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嘉峪检测网 2018-11-15 22:54
多孔性吸声材料的吸声机理
多孔材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，激发其孔内部空气的振动，使空气与固体筋络间产生相对运动并发生摩擦，由空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞阻力，使得振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减。另一方面，在空气的绝热压缩时，空气与孔壁之间不断发生热交换，产生热传导效应，从而使声能转化为热能而衰减。由此可见，多孔性吸声材料必须具备以下条件：
材料内部有大量的微孔或间隙，而且空隙应尽量细小且分布均匀；
材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说必须通到材料的表面，使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部；
材料内部的微孔一般是相互连通的，而不是封闭的。
只有材料的孔隙具备以上三方面的条件，才能有效地吸收声能。有些材料内部虽然也有许多微小气孔，但气孔密闭，彼此不相通，当声波入射到材料表面时，很难进入到材料内部，它们是很好的隔热材料，但不能作为吸声材料。
多孔性吸声材料一般在中高频的吸声系数比较大，而在低频段的吸声系数比较小（如图1）。
图1 多孔性吸声材料吸声性能频谱曲线
影响多孔性吸声材料吸收性能的因素
从多孔性吸声材料本身的结构来说，影响其吸声特性的主要因素有空气流阻、孔隙率和结构因子。
1. 流阻的影响
空气流阻反映了空气通过多孔材料阻力的大小。它的定义为：当稳定气流通过多孔材料时，材料两面的静压差和气流线速度之比。多孔材料流阻对吸声性能的影响如图2所示。低流阻材料在低频段的吸声系数很低，而且随频率的升高而逐渐提高，并有一个吸收峰。超过吸收峰后则随频率的升高而有起伏。高流阻材料在中高频段的吸声系数明显下降，吸声系数较低，吸声频率曲线比较平坦，仅低频的吸声系数有所提高。因此，从吸声的观点对于一定厚度的多孔材料，均有一个相应的最佳流阻值，过高和过低的流阻值都无法使材料获得良好的吸声性能。
图2 多孔材料流阻对吸声性能的影响
孔隙率的定义是材料内部空气体积与材料总体积之比。多孔性吸声材料应有较大的孔隙率，一般应在70%以上，多数达到90%左右。其实孔隙率又与材料的流阻有关，具有相同孔隙率的材料，孔隙尺寸越大，流阻就越小；反之孔隙尺寸越小，流阻就越大。而且还与孔隙组织结构有关，孔隙比较通畅的材料流阻比较小，孔隙比较迂回曲折的材料流阻比较大。
多孔性吸声材料的吸声性能除了与本身的结构有关外，在实际使用中还受到材料厚度、容重、背后空腔以及护面层等因素的影响。
材料的厚度对其吸声性能有关键性的影响。当材料较薄时，增加厚度，材料的低频吸声性能将有较大的提高，但对于高频的吸声性能影响较小。多孔性吸声材料的第一共振频率与材料厚度有如下的近似关系：
式中，fr 为多孔吸声材料的第一共振频率，Hz；c 为空气中的声速，m/s；D 为材料的厚度。
图3中以纺毡为例，给出了不同厚度材料的吸声系数曲线。上式和图3揭示了多孔性吸声材料吸声性能随材料厚度变化的基本规律：材料的厚度增加一倍， 吸声系数的峰值向下移一个倍频程。
图3 多孔材料厚度对吸声性能的影响
容重（或密度）对材料吸声性能的影响比较复杂，对于不同的材料，容重对其吸声性能的影响不尽相同。一般来说，对于同一种材料，在厚度一定的情况下，容重增加则材料就密实，引起流阻增大，减少空气穿透量，造成吸声系数下降。图4中给出的是5cm的超细玻璃棉在不同容重条件下的吸声系数曲线。所以，对于不同的多孔性吸声材料，一般都存在一个最理想的容重范围，在这个范围内材料的吸声性能比较好，而容重过高或过低都不利于提高材料的吸声性能。如常用的超细玻璃棉的理想容重范围是15~25kg/m³，岩棉的理想容重范围在60~120kg/m³。
