多孔吸声材料的发展论文

多孔吸声材料的发展
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摘要: 在我们现在的社会，随着现代工业和交通运输事业的发展, 环境污染也随着产生, 噪声污染是当今世界污染的三大问题之一, 噪声不仅危害人的听觉系统, 使人疲倦、耳聋, 而且还会加速建筑物和机械结构的老化, 影响设备及仪表的精度和使用寿命。

因此吸声降噪逐渐演变成为一个有关高科技、环境以及人类协调发展急需解决的重要课题, 而吸声降噪新材料的结构、声学特性及其应用是一个涉及多学科交叉的重要课题。

关键词:吸声材料; 多孔材料; 吸声结构
1 吸声材料的历史
人类在很早就意识到织物可以有效地阻挡声音，因此从史前到埃及甚至到罗马时期人们一直使用织物和芦苇杆，干草等作为吸声材料来消除回音和抵挡噪音，使人感到更加舒适。

这些材料从本质上来讲都是有机纤维材料，它们之间的微小缝隙使它们成为了天然的吸声材料，直到如今有机纤维吸声材料仍在发挥着它们的作用。

在古代许多国家和民族对声学的研究颇有建树，也积累了大量经验但是对吸声材料的研究始终有限。

对吸声材料的科学研究是与室内声学设计理论紧密相联系的。

终于1898年W.C.赛宾创立了混响理论，并指出了吸声对于房间混响具有决定性的作用，吸声材料的发展进入了新的纪元。

1910年到1915年,他与公司合作,先是开发了一种多孔的陶制品,后来是一种多孔的砖,使用于纽约的圣托马斯教堂和河畔教堂。

为了“最大限度地使风琴的声音柔软和丰富”,他建议在音乐室中用1寸厚的毡子和隔开1/4寸距离的丝板；为吸收低频,他建议用极薄的木板内包1寸厚的空间。

可以说他为现代的室内声学研究奠定了基础。

我国的声学在1929年起步，马大猷教授在1957年创立声学研究室后我国的声学研究有了实质性的发展。

在马大猷教授带领下我国提出了微穿孔吸声体理论，研制了小孔消声器，有效地降低气流噪声。

并建立了气流噪声的压力定律。

为我国声学发展奠定了坚实的基础。

50年代人们开始研究声音心理学。

从1951的哈斯效应，60年代末的双耳听闻
效应到70年代提出的明晰度、双耳关联系数IACC等概念与指标，这些理论为精确布置吸声材料提供了可靠的理论支持。

这个时期吸声材料的研究开始深入细致。

吸声材料的研究还涉及到除声性能外的其它性质。

如材料的力学、热学和光学性质,材料的防潮、耐火、维护、施工和艺术效果等因素,对吸声材料的选择与安装位置也逐渐精确化。

在剧院设计中，观众也被作为一个大吸声体进行了详细的研究。

根据疏松多孔的材料对声音的这种特性，人们制造出了吸声材料，即多孔吸声材料，多孔材料是当前应用最为广泛的吸声材料，它的类型包括无机与有机纤维状多孔吸声材料、泡沫状多孔吸声材料、颗粒状多孔吸声材料等。

随着声学、技术的发展、创新，声学工作者的潜心研究以及市场的开发，还会有新的多孔吸声材料问世。

目前，多孔吸声材料在会议厅、音乐厅、大礼堂、等对声音要求较高的建筑上，应用的很广泛。

2 多孔吸声材料原理
所谓多孔吸声材料，就是这类材料是由固体筋络和微孔或间隙所组成。

多孔吸声材料内部具有大量互相连通的微孔或间隙, 而且孔隙细小且在材料内部均匀分布，向外开敞病深入材料的内部。

其吸声机理是当声波入射到材料表面时, 一部分在材料表面反射,另一部分则透人到材料内部向前传播,在传播过程中，引起孔隙中的空气运动,与形成孔壁的固体孔筋或孔壁发生摩擦,由于粘滞性和热传导效应,将声能转变为热能耗散掉。

声波在刚性壁面反射后,经过材料回到表面时，一部分声波透射到空气中, 一部分又反射回材料内部, 声波通过这种反复传播,使能量不断转换耗散,如此反复,直到平衡,由此使材料吸收部分声能。

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。

这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。

3 多孔吸声材料的分类
多孔吸声材料的的吸声效果较好，是应用最普遍的吸声材料，最初这类材料以麻、棉等有机材料为主，现在则以玻璃棉、岩棉为主。

3.1 纤维材料
纤维材料按其选材的物理特性和外观主要分为有机纤维吸声材料、无机纤维吸声材料
3. 1.1 有机纤维材料
传统的有机纤维吸声材料在中、高频范围具有良好的吸声性能，大概分为动物纤维和植物纤维。

