多孔性吸声材料的研究进展_李海涛

图 1 泡沫铝的形貌 Fig .1 M icrocosmic structure of foamed aluminum 以上 各类 多 孔吸 声材 料 均有 优 缺 点和 各 自的 适 用 范 围 , 然而随着研究工作的进一 步开展 , 各类 材料的 新产品 数 量不断增多 , 它们的一些缺点 得到克 服 , 其 适用范 围也得 到 扩大 , 其中尤以泡沫材料的发 展最为 迅速 , 开发的 种类也 相 对较多 。 本文将对泡沫吸声材料的 研究进 展情况 进行比 较 详细的介绍 。
收稿日期 :2004-02-20 ;修订日期 :2004-04-16 作者简介 :李海涛(1979-), 男 , 湖北武汉人 , 硕士研究生 , 主要从事水下吸声材料及结构研究 。
第 22 卷第 6 期
李海涛 , 等 .多孔性吸声材料的研究进展
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2 .2 多孔吸声材料的分类 多孔吸 声材料按其选材的柔顺 程度分 为柔顺 性和非柔
【Key words】 sound absorbing materials;porous materials ;foamed metal ;foamed plastics;foamed glass ;compound foamed materials
1 引 言
噪声 , 作为破坏人们工作 和生活环 境质量 的罪魁 祸首 , 不仅能够严重危害 人的 听觉 系统 , 使 人疲 倦 、耳聋 , 而 且还 会加速建筑物 、机械结构的老 化 , 影 响设备 及仪表 的精度和 使用寿命[ 1] ;在某些军事领域 , 噪声 更加被 看作是 作战双方 共同的敌人 , 它不仅降低己方 作战武器 或装备 的使用 性能 , 还会将己方暴露在 敌方的 攻击 范围 之内 , 从 而造 成重 大的 军事损失或挫败 , 例如 在潜潜 对抗 或者 潜艇 与水 面舰 艇的 对抗中 , 情况就是这样 。 鉴于 此 , 噪 声控制 一直是 各国政府 和科技工作者研究 的重要 问题 , 目 前主 要的 解决 办法 之一 就是使用吸声材料 , 这 也被看 作是 一种 有效 的被 动式 吸声 降噪方法 。
(1)超薄轻质 , 吸声性能优异 。 (2)强度高 , 加 工 及安 装 方 便 。 由 于全 部 采用 铝 质材 料 , 故可耐受气流冲击和震动 , 适用 于气流 速度较 大或震动 剧烈的场所 。 铝的柔韧性较好 , 故钻孔 、弯 曲和裁 切加工都 很容易 。 材料也不会飞散污染环境和刺激皮肤 。 (3)耐候 、耐高温 性能 良好 。 铝 纤维难 以吸 水 , 浸水后 取出水分立即流失 , 且易于干 燥 , 干 燥后吸 声性能 可以完全 恢复 。 含水结冰时材料不受损坏 , 因而对冷热环境都适 用 。 (4)不含有机粘结剂 , 可回收利用 。 既不会 形成大量的 废弃垃圾 , 也节省 了资 源 , 称得 上是 绿色 环保 型材 料 , 具有 电磁屏蔽效果和良好的导热性能 , 可用于特殊 要求的场所 。 铝质纤维吸声材 料在 国外 的使 用已 很普 遍 , 较多 使用 在音乐厅 、展览馆 、教室 、高架 公路底面 的吸声 材料 , 高速公 路或冷却塔的声屏障 , 地铁 、隧道等 地下潮 湿环境 的吸声材 料 。由于特殊的耐 侯性 能 , 特 别适 宜在 室 外露 天 使用 。 铝 质纤维吸声材料的不足之处就是 生产成 本高 。 目 前仅日本 能够生产这种铝纤 维 , 上海已 经有 了生 产铝 质纤 维吸 声材 料的企业 , 但原材 料 必须 依赖 进口 。 由 于铝 质纤 维吸 声材 料的突出优点 , 今 后其 将在我 国声 环境 的改 善和 噪声 控制 中发挥作用 。 变截面 金属纤维材料近年来已 逐渐在 国外汽 车上开始
(1)单一材料吸收高频噪声的性能优异 , 在 配合微穿 孔 板或增加空气层后 , 金属 纤维 材料 的低 频吸 声性 能 得到 明 显改善 ;
(2)抗恶劣工作环境的能力强 , 在高温 、油污 、水汽等 条 件下 , 仍可以作为理想的吸声材料 。 2 .2.4 泡沫 材料 根据泡沫 孔形式的不 同 , 可 分为开 孔 型泡沫材料和闭孔型泡沫材料[13～ 15] 。 前者的泡沫孔是相 互 连通的 , 属于吸声 泡沫 材料 , 如 吸声 泡沫 塑料 、吸 声 泡沫 玻 璃 、吸声陶 瓷 、吸 声 泡沫 混 凝土 等 。 后者 的 泡沫 孔 是 封 闭 的 , 泡沫孔之间是 互不 相通 的 , 其吸 声性 能很 差 , 属 于保 温 隔热材 料 。如聚 苯乙烯泡沫 、隔 热泡沫 玻璃 、普通 泡沫混 凝 土等 。 图 1 以泡沫铝为例给 出了开 孔和闭 孔泡沫 铝材料 的 结构示意图[ 16] 。
第DO2I2:卷10.1 413第6/6j 期 .cnki .issn1673 -2812.2材 004. 06料.04 0 科 学 与 工 程 学 报
Vol .2 2 No .6
Journal of Materials Science &Engineering
总 第 92 期 Dec .20 04
【关键词】 吸声材料 ;多孔材料 ;泡沫金属 ;泡沫塑料 ;泡沫玻璃 ;复合 泡沫材料 中图分类号 :TB34 文献标识码 :A
Developments of Porous Sound-absorbing Materials
LI Hai-tao1 , ZHU Xi1 , SHI Yong1 , DONG Peng2
【Abstract】 The importance of sound-absorbing materials has been reviewed in this paper , and their categories and performance have also been introduced simply .The detailed description for the sound-absorbing foamed materials has been given particularly , which covered the manufacture process, performance , properties, usages and progress in the research of some new types material, such as foamed metal (aluminium), foamed plastics , foamed glass and other compound foamed materials.
