低频吸声材料的研究进展*

敖庆波，王建忠，李 烨，马 军，吴 琛

(西北有色金属研究院 金属多孔材料国家重点实验室， 西安 710016)

0 引 言

随着我国城市化进程的加快，以低频噪声为主(声波频率≤500 Hz)的城市共建和高层住宅中的各类动力设备(水泵、压缩机、中央空调(包括冷却塔)、通风设备等)噪声已成为最重要的社会生活噪声源。低频噪声源既可造成神经衰弱、失眠、头痛等各种神经官能症，又会使心脏、肺、脾、肾、肝等受到不可逆的损害。除此之外，低频噪声还会对航空航天、核潜艇、精密武器、装甲车等国防现代装备中的精密仪器产生不良影响，极大地降低装备的精度和生存能力[1-2]。因此，低频噪声已成为威胁人类身体健康和国防安全的隐形杀手。

目前，主要采用吸声材料或吸声结构进行被动降噪[3-5]。由于低频噪声波长较长，吸声材料或吸声结构与低频声波的相互作用较弱，使其低频吸声性能较差，如厚度为20 mm的梯度结构金属纤维多孔吸声材料，当声波频率为50～500 Hz时，其平均吸声系数仅为0.06[6]，即使材料厚度增加到30 mm，其平均吸声系数也仅为0.12[7]。通过调控与优化吸声结构来改善低频吸声性能也不太理想，而且吸声结构仅在共振频率处的吸声系数较高，其他频段内的吸声系数很低，近乎为0。

近年来，众多科研人员通过调控多孔材料(金属纤维/金属泡沫多孔材料、穿孔板、超材料等)的内部结构、降低共振频率等措施来提高材料的低频吸声系数，得到了一些规律性和具有指导性的研究结果，在一定厚度条件下，设计出的新型结构能够使低频处的吸声系数提高很多。本文就几种典型的吸声材料及结构的设计及低频吸声性能特点进行了介绍。

1 穿孔板复合材料

穿孔板是由薄板(如钢板、铝板、胶合板、塑料板等)按照一定的孔径和穿孔率打上孔，在其背后留下一定厚度的空腔，形成共振吸声结构。穿孔板共振吸声结构相当于由许多单个共振器并联而成，当声波垂直入射到穿孔板表面时，孔内及周围的空气随声波一起来回振动，相当于一个“活塞”，它反抗体积速度的变化，穿孔板与壁面间的空气层相当于一个“弹簧”，它阻止声压的变化。此外，由于空气在穿孔附近来回振动存在摩擦阻尼，也可以消耗声能[8]。

吸声特性：当入射声波的频率接近穿孔板复合结构固有的共振频率时，结构内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射声波的频率远离穿孔板复合结构的共振频率时，结构内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。

有关穿孔板的声学特性及性能开发的相关研究很多，且由于其不怕水和潮气、防火、清洁、无污染、耐高温、耐腐蚀、能承受高速气流冲击，且其可设计性强等优点，可广泛应用到各个噪声防护领域，但是针对低频噪声治理还存在性能不达标的问题，单独使用穿孔板是吸收不了低频噪声，很多科研人员利用穿孔板和其它材料及结构进行复合，利用穿孔板单频段吸声性能好的优点，研制出部分穿孔板复合吸声结构用于低频噪声治理：(1)通过添加空腔(20 mm)，并在微穿孔板前增加复合阻尼材料，最终得到共振频率为340 Hz处的吸声系数为0.9的微穿孔板吸声结构[9]，但是该结构在其他频率处的吸声性能很差，即吸声频带较窄。(2)在蜂窝波纹复合芯体的基础上，引入穿孔结构，形成穿孔蜂窝波纹复合芯体[10]，通过改变穿孔板孔径大小、穿孔板厚度、复合芯体厚度等参数获得超宽带低频吸声结构，声波频率为290～1 000 Hz时，吸声系数均大于0.5(图1)，其厚度大于超过20 mm。(3)研究者[11]还借鉴声学超材料的新思路，将微穿孔板结构与空间折叠型超材料相结合，设计了一种折叠式微穿孔板型元胞结构，在保持低频特性的同时，具有更宽的峰值，设计了多单元耦合的宽频吸声体，其厚度为60 mm，在550～2 500 Hz范围内其平均吸声系数高达90%以上。