动物纤维材料主要有毛毡和纯毛地毯，其特点的吸声性能好，装修效果华丽，但价格较贵，很少使用。

植物纤维材料, 如甘蔗纤维板、木质纤维板、水泥木丝板等有机天然纤维材料, 以及丙烯腈纤维、聚酯纤维、三聚氰胺等化学纤维材料, 但这类材料的防火、防腐、防潮等性能较差, 应用时受环境条件的制约。

3.1.2 无机纤维材料
无机纤维材料主要有岩棉、玻璃棉、矿渣棉以及硅酸铝纤维棉等, 由于具有吸声性能好、质轻、不蛀、不腐、不燃、不老化等特点,从而逐渐替代了传统的天然纤维吸声材料, 在声学工程中得到了广泛应用。

但是由于纤维性脆, 易于折断, 产生的纤维粉末会在空中飞扬, 形成的粉尘会刺痒皮肤, 污染环境, 影响呼吸, 这是它在应用中的缺点。

过去的玻璃纤维和天然纤维与合成有机纤维相比不易老化的特性曾经是玻纤材料性能的一个优点, 但是从环境保护的角度来看, 材料的不易降解使其最终会成为固体废弃物, 对环境造成二次污染.
3.2 泡沫材料
泡沫材料主要有泡米塑料、聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃和加气混凝土等。

根据泡沫材料孔形式的不同, 可分为闭孔、开孔和半开孔。

微孔间互相封闭的称为闭孔型泡沫材料, 互相连通的称为开孔型泡沫材料, 既有连通又有封闭的为半开孔型泡沫材料。

3.2.1 闭孔泡沫材料
闭孔结构的泡沫金属材料,以闭孔泡沫铝为代表, 闭孔泡沫铝的吸声系数比较低, 是由于声波很难到达孔隙内部, 与其内部相互作用, 仅有一些裂缝和微孔, 本身并不能作良好的吸声材料。

3.2.2 半开孔泡沫材料
半开孔泡沫铝, 可以通过高压渗流制备, 在其制备过程中, 通过控制制备参数, 来达到预计的孔连接性。

3.2.3 开孔泡沫材料
可以通过控制颗粒的形状尺寸, 来控制孔隙率和孔形状, 能够制高孔率材料, 由于开孔泡沫材料具有复杂的渠道结构以及表面粗糙的内部空隙, 导致其具有较高流阻, 所以开孔泡沫铝的整体吸声性能要比闭孔的好的多。

3.3 颗粒材料
颗粒材料主要分为砌块和板材。

砌块主要有矿渣吸声砖、膨胀珍珠岩吸声砖、陶土吸声砖，多用于砌筑截面较大的消声器。

板材主要有膨胀珍珠岩吸声装饰板，其质轻、不燃、保温、隔热、强度偏低。

但颗粒材料吸声效果相对较差，所以一般用于对防潮防火要求较高的场合。

3.4 金属材料
以金属粉末为原材料生产的多孔性吸声材料是近年出现的新型吸声材料，比如日本生产的卡罗姆金属吸声板。

它的优点是具有金属的强度，用简单的工具就可以进行折弯、切割等，同时，还有防火、耐腐蚀、不易损坏、便于安装施工等。

但是这类材料大多较薄，需要借助于背后的空腔。

4 未来展望
如今在研究了吸声材料的表面形状与吸声系数的关系后，人们发明了楔形的多孔吸声材料，它可以改善一定波段的声吸收和透射损失。

而纤维吸声材料因为廉价又开始展现出其强大的生命力，颗粒型的吸声材料也开始在特殊环境下发挥着他的耐用优势。

为了代替危害健康的矿物纤维吸声材料，德国首先研制出了微穿孔板，一种绿色高效的共振吸声结构，微穿孔板及结构作为无纤维粉尘污染的一种有效吸声材料在室内建筑与工业界的噪声控制中，特别是在高温、高声强极端恶劣环境或高度清洁要求的特殊环境中有着广泛的应用前景，所以也将是今后会得到继续发展的研究方向，特别是扩展吸声频宽及低频噪声的研究、利用不同材质或微穿孔的衍生结构-柔性管束穿孔板吸声结构、以及发展微穿孔板及结构在不同环境比
如高温、高声强等环境下的应用，有着广泛的应用前景。

随着社会进步，人们对声环境质量的要求越来越高，单一的吸声材料已经不能满足环保及高效吸声等要求，吸声材料的应用将愈加广泛，使用量也将逐年增加，在工业固体废弃物中，应当加强高炉渣、粉煤灰、煤矸石等大宗固体废弃物制备吸声材料的研究，进一步探索以钢渣、尾矿粉、建筑垃圾等为原料制备吸声材料的可能性，从而实现吸声材料的低成本制备和工业化应用。

在未来“环保”型和“安全”型声学材料将会是发展重点。

生态环保和可持续发展是新世纪建筑更新换代的侧重点，更是21世纪全球研究的主课题。

生产对人体无害、能循环利用、高效的吸声材料，具有良好的应用前景。

同时，也应注重产品的美学设计，使吸声材料既具有实用性，又具有观赏性。