新型吸声材料及吸声模型研究进展*

梁李斯，郭文龙，张 宇，李林波，杜金晶，刘漫博，臧旭媛

(西安建筑科技大学 冶金工程学院，西安710055)

0 引 言

声学的发展历史悠久，18世纪提出声学的波动理论，19世纪末20世纪初W.C.SABINE提出混响时间理论，20世纪初塞宾提出混响公式，该公式表明混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，使礼堂，剧院的设计有迹可循，而吸声材料首先就应用于室内用来控制混响时间[1-2]。早期最常用的是有机植物纤维吸声材料，但植物纤维有许多缺点：吸声系数低，易燃，使用范围小。在 20世纪30年代，玻璃纤维成功开发，由于其优异的吸声性能，被广泛应用于声学领域[3]。我国吸声材料的发展主要从上世纪20年代至30年代开始，主要是使用进口的甘蔗板和软质木纤维板来吸声，60年代以后玻璃纤维和石棉材料逐渐替代有机植物纤维，70年代以后，随着经济的发展，噪声污染成为公害，引起各方的重视，随后各种吸声材料相继被研发应用。目前，吸声材料仍存在很多问题，如污染严重，耐高温性弱，使用寿命短等问题。但泡沫铝及其复合结构的应用，使吸声材料的耐高温性，使用寿命，产生污染等方面的问题得到了有效的解决；纤维复合吸声材料有效解决了传统吸声材料耐火，耐潮等方面的问题。为了更好的了解如今吸声材料的发展，介绍了吸声材料的分类及其原理并总结归纳了部分传统吸声材料以及分析了以圆管理论为基础的多孔吸声材料模型。

1 吸声材料分类及其原理

吸声材料根据其吸声机制的不同，一般分为两大类，即多孔吸声材料和共振吸声材料。

1.1 多孔吸声材料的吸声原理

多孔吸声材料的吸声原理就是当声波通过媒介时使得媒介产生压缩和膨胀变化：压缩区的体积变小，使温度升高；而膨胀区的体积变大，相应的温度也降低，从而使相邻的压缩区和膨胀区之间产生温度梯度，一部分热量从温度高的部分流向温度较低的媒介中区，发生热量的交换，使声能转化为热能而耗散掉。从而被衰减[4]。

1.2 共振吸声材料的吸声原理

共振吸声结构即亥姆霍兹共振结构，当入射声波的频率接近共振器的固有频率时，孔径的空气柱会产生强烈的振动，在该振动过程当中，由于克服摩擦阻力而消耗声能，但当入射声波的频率远离共振器的固有频率时，共振器振动很弱，消耗的声能很少，声吸收作用很小，因此共振吸声材料吸声时入射声波的频率要接近共振器的固有频率[5]。

图1 亥姆霍兹共振器Fig 1 Helmholtz resonator

图2 声波入射至吸收材料的传播途径Fig 2 The way of the propagation of sound waves to the absorbing material

根据这两种吸声机制，分述传统和新型吸声材料如下。

2 传统吸声材料

2.1 多孔吸声材料

2.1.1 纤维吸声材料

传统的纤维吸声材料包括无机纤维吸声材料，有机纤维吸声材料和金属纤维吸声材料。其中无机纤维吸声材料主要包括岩棉，玻璃棉等无机纤维材料，其优点是具有良好的吸声性能且质量轻，不易燃，不易老化等。但是由于其脆性较大容易导致断裂，并且受潮后吸声性能严重下降，容易造成环境污染等一系列缺点，导致其使用范围受到很大限制。有机纤维材料主要为植物纤维制品和化学纤维，植物纤维主要有棉麻纤维，毛毡，甘蔗纤维板等，化学纤维主要有晴纶棉，涤纶棉等。其优点是这些材料在中高频范围内有良好的吸声性能。但其，防火，防腐，防潮等性能非常差，因此适用范围很小[6]。金属纤维吸声材料主要为不锈钢金属纤维和铝纤维，其优点是强度高，防火性好，环境适应性强，散热性强等，但其缺点是造价成本高[7]。

2.1.2 泡沫吸声材料

传统泡沫材料有泡沫塑料，泡沫玻璃等。泡沫塑料种类繁多，主要有聚氨酯泡沫塑料，脲醛泡沫塑料，酚醛泡沫塑料等，这些泡沫塑料大多为闭孔型，主要用于保温绝热，只有少量开孔型泡沫塑料可用于吸声，如脲醛泡沫塑料，软质聚氨酯泡沫塑料。其优点是价格较低，不易老化。但其具有不防火，燃点低，吸水性强，强度低，且容易对环境造成污染等缺点。泡沫玻璃是以玻璃粉为原料，加入发泡剂以及其他外掺剂经高温焙烧而成。其优点是质量轻，不易燃，不易老化，无气味等，其缺点是强度较低，吸声系数较低[8-9]。

