常用吸声材料及吸声机理

白攀峰， 柏林元， 何 山， 高 立， 刘 璐

(1.陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京 210007；2.中国(浦东)知识产权保护中心，上海 200136)

引 言

噪声污染目前已经逐渐成为世界上三大主要污染源之一，并且其发展形势越来越严峻。噪声污染不单单对人们的听觉系统产生影响，同时也会加速装备器材的老化、降低其使用寿命、影响加工精度。降低军用装备的噪声水平，不仅能够为士兵提供一个更加舒适的工作环境，同时也能提高装备的生存力和战斗力。正因如此，吸声降噪问题成为了许多科技工作者热衷的研究方向[1]。

控制声源和采用吸声材料是目前的处理噪声的两种主要措施。控制声源即从源头上降低噪声，这种方法对设备结构、加工装配等方面有很高要求，不仅成本昂贵且效果有限，在实际应用中使用得并不多。相比之下，采用吸声材料则可以实现低成本高效益的效果。

通常所说的吸声，是指声波在传播过程中能量衰减的过程，衰减降低部分能量在边界面处被吸声消耗[2]。具体来说是指声波在介质中传播到某个边界面时发生的能量降低的过程，其中部分能量被反射(或散射)，部分能量在边界处被吸收消耗。被吸声部分声能包括在材料边界处转变为振动机械能传递转移或转变为热能耗散，或直接透过边界传到另一材质。根据不同的使用场合，吸声材料能够在噪声的传播过程中有效的将其吸收或反射，从而实现降噪效果。

1 吸声材料分类

根据材料的吸声机理不同通常可将吸声材料(结构)分为共振结构吸声材料、纤维类吸声材料、多孔性吸声材料以及其他类吸声结构材料[3]。

1.1 共振结构吸声材料

应用最为广泛的共振性吸声材料是微穿孔板结构，图1为吸声微穿孔板及其结构图。微穿孔板结构最早是在20世纪60年代开始开发并应用的，其孔径为0.1 μm级，通过微穿孔板及其后背空腔共同组成微穿孔吸声结构，其结构相当于许多亥姆霍兹共振器并联组成[4]。图2为亥姆霍兹共振器及其机械类比示意图。目前微观孔板吸声结构的吸声理论、结构设计以及吸声性能的测试已经形成了一套完整的体系。

图1 吸声微穿孔板及其结构图

图2 亥姆霍兹共振器及机械类比示意图

单纯的穿孔板结构其共振效果很强，如果入射波频率与吸声结构的共振频率一致，板内空气发生剧烈的振动，通过空气的摩擦将声能转化为热能消耗，造成声能衰减起到吸声效果。当入射波频率与共振频率不一致时，穿孔板结构吸声效果明显降低。

在实际的工程应用中，通常需要吸声结构在较宽频率范围内具有较强的吸声性能。因此为了增强穿孔板结构的吸声性能，一般在穿孔板背后的空腔中加入其他吸声材料。

1.2 纤维类吸声材料

工程中常用的纤维类吸声材料包括无机纤维、有机纤维和金属纤维。

无机纤维材料通常指以矿物质为基本原材料制作而成的化学纤维，品种包括玻璃棉、岩棉等。从上个世纪90年代开始，无机纤维材料技术在北美和欧洲等地区得到迅速发展和应用，无机纤维材料具备良好的绝热性能以及优异的吸声隔音性能，且耐酸碱、抗老化、抗菌、阻燃能力强。

有机纤维材料指以天然植物纤维为原材料加工或者通过有机聚合物制作而成的纤维材料，图3为聚酯纤维材料显微结构。通过天然植物纤维制作的有机纤维材料在中、高频区域表现出良好的吸声性能，然而其防火、防潮能力较差，因此其使用范围受限。近年来，人们将纺织纤维制作成多孔结构的复合材料，在家居领域得到了较广泛的应用。

图3 聚酯纤维材料显微结构

相对于有机纤维材料，金属纤维材料具有强度高、耐高温、导热耐水性好等独特的优点和性能，因此取得了广泛的应用。

金属纤维材料具有代表性的是铝纤维吸声板和变截面金属纤维材料。变截面金属纤维材料已经在汽车消音器上开始使用。后续研究中对这种材料做了进一步优化，在金属纤维材料复合微穿孔板或增加空气层后，不仅使其低频吸声性能得到明显改善，且抗恶劣工作环境如高温、油污、水汽等条件下表现出良好的适应性。

1.3 泡沫类吸声材料

泡沫材料主要分为泡沫塑料、泡沫玻璃和泡沫金属。

发泡硅胶板是在玻璃基板上用粘合剂复合薄层层析硅胶而成，具有质软、阻燃、失效期长等诸多优点，但制造成本较高，吸声能力不够理想。固化聚氨酯泡沫材料吸声效果不稳定，但因其具有防腐、防水、阻燃等特点常用于汽车座椅车门内饰等。平静隔音吸声棉以橡塑添加隔音颗粒为主要材料，经氮气发泡并冷却成型)，具有防火、防水、柔软、恢复性强、性价比高等诸多优点。该材料正面具有微型吸声孔和异形吸声槽，使其对噪声具有高效过滤效果。

泡沫玻璃是一种极具装饰潜力的无机材料，可做成多种颜色。它质轻，不燃，强度高，刚度大，可加工性好，但因吸声系数低，不耐磨，成本高而未被广泛应用。

泡沫金属吸声材料同时具备了泡沫材料与金属材料的优势，不但具备了泡沫材料的多孔吸声特性，同时具备金属材料强度高、耐高温等优点，但是由于其加工成本高，并未得到广泛的应用。通过水下吸声试验发现泡沫铝吸声材料具备很好的水声吸声性能。图4为泡沫铝材料显微结构。

图4 泡沫铝材料显微结构

2 吸声机理

2.1 多孔吸声材料的吸声机理

多孔吸声材料其内部包含大量相互连通的细微孔隙，并且孔隙延伸至材料的表面与外界连接。当声波到达材料的外表面时，部分声能被反射，另外部分则传播至材料内部。声波在材料内部传播过程中，会引发孔隙内部空气振动，并与孔壁相互摩擦转化为热能消耗掉。声波在泡沫壁面发生反射又回到材料表面，一部分声波返回到空气中，其余部分又反射到材料内部。声波经过这样的反复传播，能量会不断衰减，因此表现出了良好的吸声性能[5]。

2.2 共振吸声材料(结构)的吸声机理

共振吸声结构类似于很多个相互并联的亥姆霍兹共振器共同作用。当声波传播至材料表面时，材料内部以及周边空气会对声波振动产生的体积、速度变化产生一个惯性阻抗。根据声波振动频率的不同，该惯性阻抗反抗强度也有所不同，在声波频率与共振吸声系统固有频率接近时，这种惯性阻抗最强，对声能的衰减也最强。因此，共振牺牲材料的吸声性能很大程度上受到入射声波频率影响，声波振动频率与共振结构固有频率越接近，吸声结构吸声效果越好。

3 未来展望

不同的吸声材料具有不同的性能和应用条件，纤维材料吸声性能好，但是与泡沫金属相比其物理性能较差。多孔吸声材料目前已广泛应用于各类降噪工程中，虽然木质纤维板、微穿孔板等也有较好的降噪功能，但是材料的强度和刚度较差的缺陷严重的限制了其应用范围。泡沫金属材料则具有高强度、高刚度等良好特性，然而对泡沫金属材料来说，吸声性能有很大的选择性，生产成本也较高。因此，如何在合理利用现有吸声技术的基础上，继续开发新型吸声材料是今后该领域的研究热点。