常用室内吸声材料吸声性能试验研究

文/首都经济贸易大学管理工程学院 李 伟 赵芙蓉

0 引言

吸声是声波通过媒质或入射到媒质界面上时声能的减少过程。按吸声机理差异，吸声体可分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类。通常吸声材料是指多孔性吸声材料，多孔性吸声材料具有良好吸声性能是因为材料松软多孔，表面富有细孔，孔孔相连，并深入材料内层，当声波进入材料孔隙后，能引起孔隙中的空气和材料的细小纤维振动，由于摩擦和黏滞阻力，将声能变为热能消耗。常见多孔性吸声材料有玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、海草、毛毡等。

声学材料的吸声性能用吸声系数α表示。不同材料或结构具有不同的吸声能力，完全反射声音的材料或结构吸声系数α=0，完全被吸收而无反射的材料或结构其吸声系数α=1。所有材料或结构的吸声系数均在0～1，吸声系数α越大表明吸声能力越强，吸声效果越好。影响多孔性材料吸声特性的因素有很多，如材料自身的空气流阻、孔隙率、厚度、密度及空气流阻影响等。

本研究采用常用的玻璃纤维吸声棉、聚酯纤维吸声棉、聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵4种吸声材料，分别对其吸声性能进行研究。试验中采用驻波管法测量材料的垂直入射吸声系数。驻波管法测试便捷，不需要特殊的实验室和大面积吸声材料就能测出准确的数值，有利于理论研究。

1 4种材料的吸声系数曲线

多孔性吸声材料的吸声系数是频率的函数，不同声波频率下吸声系数不同，玻璃纤维吸声棉、聚酯纤维吸声棉、聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵4种材料在不同厚度下吸声系数对频率的曲线如图1所示。

由图1可知，在低频段（小于300Hz）吸声系数一般较低，30mm厚的玻璃棉在300Hz时吸声系数仅为0.2044，40mm厚的三聚氰胺海绵仅为0.171。随着声波频率提高，吸声系数逐渐增大，在中频段（300～1000Hz）吸声系数随频率的增长呈对数形式增长（见图2）。以玻璃棉为例，25mm厚玻璃棉在中频段吸声系数从0.15增长到0.60，趋势线为α= 0.4229ln（f）- 2.3222。高频段以上（大于1000Hz）吸声系数继续增长，逐渐维持在0.90以上，甚至能稳定在0.98左右，起伏范围不超过0.10。可见多孔性吸声材料对高频声吸收效果较好，而对低频声吸收效果较差。这是由于吸声材料的孔隙尺寸与高频声波的波长相近所致，高频声波可使空隙间空气质点的振动速度加快，空气与孔壁的热交换也加快。

图2 玻璃纤维吸声棉中频段吸声系数及趋势线

材料中具有许多相互贯通的微小孔隙是多孔性吸声材料的构造特点。材料的固体部分（如玻璃纤维）在空间组成的骨架称为筋络，筋络使材料具有一定形状，孔隙就存在于这些筋络之间。纤维粗细决定材料的密度，纤维越细，材料密度就越小，孔隙率（材料内部除去闭合孔洞外的孔洞容积占材料总体积的百分率）也就越大，吸声效果越好。例如试验材料中玻璃纤维吸声棉的纤维直径约10μm，密度约为100kg/m3，而聚酯纤维玻璃棉是由超细纤维和短纤维制成，直径在3～5μm，材料密度降低为约10kg/m3，因此聚酯纤维玻璃棉的孔隙率比玻璃纤维吸声棉大，同样面密度条件下，聚酯纤维玻璃棉的吸声效果更好。

由图1c，1d可知，聚氨酯海绵和三聚氰胺海绵吸声系数对频率的曲线趋势与玻璃棉、聚酯棉相似，高频段吸声系数都非常高，但二者相比，后者吸声性能更好。40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海绵在1/3倍频程下吸声系数对比如图3所示，由此可看出在160Hz以下，聚氨酯海绵吸声系数稍大于三聚氰胺海绵，但超过这一频率后，三聚氰胺海绵的优势逐渐增加，吸声系数在中高频段均比聚氨酯海绵要高，高出部分甚至超过0.2。由此可见三聚氰胺海绵是优异的中高频吸声体，原因在于三聚氰胺海绵具有充分开孔的三维网格结构体系，网格长径比L/D=10～20，使声波能进入泡沫体深层并转变为网格的振动能被消耗和吸收，且快速有效地消除反射波。

图3 40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海绵1/3倍频程吸声系数

厚度接近时4种材料的吸声系数对比如图4所示，由图可见玻璃棉的吸声系数最好，其次是三聚氰胺海绵。但在建筑声学设计过程中，吸声材料面密度才是衡量其用料经济程度的直接指标，当吸声系数确定时，吸声板面密度越小，说明越节约材料。4种材料在一定厚度下的面密度如表1所示，4种材料在这些面密度时的吸声系数如图5所示。可以看出，三聚氰胺海绵面密度为0.47kg/m2，吸声系数最大，对中频段也有很好的吸声效果。为达到同样的吸声效果，聚氨酯海绵需100mm的厚度才行。玻璃棉面密度最大，吸声效果却不及其他3种材料。