2.1.3 颗粒吸声材料

颗粒状原料如珍珠岩，蛭石，矿渣等，由于颗粒之间形成的间隙，加上一定的厚度，使其具有多孔吸声材料的性能。有膨胀珍珠岩吸声板，陶土吸声砖等产品，其优点是耐潮，防火，耐腐蚀等，其缺点是用途单一，主要用于建筑吸声材料[10]。

2.2 共振吸声材料

2.2.1 穿孔板共振吸声结构材料

在各种薄板上穿孔并在板后设置空气层，可以组成穿孔板共振吸声结构。一般胶合板，纤维水泥板以及钢板，铝板均可以作为穿孔板结构的面板原料。其缺点是声阻过小，不做处理时吸声频带较窄。穿孔铝板和穿孔钢板应用最为广泛[9]。

2.2.2 薄板共振吸声结构材料

在周边固定在框架上的金属板等后，设置适当厚度的封闭空气层，使其形成一个共振系统，在系统共振频率附近具有较大的吸声作用[11]。

针对传统吸声材料的存在的弊端，研究者们不断探索具有更优良性能的吸声材料，新型吸声材料应运而生。

3 新型吸声材料

3.1 泡沫铝及其复合结构

泡沫铝作为新型吸声材料，根据孔型结构的不同，泡沫铝材料又分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝。其中开孔泡沫铝孔与孔之间由孔棱连接，互相连通，通气性好，因此具有很好的换热散热能力、吸声能力等；闭孔泡沫铝孔与孔之间除了孔棱连接，还有孔壁连接，且孔型为近似球形的圆孔，孔隙率高、比表面积大，因此闭孔泡沫铝具有优异的力学性能、吸声性能、隔声性能和电磁屏蔽性能等。泡沫铝具有优良的吸声、隔声、电磁屏蔽性能、不燃、不易氧化、不易老化、回收再利用性强等优点，但其低频段吸声效率低，因此需要泡沫铝进行一系列处理。对于开孔泡沫铝，将其与一定厚度的铝板制成复合板，可大大提高其低频段吸声性能[12]。赵长银[13]以开孔泡沫铝为基体，向其内部孔洞填充聚氨酯材料，得到泡沫铝-聚氨酯复合材料，大大改善了开孔泡沫铝的吸声降噪性能。对于闭孔泡沫铝，由于其孔型结构，导致吸声效果不理想，因此对其进行打孔处理，并在背后填加空腔，使之形成亥姆霍兹共振结构，从而提高其吸声系数[14]，其原理如图3所示。对于闭孔泡沫铝，为了提高闭孔泡沫铝吸声性能，可采用双层闭孔泡沫铝板复合结构，该复合结构对吸声系数的提高和主吸声频段范围的扩大都是很有利的；还可以采用闭孔泡沫铝板与玻璃棉复合结构，该复合结构随着玻璃棉厚度的增加，低频吸声系数整体得到提高，但该结构由于玻璃棉存在环境污染问题，适用范围不广；也可以在闭孔泡沫铝吸声板表面覆盖软质吸声布来增强吸声性能。

图3 打孔闭孔泡沫铝共振吸声结构及通孔内壁结构Fig 3 Resonance sound absorption and through hole structure of punched closed-cell aluminum foam