图1 穿孔蜂窝波纹复合芯体示意图[10]Fig 1 Schematic of perforated honeycomb-corrugation hybrid (PHCH) metamaterial

2 金属泡沫材料

金属泡沫材料是一种在基体中分布有孔隙的多孔金属材料。泡沫金属具有高比强度和比刚度、耐高温和潮湿及无污染等优点。金属泡沫材料在中高频的吸声性能较好，在低频处的吸声性能较差。制备金属泡沫的方法有电沉积法、挂浆高温真空烧结法、粉末冶金造孔剂法等[12]，所涉及的材质分别为铜、不锈钢、铝、镍等等。

金属泡沫材料作为吸声材料，中低频(200～1 000 Hz)的吸声系数均达不到0.2[13]，通过增加背后的空腔，可以明显提高金属泡沫材料在低频处的吸声系数，如彭康[14]等人研究了通过添加空腔改善电沉积法制备的泡沫铜低频条件下的吸声性能，结果表明添加空腔可以明显提高泡沫铜低于1800 Hz的频率下的吸声系数，10 mm的泡沫铜吸声系数从0.125通过添加10 mm空腔后，吸声系数增加到0.3，添加20 mm时，吸声系数增加到0.485。

在泡沫金属材料前面添加穿孔板对提高金属泡沫吸声性能作用不大，在金属泡沫前后均添加穿孔板可以明显提高泡沫金属材料在低频处的吸声性能，但随着金属泡沫厚度的增加，提高低频吸声性能的效果越来越弱[15]。

段翠云等人[16-17]制备的孔隙率为89%，厚度为2.3 cm，平均孔径为0.57 cm的泡沫镍，5层泡沫镍加5 cm厚空腔在1 000～1 600 Hz范围内，吸声系数最高可达0.4左右，且双层泡沫镍与相同的5 cm空腔，附加穿孔薄板后的复合结构在1 000 Hz的频率处的吸声系数达0.68。

图2 泡沫镍的微观照片Fig 2 SEM images of nickel foam

3 声学超材料

超材料由于其结构的可设计性，逐渐成为声学领域的研究热点。声学超材料目前研究较多的结构：利用3D打印技术制备具有不同微孔结构的材料，金属片状结构与薄膜结构结合应用的复合材料，与穿孔板结合设计复杂通道的复合结构。

利用3D打印技术制备的孔径为190 μm的微点阵结构超材料(孔径为粘滞边界层厚度2倍)，该材料在500 Hz处的吸声系数达到0.6以上(材料厚度50 mm)[18]。北京理工大学[19]利用3D打印技术制备了由两个串联轴向耦合管组成的声学超材料，通过设计耦合管的几何参数，可以设计出频率为36 ～100 Hz范围内吸声系数大于0.8的超材料(材料厚度为20 mm)，其波长与厚度之比高达38.5倍。Alexandre Leblanc[20]等人利用3D打印技术制备了膜振动材料，膜尺寸为50 mm，中心小板质量为1.5 g(小板半径为10 mm，高度为4 mm)，其声传递损失值在180 Hz处出现最大值，约为22.5 dB，但其他频率处损失值很小。

Jun Mei 等人[21]提出声学“暗”材料，用设计的刚性平板装饰弹性薄膜，所制备的超材料在170 Hz时可以吸收86%的声波，材料厚度为28 mm。

在膜振动材料研究方面提出来磁力负刚度的解决方法，具有磁力负刚度机制的薄膜复合材料共振频率显著下降，可以用较小的背腔实现低频吸声[22]。负刚度的实现是在背腔中心加入磁铁，薄膜中心粘接轻质圆形小铁片。利用磁铁对小铁片的磁力吸附作用来减弱背腔的刚度，解决轻薄薄膜结构低频吸声差的问题。由薄膜和刚性背腔组成吸声结构，背腔深度从20 mm增加到50 mm的过程中，共振峰值从800 Hz移动到600 Hz，400 Hz，吸声系数约为0.9。

