多种组合吸声材料的设计与实验研究

高 洁 舒玉娇

（陕西师范大学物理学与信息技术学院 陕西 西安 710062）

1 引言

随着现代工业、建筑业和交通运输业的迅速发展，各种机械设备、交通运输工具在急剧增加，噪声污染日益严重.噪声影响人们的正常工作和休息、危害人体健康，同时也是导致发生各种事故的主要根源［1］.如今噪声污染已成为继水污染、空气污染和固体废弃物污染的第四大坏境公害，因此必须对噪声进行控制.其中，使用吸声材料是控制噪声的重要途径之一［2］.

吸声材料按吸声机理分为多孔性吸声材料和共振吸声结构材料两大类.多孔性吸声材料是目前应用最广泛的吸声材料.其内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此联通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，激发其孔隙内部的空气振动，使空气和固体筋络间产生相对运动并发生摩擦作用，由空气的黏性在孔隙内产生相应的黏性阻力，使得振动空气的动能不断转换为热能，从而使声能量转换成热能而衰减.共振吸声结构是在声源发出声波的激励下，振动的结构或物体由于自身的内摩擦和与空气的摩擦，会把一部分振动能量转变成热能而消耗掉，从而降低了噪声.共振吸声结构主要对中、低频噪声有很好的吸声性能，而多孔性吸声材料的吸声频率范围主要在中、高频.因此在进行噪声控制设计时，合理地将共振吸声结构与多孔性吸声材料相结合，可以获得较宽频带的吸声效果.大量实验证明材料的厚度和容隙率、在材料后预留空气层以及多层材料叠加可以提高材料的吸声性能［3～6］.薄板、穿孔板和微穿孔板共振吸声结构［7～8］等常见的共振吸声结构也能提高材料的吸声性能.但它们对材料的吸声性能究竟有何影响则需要实验的进一步验证.

本文拟采用驻波管法，对5种吸声性能表现一般的简单材料进行穿孔、叠加、重构等改造设计，使这些简单材料的吸声性能得到改善，并寻找材料吸声性能的改善规律，以求为实际应用中吸声材料的优化利用研究找到一条新思路.

2 吸声结构的设计及改善

本文选择几种常见的、具有一定吸声性能的材料进行加工、改造，研究材料改造的吸声规律，并基于空气层吸声的原理设计出一种特殊的吸声结构来进一步完善设计.选择一些在生活中较常见的软质材料来进行结构组合、改善设计.基础材料共5种，分别是橡胶，泡沫，纸板，海绵1，毛毡.其中橡胶正反两面不同，有一些凹凸不平但分布均匀的小槽，反面是光滑的.纸板表面光滑，中间有一些并联的管道结构.

设计的方法主要有以下几种：

（1）加空气层.在海绵、泡沫和纸板后预留不同厚度的空气层.首先观察分析预留空气层对材料吸声系数的影响，再观察分析预留空气层厚度的改变对吸声系数的影响.

（2）穿孔.在纸板、橡胶和泡沫的表面穿孔.首先观察分析穿孔后吸声材料吸声性能的变化，再观察分析孔的大小、疏密和孔穿透与否对材料吸声性能的影响.（注：大孔直径0.25 cm，小孔直径0.2 cm）

（3）叠加.将纸板和橡胶、纸板和泡沫以及纸板和海绵两层或三层叠加，观察分析组合材料吸声性能的改变.

（4）在材料后预留空气层会影响多孔性吸声材料的吸声性能，这里设计一种空气层放在材料中间的吸声结构，把两个空腔泡沫相对放在一起组成泡沫空腔，其中间有一个空气柱.研究泡沫空腔的吸声特性.

3 吸声系数测试

测量吸声系数总共有3种方法：声波导管法、自由声场法、混响室法.前两者测试的声波是垂直入射或者斜入射，后者测试的声波是无规则入射.垂直入射声波的测试方法又有两种：驻波管法和传递函数法［9］，本文主要用驻波管法测试材料的吸声系数.

在驻波管中传播平面波的频率范围内，声波入射到管中，再从试件表面反射回来，入射波和反射波叠加后在管中形成驻波.由此形成沿驻波管长度方向声压极大值与极小值的交替分布.用试件的反射系数r来表示声压极大值与极小值，可写成

其中p0是声压振幅，pmax是声压极大值，pmin是声压极小值.根据吸声系数的定义，吸声系数α与反射系数r的关系可写成

因此，只要确定声压极大和极小的比值，即可计算出吸声系数.如果实际测得的是声压级的极大值和极小值，记两者之差为L［4］.

采用JTZB吸声系数测试系统进行测试，该系统主要包括：驻波管，信号发生器，功率放大器，频谱分析仪.其中驻波管有3类：低频管，主要用于测试200～2 000 Hz，直径为100 mm，长1 500 mm；中频管主要用于测试2 500～4 000 Hz，直径为50 mm；高频管主要用于测试5 000～6 300 Hz，直径为29 mm；系统总长3 700 mm.测试简图如图1所示.

图1 驻波管测量设备典型装置

4 测试结果与分析

本文共进行了6类共20多组不同材料的吸声改善优化实验，测得各类数据120余组.挑选7组典型数据来说明改善设计结果.

（1）材料表面穿孔对吸声性能的影响

在纸板表面穿孔后，材料的吸声系数前后对比结果如图2所示.可以看到，1 250 Hz以下，纸板穿孔无论孔是否穿透，材料的吸声系数都在减小，这说明在纸板上穿孔会破坏其中并联的管道结构.由此可得结论：结构中增加并联管道结构利于低频噪声的吸收.