3.2 纤维吸声复合材料

传统的有机纤维在中高频范围有良好的吸声性能，低频段吸声性能很差，且防火，防腐，防潮性能非常差，因此Patnaik等研究发现，将废羊毛纤维与再生聚酯纤维(RPET) 进行复合得到 RPET/废羊毛纤维复合材料，该材料具有良好的绝缘、隔热、防火、吸声、防潮性能和生物可降解性[15]。传统的无机纤维虽然具有良好的吸声性能，但是其脆性大容易断裂，受潮后吸声性能下降严重，周博等[16]研制了硅藻泥-草梗复合多孔吸声材料，该材料具有密度低，质量轻，可净化空气等优点，在中低频范围有良好的吸声效果，可使适用于电影院，房窝住宅区内等对吸声降噪要求较高的场所。余海燕[17]等设计了水泥-木梗纤维复合多孔吸声材料，该复合材料大大提高了木梗纤维材料的强度和吸声能力，并探究了影响该复合材料吸声能力的影响因素。Kucuk等[18]设计了不同比例多种纤维混合制成的非织造吸声复合材料，70%棉纤维和30%涤纶纤维混合制得的非织造复合材料在中高频段有较好的吸声系数。为了使中低频段具有较好的吸声性能，加入腈纶和聚丙烯纤维的棉/涤纶吸声复合材料。Yu等[19]利用热压法将热塑性聚氨酯与废弃涤纶纤维进行复合，使其成为机械性能优异的纤维复合材料，该材料钻孔后制成多孔板，并附上涤纶织物，使其具有良好的吸声性能。Yuxia Chen等[20]研制了丝瓜纤维复合多孔吸声材料，如图4所示，该研究使用废弃的丝瓜屑和环保的聚酯纤维为原料，制成的丝瓜纤维复合吸声材料不仅具有良好的吸声性能，还具有良好的缓冲性能和吸湿消湿性能，并且由于丝瓜废料的燃烧会造成严重的环境污染，因此该吸声材料可有效抑制环境污染。李婷婷等[21]研制了竹粉，木粉纤维-聚氨酯泡沫塑料复合多孔吸声材料，竹粉，木粉原料易获得且价格低廉，可回收无污染，经实验得出竹粉-聚氨酯复合材料在1 000 Hz左右处吸声效果较好，木粉-聚氨酯吸声材料在4000Hz左右吸声效果较好，吸声系数可达到0.87。赵心一等[22]将玉米皮纤维与聚乳酸复合制备了玉米皮纤维-聚乳酸吸声复合材料，当在该材料上添加一层3 mm的麻毡及留有两层共1cm空气层时，吸声性能最好，可达0.95。传统的金属纤维造价成本高，杨富尧等[23]以铝纤维、铝箔、铝板网为原料制备不同结构参数的铝纤维吸声复合材料，使材料在中低频段具有优异的吸声性能，并大大降低了成本。为了解决吸声材料吸声与散热不能同时兼顾的问题，王广克等[24]制备了氧化镁-聚醚醚酮复合材料，通过该材料对吸声材料进行处理。他们使用氧化镁-聚醚醚酮复合材料对玻璃棉进行处理，对玻璃棉的吸声性能基本没有影响，但大大提高了玻璃棉的散热能力。针对小空间内的消声问题，王建忠等[25]制备了厚度为2 mm的不锈钢纤维多孔材料，然后将该材料与穿孔板，金属薄板复合，改结构显著扩宽了吸声频带，提高了吸声性能。

3.3 颗粒复合吸声材料

水泥基吸声材料具有多孔结构，因此其具有优异的吸声性能，以水泥浆覆盖珍珠岩颗粒制备了含有纤维和发泡多孔结构的水泥基吸声材料[26]，其成本价格低廉，加工方法简单，属于绿色环保型吸声材料。水泥-聚苯颗粒材料以水泥作为胶凝材料，聚苯颗粒为骨料，聚丙乙烯纤维和可再分散乳胶粉为增韧材料而制成的吸声材料，被广泛应用于建筑吸声材料[27]。为了减小工业废渣造成的资源浪费和环境污染。孙朋等[28]以转炉钢渣为主要原料，掺加黏土，长石等陶瓷材料，制备了钢渣基陶瓷多孔吸声材料，该材料不仅具有优异的声学性能，并且具有优异的力学性能。李云涛等[29]以工业固废镍铁渣为基本原料，制备出镍铁渣聚合微粒吸声材料，该材料在中低频吸声性能优异，能够解决交通运输噪音污染。

3.4 多孔-共振复合吸声材料

张会萍等[30]提出亥姆霍兹共振吸声结构附加多孔吸声材料的新型吸声结构，对其进行理论分析和仿真计算后，发现该结构的吸声性能得到了显著的提高，并且拓宽了原本的吸声频带范围。龚凡等[31]建立了由穿孔板及吸声材料构成的双层阻抗复合吸声结构，由外层穿孔板，外层吸声材料，内层穿孔板及内层吸声材料组成，显著增大吸声频带范围，提高吸声性能。

3.5 高分子吸声材料

高分子材料作为新型材料适用于各行各业，其中一些高分子材料可作为性能优异的吸声材料。李栋辉[32]将石墨烯与聚氯乙烯进行复合得到石墨烯-聚氯乙烯隔声材料，以聚氨酯为发泡基体，与硅藻土进行复合制备硅藻土-聚氨酯发泡吸声材料，然后将单层吸声材料置于两层隔声材料之间，组合成层状结构材料，大大提高了吸声降噪能力。公晋芳[33]制备出硅藻土-聚丙烯复合吸声材料，该材料吸声机理为薄板振动与多孔吸声相结合，吸声性能优异，最佳吸声系数可达0.85。一般的吸声材料包括高分子吸声材料都存在吸声频段较窄的现象，赵宗煌[34]将聚苯胺，聚吡咯，八羧基酞菁铜三忠导电聚合物与石墨，环氧树脂，聚酰胺树脂，N-甲基吡咯烷酮等混合后用球磨机制成浆液，然后将其涂覆在载体上，制成尤其在低频段吸声效果好并且吸声频段宽的薄膜材料。