图3 磁力负刚度薄膜吸声结构Fig 3 Membrane-type absorber with magnetic negative stiffness

非对称超材料的研制，是利用降低共振带宽使吸声共振频率向低频移动。西安交通大学设计的非对称声学超材料：由四个相同大小的单元组成，每个单元有两个不同的质量块[23]，共计8个，质量块的密度从1 000～7 870 kg/m3不等。其中硅胶薄膜的厚度为0.2 mm，该结构实现了195～800 Hz的频率范围内吸声系数均在0.3～0.45范围内波动。

军械工程学院[24]利用PET薄膜、硅橡胶薄膜和金属片复合制备的镶嵌薄膜结构，其中宽为2 mm的条形薄膜上镶嵌由半径为8 mm 的半圆金属片与尺寸为18 mm×15 mm 的硅橡胶薄膜组成的结构单元，厚度为1 mm的金属片形态各异的分布在矩形薄膜上。300～850 Hz的频率范围内，吸声系数均在0.5以上。

声学超材料不仅结构可设计性强，且制备出的样品低频处的吸声性能也表现较好。但由于声学超材料的制作技术和材料本身的可加工性、使用寿命，以及批量生产的需求，使其大多限于实验研究中。

4 金属纤维多孔复合材料

金属纤维多孔材料是近年来发展起来的一类具有广阔应用前景的吸声材料，其内部纤维呈杂乱无章排列，且具有大量连通的孔隙(图4)，此独特的孔结构使其具有优异的吸声性能，可用于高温、承载、振动等特殊的吸声场所。

目前，科研人员[25-34]主要针对金属纤维多孔材料的孔隙率、厚度、纤维直径、纤维材质、空腔厚度、声压级、环境温度等因素对其吸声性能的影响规律进行了系统的研究。为了进一步提高金属纤维多孔材料的吸声性能，西北有色金属研究院设计并制备出了2种梯度孔结构金属纤维多孔材料(丝经梯度孔结构和孔隙率梯度孔结构)，并通过优化声学界面数量、排列方式使多孔材料的吸声性能获得显著提升，在声波频率为1500 ～ 6400 Hz范围内的吸声系数均大于0.90，最高可达0.998(材料厚度为75 mm)[33-37]。

图4 金属纤维束照片与金属纤维多孔材料的微观照片Fig 4 The photo of the metal fiber bundle and SEM image of metal fiber porous materials

金属纤维多孔材料是在苛刻环境下做噪声控制的优选材料，鉴于超材料的膜振动设计思路，结合金属纤维多孔材料优异的环境适应性，开发出一种金属纤维复合膜材料，研究了金属薄膜和金属纤维多孔材料的排列方式以及结构参数对复合膜材料吸声性能的影响规律。厚度为4.2 mm的金属纤维复合膜材料在500～1 000 Hz的频率范围内平均吸声系数为0.23，与穿孔板结合后的金属纤维复合膜材料在500～1 000 Hz的频率范围内平均吸声系数为0.39[38]。

5 结 论

近年来很多应用领域如航天器、大飞机、潜艇等现代装备都希望所用材料在解决低频噪声的同时，还能节约大量空间，这就是所谓限域空间的噪声控制，实现利用小尺寸结构高效调控低频声波是声学领域极具挑战和急需解决的科学难题，也是设计现代装备长期追求的目标。

很多材料虽然可设计性很强，但是在尺寸限定后就无法发挥其性能优势，应用领域对其机械加工性、使用寿命和批量生产要求严格，这使很多材料无法实现从设计、实验、验证到实际生产一个完整的工序。金属纤维多孔材料通过结合微穿孔板、金属薄膜制备的复合材料，不仅声学性能满足应用要求，其可实现从设计到生产一整套工序，由于其具有金属本身特性，其适应环境性和使用寿命均可达到要求，所以金属纤维多孔复合材料在低频噪声治理领域具有很大的发展前景。