图4 超细玻璃棉容重变化对吸声系数的影响（厚度为5cm）
空腔深度对低频的吸声影响较大，即材料低频的吸声系数随空腔深度的增大而提高，这与增加材料厚度或容重具有类似的作用。因此，当多孔材料背后留有空气层时，与该空气层用同样的材料填满的吸声效果近似。随着空气层厚度的增加，吸声系数的低频逐渐增加，但增加到一定厚度后，效果不再继续明显增加，如图5。在实际应用中，为了改善多孔材料的低频吸声性能，往往在材料与刚性壁面之间留有一定深度的空腔，它相当于增加材料层的厚度，也相当于增加了材料的容重，但通过留空腔安装多孔材料的方法，要比增加材料的厚度或容重来提高低频的吸声性更加经济。
图5 背后空气层厚度对吸声性能的影响
当材料后背空腔深度等于1/4波长的奇数倍时，其相应的频率可获得最大的吸声系数。因为离刚性壁面1/4波长处的声压为零，但空气质点的振动速度最大，因此材料所起的摩擦阻尼耗损的声能也最大，从而使材料产生最大的吸声效果。离刚性壁面1/2波长处的声压最大，这时的质点振动速度为零，相应频率材料的吸声系数最小。图6为材料空腔深度90mm，材料吸声频率特性曲线，其1/4波长相应的频率为1000Hz左右的吸声系数为最大。而1/2波长相应的频率为2000Hz左右的吸声系数为最小。
图6 材料空腔深度为1/4波长时的吸声特性
6. 护面层的影响
大多数多孔性吸声材料（已加工成板状的除外）整体强度性能差，表面疏松易受外界侵蚀，往往需要在材料表面覆盖一层护面材料。从声学角度考虑，由于护面层本身也具有声学作用，因此对材料层的吸声性能也会有一定程度的影响。
吸声性能好的多孔性材料应要求表面具有良好的透气性。从声阻抗的角度来说，就是希望表面声阻抗率接近空气的特性阻抗。分析护面层对吸声性能的影响，可以从材料加护面层后声阻抗的变化来进行，一般来说，护面层往往具有一定的声质量和声阻，而不具有声顺。多孔性吸声材料加上护面层以后，护面层的声质量和声阻就会叠加在原来的声阻抗上。声质量的作用会使共振频率向低频方向移动，这在实际问题中有时反而是有利的。声质量所产生的惯性抗与频率成正比，因此，它在低频的附加声抗很小，对吸声系数幅值的影响可以忽略，而在高频时使得声抗明显提高，从而使得吸声系数降低。声阻的影响往往可以忽略不计，这是因为吸声材料层本身已有相当大的声阻，再增加一点护面层的声阻没有多大实际效果。
对材料的声阻抗已经在较佳状态的吸声材料，添加的护面层的声阻抗应尽量小，以尽可能小地改变材料表面的声阻抗。一般常用的护面层有金属网、穿孔板、玻璃布和塑料薄膜等。对于穿孔板，其穿孔率应大于20%，最好大于25%，才能很好地保证对吸声材料的性能影响较小。对于薄膜，应采用厚度小于0.05mm的极薄的薄膜，才能保证对高频声波具有比较好的穿透性，而尽量小地影响材料的吸声性能。
在常温条件下，温度对多孔材料的吸声性能没有什么影响。在高温或低温条件下，因温度变化而引起声速的变化，从而导致声波波长的改变，使材料的吸声频率特性作相对移动，其变化趋势一般是温度提高，吸声性能向高频移动；温度降低，吸声特性向低频移动。如图7所示。
图7 温度对多孔材料吸声特性的影响
多孔材料在潮湿的环境下使用时，如在地下工程、游泳馆以及露天等环境下使用，由于吸湿或含水，其内部孔隙被充入水分，使材料内部的孔隙减小，从而影响它的吸声性能。图8为玻璃棉吸水率逐渐增加对吸声的影响，图示曲线表明，吸水率比较小时，如5%，首先使高频的吸声系数降低，随着吸水量的逐渐增加，如吸水率增加到20%及50%，吸声系数不仅高频降低，而且会进一步的扩大至中低频范围。
在湿度大的条件下使用吸声材料时，应注意选择具有防潮能力吸声材料，或对材料进行防水保护。
图8 含水对多孔材料吸声特性的影响
来源：AnyTesting