为了更好的了解和制备新型吸声材料，人们开始建立吸声材料模型，以下介绍了部分新型吸声材料模型以及其建立的目的。

4 新型吸声材料模型

为了更好的了解和制备新型吸声材料，人们开始建立吸声材料模型，以下介绍了部分新型吸声材料模型以及其建立的目的。

伴随着新型吸声材料的出现，吸声模型也不断涌现。吸声材料模型的研究与建立，对吸声材料的设计，应用提供了理论支持和研究基础。针对多孔性骨架为刚体的吸声材料，圆管理论模型及基于圆管理论的JCA模型得到广泛应用，本节介绍了部分基于圆管理论模型的吸声材料模型。

图4 多孔材料的构造Fig 4 Structure of the porous materials

图5 圆柱形孔示意图Fig 5 Schematic diagram of cylindrical hole

4.1 泡沫铝吸声材料模型

曹曙明等[35]采用Rayleigh-Kirchhoff圆管模型考虑粘滞损耗和热传导，建立了一个适用于泡沫铝吸声性能的理论模型，分析了两种背衬(刚性和空腔)条件下，静态流阻对泡沫铝吸声性能的影响，结果表明，通过控制静态流阻的大小，可得到最佳的吸声系数。段翠云等[36]采用多孔材料吸声Johnson-Allard模型来计算泡沫铝的吸声系数，但是该模型在声波频率超过3500Hz后，计算结果与实验数据偏差较大，因此引入修正因子e指数以扩宽模型对声波频率的适用范围，经验证，引入该修正因子后，计算结果与实验数据基本一致。

4.2 纤维吸声材料模型

沈岳等[37]采用多孔吸声材料圆管理论，以活性碳纤维内部微小通道为基础，建立了活性碳纤维材料的吸声理论模型，经对比分析发现，计算结果与实验数据基本一致。因此该模型是可行的，为设计和研发活性碳纤维吸声材料提供了理论依据。Berardi等[38]采用Delany-Bazley模型，能够最准确地预测合成纤维声阻抗和传播常数定律。他们还发现将该理论吸声模型应用于天然纤维吸声材料的预测时准确性并不高，这是因为与合成吸声纤维相比，天然吸声纤维具有更不规则的截面。

4.3 其他材料模型

刘鹏辉等[39]采用了多孔吸声材料的圆管理论模型，具体分析了孔隙率、孔径、厚度等对多孔材料吸声性能的影响，该模型的建立对实际多孔材料的设计有着非常重要的意义。陈文炯等[40]采用Zwikker & Kosten模型和Stinson模型，利用表面阻抗法和传递矩阵法研究圆柱形孔多孔金属材料与结构的声传播特性，并建立了声能吸收率与孔的尺寸和孔隙率之间的推导公式，根据该模型可得到一种较高吸声性能的多孔吸声结构。刘新金等[41]采用了多孔吸声材料的圆管理论模型，利用声波在分层介质中的传播方程，得出不同吸声材料复合而成的多孔吸声结构吸声系数的推导计算公式，着重分析了由多孔吸声材料复合而成的双层吸声结构的吸声能力与内外层材料的厚度、孔隙率、微孔半径变化之间关系，由结果表明，分层吸声结构具有优异的吸声能力，为多层吸声材料复合结构的应用和设计提供了研究基础。Duan Cuiyun等[42]采用Delany-Bazley模型和Johnson-Allard模型对高温烧结多孔陶瓷的吸声特性进行研究，结果表明，相比玻璃棉和多孔沸石，多孔陶瓷具有更好的吸声能力。

5 结 论

吸声材料具有非常广泛的应用前景，但传统吸声材料有许多缺点，比如使用寿命短，产生二次污染，性能不稳定等。新型吸声材料的出现在一定程度上弥补了传统吸声材料的不足。其中纤维吸声复合材料相较于传统纤维吸声材料，其吸声系数大大提高，很多可达到0.8以上，很大程度上弥补了传统纤维吸声材料在应用范围所受到的限制，泡沫铝及其复合结构由于其优异的性能以穿孔闭孔泡沫铝及其复合结构，开孔泡沫铝及其复合材料被应用到道路、汽车消声等各个领域。吸声材料模型主要是多孔性材料，因此刚性骨架的圆管理论模型及基于圆管理论的JCA模型得到众多学者的应用。随着如今对吸声材料的更高要求，未来吸声材料的发展必然集多种功能于一体，这类吸声材料不仅要具有优异的吸声，降噪，阻尼等性能，还必须具有隔热，阻燃，防火，耐腐蚀等一些防护功能，部分还要具有外观要求，以满足其应用领域的要求。