多孔吸声材 料具 有许 多微 小的 间隙 和连 续的 气泡 , 因 而具有一定的 通气 性 。 当 声波 入射 到多 孔材 料表 面时 , 主 要是两种机理引起 声波的 衰减 :首 先是 由于 声波 产 生的 振 动引起小孔或间隙内的空气运动 , 造 成和孔壁 的摩擦 , 紧 靠 孔壁和纤维表面的 空气受 孔壁 的影 响不 易动 起来 , 由于 摩 擦和粘滞力的作用 , 使相当一 部分声 能转化为 热能 , 从而 使 声波衰减 , 反射声 减弱 达到 吸声 的目 的 ;其次 , 小 孔 中的 空 气和孔壁与纤维之 间的热 交换 引起 的热 损失 , 也 使 声能 衰 减 。另外 , 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[ 2] 。
文章编号 :1004-793X(2004)06-0934-05
多孔性吸声材料的研究进展
李海涛1 , 朱 锡1 , 石 勇1 Nhomakorabea 董 鹏2
(1.海军工程大学船舶与海洋工程系 , 湖北 武汉 430033;2.海军驻四三八厂军代表室 , 湖北 武汉 430060)
【摘 要】 本文阐述了吸声材料在实际使用中的地位和意义 , 简单介绍了多孔吸声材料 的种类及其 性能特点 。 详 细介绍了多孔泡沫吸声材料 , 其内容涉及泡沫金属材料 的制备工 艺 、吸声性 能和影响 因素 , 以及泡 沫塑料 、泡 沫玻璃和 复合泡沫材料的特性 、用途 、研究进展和应用现状 。
所谓吸声材料 , 就是可以 把声能转 换为热 能的材 料 , 它 按吸声机理可分为多孔吸声材料和 共振吸 声结构 材料两大 类[ 1] 。 一般的多 孔吸 声材 料具 有高 频吸 声系 数大 、比 重小 等优点 , 但低频吸声系数低 ;共振吸 声结构 材料的 低频吸声 系数高 , 但加工性能差 。 虽然 多孔吸声 材料存 在一些 不足 , 但由于其取材范围广 , 加工制 造工艺相 对简单 , 并 且随着一 些新型多孔泡沫材 料的研 究成 功 , 其低 频吸 声性 能已 得到
很大提高 , 因此多 孔吸声 材料 成为 目前 应用 最广 泛 的吸 声 材料 。
2 多孔吸声材料的吸声原理及其分类
2 .1 多孔材料的吸声原理 惠更斯原理 :声源的振动引 起波动 , 波 动的传 播是由 于
介质中质点间 的相 互 作用 。 在 连续 介质 中 , 任何 一 点的 振 动 , 都将直接引 起邻 近质 点的 振动 。 声 波在 空气 中 的传 播 满足其原理 。
顺性材料[ 3 ,4] , 其中柔顺性吸声材料 主要是 通过骨 架内部摩 擦 、空气摩擦和热交换来达到 吸声的效 果 ;非柔顺 性材料主 要靠空气的粘滞性来达到吸声的功能 。
多孔吸 声材料按其选材的物理 特性和 外观主 要分为有
机纤维材料 , 无机纤维材料 , 吸声金 属材料 和泡沫 材料四大 类[ 5, 6] 。 2 .2.1 有机纤维材料 早期使用的吸声材料主要为植物 纤维制品 , 如棉 麻纤 维 、毛毡 、甘 蔗纤 维板 、木 质纤 维板 、水 泥木丝板以及稻草板等有机天然 纤维材 料 。 有机 合成纤维 材料主 要是 化 学 纤维 , 如晴 纶 棉 、涤 纶棉 等 。 这 些 材 料在 中 、高频范围内具有良好的 吸声性 能 , 但 防火 、防腐 、防潮等 性能较差 。 除此之外 , 文献[ 7] 还对 纺织类 纤维超 高频声波 的吸声性能进行了研究 , 证实 在超高频 声波场 中 , 这种纤维 材料基本上没有任何吸声作用 。 2 .2.2 无机 纤维材料 无机 纤维材料 不断问世 , 如玻璃 棉 、矿渣棉和 岩棉 等[ 8] 。 这类 材料 不仅 具有 良好 的吸 声性 能 , 而且具有质轻 、不燃 、不腐 、不 易老化 、价格 低廉等 特性 , 从而替代了天然纤 维的吸 声材 料 , 在声 学工 程中 获得 广泛 的应用 。 但无机 纤维 吸声 材料 存在 性脆 易断 、受 潮后 吸声 性能急剧下降 、质地松软需外加复杂的保护材 料等缺点 。 2 .2.3 金属吸声材料 金属吸声材料是一种新型实用工 程材料 , 于七十年 代 后期 出现 于发 达工 业国 家 。 如今 比较 典 型 的 金 属 材 料 是 铝 纤 维 吸 声 板 和 变 截 面金 属 纤 维 材 料[ 9, 10] 。 其中铝纤维吸声板具有如下特点 :