图4 厚度接近时材料的吸声系数对比

表1 4种吸声材料的面密度比较

图5 面密度接近时材料的吸声系数对比

2 材料厚度对吸声系数的影响

吸声材料的吸声频率特性也与其厚度有关，且不同材料的厚度变化对吸声系数的影响基本相同。以聚氨酯海绵为例，如图6所示，随着材料增厚，吸声频率特性将向低频方向移动，一定范围内，厚度增加1倍，中低频段吸声系数要增加50%，例如从40mm增厚到70mm，吸声系数增加0.3～0.4，同时向低频段拓展了1个倍频程，即增加材料厚度可提高中低频吸声效果。对高频段，吸声系数增加量为0.1～0.2，但在材料厚度继续增加时，吸声系数不再增加，即这种情况对高频声并无多大作用，因为高频声在材料表面就已被吸收。根据这一特性，在吸声及消声设计中，需考虑对低频的吸声或消声要求确定材料厚度。若是噪声声波频率高，则材料厚度可填的薄些，反之噪声频率低则要填厚一些。

3 材料含水率对吸声系数的影响

多孔性材料吸湿或吸水也会影响其吸声性能。以玻璃纤维吸声棉为例，如图7所示，含水率对吸湿性材料的吸声系数有较大影响。当含水率为重量的5%时，对吸声系数影响不大，曲线基本与不含水时的吸声系数一致；当含水率增大到20%时，低频段吸声系数将有所升高，中高频的吸声系数将降低并伴有上下波动；当含水率增大到50%时，材料基本失去对高频声的吸收能力，中低频段的吸声系数会下降到0.5以下。这是由于多孔性材料在吸湿后，材料孔隙率减低，时间久了还会使材料变质，从而影响其声学性能。因此玻璃纤维材料不适合在高湿条件下直接使用。

图6 聚氨酯海绵1/3倍频程吸声系数变化趋势

图7 玻璃纤维吸声棉不同含水率下吸声系数

聚酯纤维吸声棉不同含水率下吸声系数变化如图8所示，吸水的情况对聚酯纤维吸声棉吸声系数有一定影响，含水率会造成高频段材料吸声系数不稳定，随着含水率增大，波动会更明显，相比干燥条件下吸声系数会下降0.1左右，但从整体吸声系数而言，影响较小。聚氨酯海绵和三聚氰胺海绵的多孔网状结构也使材料易吸湿并表现出亲水性，长期放置于潮湿空气中将表现出吸湿性，影响吸声降噪效果，工艺上通过对材料进行改进，而使材料变成憎水性质，例如可将三聚氰胺泡沫浸入0.2%左右的某种聚硅醚乳液中，并通过干燥和230℃高温退火后可将亲水性的泡沫改性为憎水性同时降低游离甲醛含量。

图8 聚酯纤维吸声棉不同含水率下吸声系数

4 结语

本研究利用驻波管测量技术，针对玻璃纤维吸声棉、聚酯纤维吸声棉、聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵4种多孔性吸声材料的吸声系数分别进行测量，并探讨厚度及含水率对材料吸声性能的影响。通过试验得出以下结论。

1）4种吸声材料均具有较高的中高频吸声系数，同为质轻多孔的吸声材料，吸声系数有所区别，源于材料不同的面密度。三聚氰胺海绵面密度最小，玻璃纤维吸声棉面密度最大，但三聚氰胺海绵的吸声系数最高，是优异的中高频吸声体。

2）多孔性吸声材料吸声系数随声音频率的升高而增加，在高频段趋近稳定。一般低频段吸声系数较小，中频段呈对数增长，高频段吸声系数能达0.8以上，因此多孔性吸声材料对中高频具有很好的吸声性能。

3）厚度的增加会引起材料吸声系数的增加，一定范围内，厚度增加1倍，材料中低频段吸声系数要增加50%，即增加材料的厚度可提高中低频吸声效果，高频段增加0.1～0.2；厚度继续增加时，吸声系数不再增加。因此要依据对低频的吸声或消声要求确定材料厚度。

4）含水率对吸湿性材料吸声性能的影响较大，会造成吸声系数的波动及减小，含水率达到50%时，吸声系数下降至0.5以下，失去大部分吸声性能；对耐湿性材料而言，含水率影响较小。

5）4种材料中三聚氰胺海绵具有良好的吸声性能，特别是中高频的吸声系数明显高于玻璃纤维吸声棉、聚酯纤维吸声棉及聚氨酯海绵。