,增加后空腔深度可显著提高材料的低中频吸声性能,吸声频带变宽。当有后空气层时,提高材料的抗性,吸声系数大于0.5的吸声频带加宽,但降低了2 000 Hz以上的吸声性能,即出现单吸收峰。起始吸声频率从无后空腔的2 300 Hz到后空腔为18 mm时的688 Hz,向低频移动了1 612 Hz,有后空腔时材料的吸声性能大大提高,共振吸声系数基本不变,平均吸声系数为0.72左右。

2.4.2 样品厚度为30 mm时后空腔深度对吸声性能的影响

选择无机盐颗粒的粒径范围为80～90目,制备孔隙率为79%,厚度为30 mm,直径为29 mm的样品。改变后空腔深度,吸声性能测试结果如图5所示,吸声参数如表5所示。

表5 30 mm厚度样品不同后空腔深度的吸声参数

图5 后空腔对30 mm厚度样品吸声性能的影响

从图5可以看出,随着后空腔深度的增加,吸声曲线向低频移动。起始吸声频率从无后空腔的612 Hz到后空腔为18 mm时的368 Hz,向低频移动了244 Hz,材料的低性能有所提高,共振吸声系数稍有降低,总的吸收峰变化不大,仍然是很平稳的高吸收峰,平均吸声系数为0.78。

图4和图5进行比较可以看出,后空腔深度对较薄材料的影响很显著,即随后空腔深度增加,吸收峰向低频移动幅度较大,有利于改善中低频的吸声性能,这是由于较薄的材料,声阻较小,声波比较容易穿过进入后空腔,从而使后空腔起到了对声波的进一步衰减,正是由于后空腔的作用,使得3 000 Hz以上频率的吸声性能下降。对较厚的材料影响不大,即随着后空腔深度的增加,吸收峰向低频移动的幅度小,但对低频的改善也是较为有利的。由于较厚的材料的声阻较大,声波不容易穿过,在材料内部消耗了大部分,进入后空腔的较少,因此后空腔的作用不及较薄材料的显著。

2.5 多孔玻璃与玻璃棉的吸声性能对比

选择厚度(mm)分别为5、10、15、20、25、30,直径为29 mm的6个玻璃棉样品。当后空腔为0 mm时,吸声性能测试结果如图6所示,吸声参数如表6所示。

图6 不同厚度玻璃棉的吸声系数

表6 不同厚度玻璃棉的吸声参数

由图6所示,随玻璃棉厚度的增加,在0～1 600 Hz范围内其吸声系数增大,吸声频带扩宽。对比图3与图6可以看出,当材料厚度相同时,多孔玻璃呈现出更加优异的吸声性能,即更宽的吸声频带和高的吸声系数,起始频率更低,如厚度为30 mm的样品,多孔玻璃的起始频率为488 Hz,而玻璃棉为1 584 Hz。

3 结 论

1) 孔隙率对多孔玻璃吸声性能的影响十分显著,高孔隙率有利于提高材料的吸声性能,如孔隙率在74%～80%时,可以获得较高的吸声系数,而且吸声频带向高频移动较少;

2) 孔径对多孔玻璃吸声的影响存在最佳的值,当孔隙率为77.8%时,孔径为0.18 mm左右,吸声性能可以获得最佳值,即较其它孔径具有高的吸声系数,起始吸声频率向高频移动较少;

3) 材料厚度对多孔玻璃吸声性能的影响非常大,当孔隙率为77.8%,孔径为0.18 mm,随着厚度的增加,吸收峰显著向低频移动,厚度为30 mm时,得到具有平均吸声系数为0.8,吸声系数大于0.5的起始频率为488 Hz的超宽频带吸声性能材料,吸声曲线为平坦的高吸声曲线;

4) 后空腔深度的增加有利于提高材料中低频吸声性能,吸声曲线向低频移动。对较薄材料影响显著,对中低频吸声性能的改善十分有利,但会出现单峰吸收而影响大于3 000 Hz频带的吸声性能。对较厚材料的影响不大,但对低频的改善也是较为有利的,吸声曲线形状变化很小,仍然具有超宽频带和高的吸声性能。

5) 与玻璃棉吸声性能比较,多孔玻璃具有更加优异的吸声性能。

参考文献：

[1] 盛美萍,王敏庆,孙进才. 噪声与振动控制技术基础[M]. 北京:科学出版社, 2007: 109-117

Sheng Meiping, Wang Minqing, Sun Jincai. Technical Basis of Noise and Vibration Control[M]. Beijing: Science Press, 2007:109-117 (in Chinese)

[2] 马大猷. 现代声学理论基础[M]. 北京:科学出版社, 2004: 230-240

Ma Dayou. Modern Acoustic Theory Basis[M]. Beijing: Science Press, 2004:206-210 (in Chinese)

[3] 段翠云,崔光,刘培生. 多孔吸声材料的研究现状与展望[J]. 金属功能材料,2011,18(1):60-64

Duan Cuiyun, Cui Guang, Liu Peisheng. Present Research and Prospect of Porous Absorption Materials[J]. Metallic Functional Materials, 2011, 18(1):60-64 (in Chinese)

[4] 张剑波,吴勇生. 泡沫玻璃的研究进展[J]. 中国资源综合利用,2010,28(4):25-29

Zhang Jianbo, Wu Yongsheng. Research Development of Foam Glass[J]. China Resources Comprehensive Utilization, 2010,28(4): 25-29 (in Chinese)

[5] 钟祥璋. 吸声泡沫玻璃的材料特性及其吸声性能的提高[J]. 电声技术, 2010,34(08):4-8

Zhong Xiangzhang. Material Characters of Foam Glass and Improvement of its Properties for Sound Absorption[J]. Audio Engineering, 2010,34(08): 4-8 (in Chinese)

[6] 毛东兴. 提高泡沫玻璃吸声性能的研究电声技术[C]∥中国声学学会,武汉,1999

Mao Dongxing. Study on Improving Sound Absorbent Property of Foam Glass. Technical Acoustics[C]∥Institute of Chinese Acoustical Society, Wuhan, 1999 (in Chinese)