（2）同种材料，改变厚度对其吸声性能的影响

图2 纸板穿孔时的吸声系数

改变纸板的厚度，测试结果如图3所示.可以看到，频率在200～2 500 Hz内，纸板厚度增加1倍时，吸声系数增加了0.2～0.6，增加2倍时，吸声系数增加0.1左右，当增加3倍时，吸声系数反而减少0.1左右；2 500 Hz以后，增加纸板的厚度，吸声系数反而减小.可得结论一：增加材料的厚度可以增大材料在中低频区的吸声系数.结论二：材料增加的厚度有一定限度，超过这个限度，厚度的增加会使吸声系数减小.

图3 纸板厚度不同时的吸声系数

（3）在材料后预留空气层对吸声性能的影响

在海绵1后预留不同厚度的空气层，测试结果如图4所示.可以看到1 250 Hz以下，随着预留空气层厚度的增加，海绵1在各频段的吸声系数均会变大；1 250 Hz以后，空气层厚度越大，吸声系数反而减少.由此可得结论：预留空气层能提高材料在低频的吸声系数，且空气层厚度越大，吸声系数提高越大.

（4）材料厚度增加及加空气层对吸声性能的影响

图4 海绵1预留不同厚度空气层的吸声系数

给海绵加厚以及在其后预留空气层，测试结果如图5所示.可以看到，给海绵和纸板加厚或预留空气层都能提高材料的吸声系数；但在所加同种材料厚度与预留空气层厚度相同时，加厚要比预留空气层对吸声系数的提高本领大，加厚能提高0.4左右，而预留空气层平均只能提供0.2.由上面分析可得结论：加厚和预留空气层都能提高材料的吸声系数，但同等厚度情况下，加厚对吸声系数的提高能力更大.

图5 海绵1加厚与加空气层时的吸声系数

（5）不同材料两层叠加时吸声性能的变化

对纸板和海绵两层叠加，其测试结果如图6所示.可以看到，2 500 Hz以下，纸板和海绵叠加，将纸板放前面，组合材料在各频段吸声系数总的来说比海绵小，比纸板大；将海绵放在前面，组合材料在各频段的吸声系数要比海绵和纸板都大.其中海绵的容隙率比纸板大.可得结论：两种材料叠加，吸声系数大的材料放在前面，则组合材料的吸声系数在各频段将有所增加；吸声系数小的放在前面，则组合材料的吸声系数位于两种材料之间.

图6 纸板、海绵两层叠加时的吸声系数

（6）两种材料3层叠加吸声性能的变化

对纸板和海绵3层叠加，测试结果如图7所示.发现在800 Hz之后，有海绵放在前面的两种组合材料的曲线明显上升，而将纸板放在前面的两条曲线明显下降.由此可得结论：多种材料叠加，若叠加在前面的材料容隙率较大，则在较高频吸声效果好；前面材料的容隙率较小，在较高频吸声效果较差.

图7 纸板、海绵3层叠加时的吸声系数

（7）设计几种不同的吸声结构

在橡胶表面穿孔，在橡胶后预留空气层以及泡沫空腔的测试结果如图8所示.看到这3幅图在某个频率处吸声系数都会有一个大的起伏值，这里设计的这几种吸声结构与一般的共振吸声结构类似，在材料后预留空气层、穿孔和泡沫空腔形成共振腔，具有共振频率，当外界噪声达到该频率时，吸声系数突然增大，之后又急剧减小.因此这种结构适合对某些特殊频段的吸声需求.

图8 共振结构

5 结论

本文对一些常见的、简单的、具有一定吸声效果的材料进行了设计改造和处理，通过对材料进行穿孔、组合叠加等不同的设计来改善材料的吸声性能.最终对6类20多组结构进行了吸声系数的测试，根据测试结果可得到以下结论.

（1）在吸声材料内加中空管道结构可以增加低频区的吸声量.

（2）增加吸声材料的厚度和预留空气层都能提高材料在低频的吸声性能，且材料和空气层厚度越大，吸声性能越好，但所加厚度有一定限度.同等厚度情况下，加厚对吸声系数的提高能力更大.

（3）多层材料叠加，容隙率大的材料放在前面，组合结构在高频的吸声性能好，反之，吸声性能变差.其中材料两层叠加时，低频处，将容隙率大的放在前面，组合结构的吸声性能变大，反之，吸声性能位于两者之间.

（4）泡沫空腔、穿孔或在材料后预留空气层会形成共振结构，当噪声频率达到共振频率时，吸声系数在此频率达到最大值，吸声效果最好，适合对某些特殊频段有吸声要求的情况.

结果表明，对简单材料进行重新组合和表面处理可以有效地提高材料的吸声性能，这些结论对实际工程中吸声材料的优化选择和充分利用有很好的参考意义，能有效节约成本.

1 朱从云，黄其柏.多层吸声材料吸声系数的理论计算.声学技术，2008，27（1）：101～102

2 毛东兴，洪宗辉.环境噪声控制工程（第二版）.北京：高等教育出版社，2010

3 潘钧.泡沫玻璃制品的吸声效果和应用.地下工程与隧道，1993（1）：27～30

4 陈克，曾向阳，李海英.声学测量.北京：科学出版社，2005

5 杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础（第二版）.南京：南京大学出版社，2001

6 盛美萍，王敏庆，孙进才.噪声与振动控制技术基础（第二版）.北京：科学出版社，2007

7 马大猷.现代声学理论基础.北京：科学出版社，2004

8 水中和，李跃，彭显莉，等.吸声材料构造形式对吸声效果的影响.武汉理工大学学报，2003，25（12）：89～91

9 中华人民共和国国家计划委员会.GBJ88－85.驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范.上海：同济大学，1985