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嘉峪檢測網 2018-11-15 22:54
多孔性吸聲材料的吸聲機理
多孔材料內部具有無數細微孔隙，孔隙間彼此貫通，且通過表面與外界相通，當聲波入射到材料表面時，激發其孔內部空氣的振動，使空氣與固體筋絡間產生相對運動并發生摩擦，由空氣的粘滯性在微孔內產生相應的粘滯阻力，使得振動空氣的動能不斷轉化為熱能，從而使聲能衰減。另一方面，在空氣的絕熱壓縮時，空氣與孔壁之間不斷發生熱交換，產生熱傳導效應，從而使聲能轉化為熱能而衰減。由此可見，多孔性吸聲材料必須具備以下條件：
材料內部有大量的微孔或間隙，而且空隙應盡量細小且分布均勻；
材料內部的微孔必須是向外敞開的，也就是說必須通到材料的表面，使得聲波能夠從材料表面容易地進入到材料的內部；
材料內部的微孔一般是相互連通的，而不是封閉的。
只有材料的孔隙具備以上三方面的條件，才能有效地吸收聲能。有些材料內部雖然也有許多微小氣孔，但氣孔密閉，彼此不相通，當聲波入射到材料表面時，很難進入到材料內部，它們是很好的隔熱材料，但不能作為吸聲材料。
多孔性吸聲材料一般在中高頻的吸聲系數比較大，而在低頻段的吸聲系數比較小（如圖1）。
圖1 多孔性吸聲材料吸聲性能頻譜曲線
影響多孔性吸聲材料吸收性能的因素
從多孔性吸聲材料本身的結構來說，影響其吸聲特性的主要因素有空氣流阻、孔隙率和結構因子。
1. 流阻的影響
空氣流阻反映了空氣通過多孔材料阻力的大小。它的定義為：當穩定氣流通過多孔材料時，材料兩面的靜壓差和氣流線速度之比。多孔材料流阻對吸聲性能的影響如圖2所示。低流阻材料在低頻段的吸聲系數很低，而且隨頻率的升高而逐漸提高，并有一個吸收峰。超過吸收峰后則隨頻率的升高而有起伏。高流阻材料在中高頻段的吸聲系數明顯下降，吸聲系數較低，吸聲頻率曲線比較平坦，僅低頻的吸聲系數有所提高。因此，從吸聲的觀點對于一定厚度的多孔材料，均有一個相應的最佳流阻值，過高和過低的流阻值都無法使材料獲得良好的吸聲性能。
圖2 多孔材料流阻對吸聲性能的影響
孔隙率的定義是材料內部空氣體積與材料總體積之比。多孔性吸聲材料應有較大的孔隙率，一般應在70%以上，多數達到90%左右。其實孔隙率又與材料的流阻有關，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。而且還與孔隙組織結構有關，孔隙比較通暢的材料流阻比較小，孔隙比較迂回曲折的材料流阻比較大。
多孔性吸聲材料的吸聲性能除了與本身的結構有關外，在實際使用中還受到材料厚度、容重、背后空腔以及護面層等因素的影響。
材料的厚度對其吸聲性能有關鍵性的影響。當材料較薄時，增加厚度，材料的低頻吸聲性能將有較大的提高，但對于高頻的吸聲性能影響較小。多孔性吸聲材料的第一共振頻率與材料厚度有如下的近似關系：
式中，fr 為多孔吸聲材料的第一共振頻率，Hz；c 為空氣中的聲速，m/s；D 為材料的厚度。
圖3中以紡氈為例，給出了不同厚度材料的吸聲系數曲線。上式和圖3揭示了多孔性吸聲材料吸聲性能隨材料厚度變化的基本規律：材料的厚度增加一倍， 吸聲系數的峰值向下移一個倍頻程。
圖3 多孔材料厚度對吸聲性能的影響
容重（或密度）對材料吸聲性能的影響比較復雜，對于不同的材料，容重對其吸聲性能的影響不盡相同。一般來說，對于同一種材料，在厚度一定的情況下，容重增加則材料就密實，引起流阻增大，減少空氣穿透量，造成吸聲系數下降。圖4中給出的是5cm的超細玻璃棉在不同容重條件下的吸聲系數曲線。所以，對于不同的多孔性吸聲材料，一般都存在一個最理想的容重范圍，在這個范圍內材料的吸聲性能比較好，而容重過高或過低都不利于提高材料的吸聲性能。如常用的超細玻璃棉的理想容重范圍是15~25kg/m³，巖棉的理想容重范圍在60~120kg/m³。
圖4 超細玻璃棉容重變化對吸聲系數的影響（厚度為5cm）
空腔深度對低頻的吸聲影響較大，即材料低頻的吸聲系數隨空腔深度的增大而提高，這與增加材料厚度或容重具有類似的作用。因此，當多孔材料背后留有空氣層時，與該空氣層用同樣的材料填滿的吸聲效果近似。隨著空氣層厚度的增加，吸聲系數的低頻逐漸增加，但增加到一定厚度后，效果不再繼續明顯增加，如圖5。在實際應用中，為了改善多孔材料的低頻吸聲性能，往往在材料與剛性壁面之間留有一定深度的空腔，它相當于增加材料層的厚度，也相當于增加了材料的容重，但通過留空腔安裝多孔材料的方法，要比增加材料的厚度或容重來提高低頻的吸聲性更加經濟。
圖5 背后空氣層厚度對吸聲性能的影響
當材料后背空腔深度等于1/4波長的奇數倍時，其相應的頻率可獲得最大的吸聲系數。因為離剛性壁面1/4波長處的聲壓為零，但空氣質點的振動速度最大，因此材料所起的摩擦阻尼耗損的聲能也最大，從而使材料產生最大的吸聲效果。離剛性壁面1/2波長處的聲壓最大，這時的質點振動速度為零，相應頻率材料的吸聲系數最小。圖6為材料空腔深度90mm，材料吸聲頻率特性曲線，其1/4波長相應的頻率為1000Hz左右的吸聲系數為最大。而1/2波長相應的頻率為2000Hz左右的吸聲系數為最小。
圖6 材料空腔深度為1/4波長時的吸聲特性
6. 護面層的影響
大多數多孔性吸聲材料（已加工成板狀的除外）整體強度性能差，表面疏松易受外界侵蝕，往往需要在材料表面覆蓋一層護面材料。從聲學角度考慮，由于護面層本身也具有聲學作用，因此對材料層的吸聲性能也會有一定程度的影響。
吸聲性能好的多孔性材料應要求表面具有良好的透氣性。從聲阻抗的角度來說，就是希望表面聲阻抗率接近空氣的特性阻抗。分析護面層對吸聲性能的影響，可以從材料加護面層后聲阻抗的變化來進行，一般來說，護面層往往具有一定的聲質量和聲阻，而不具有聲順。多孔性吸聲材料加上護面層以后，護面層的聲質量和聲阻就會疊加在原來的聲阻抗上。聲質量的作用會使共振頻率向低頻方向移動，這在實際問題中有時反而是有利的。聲質量所產生的慣性抗與頻率成正比，因此，它在低頻的附加聲抗很小，對吸聲系數幅值的影響可以忽略，而在高頻時使得聲抗明顯提高，從而使得吸聲系數降低。聲阻的影響往往可以忽略不計，這是因為吸聲材料層本身已有相當大的聲阻，再增加一點護面層的聲阻沒有多大實際效果。
對材料的聲阻抗已經在較佳狀態的吸聲材料，添加的護面層的聲阻抗應盡量小，以盡可能小地改變材料表面的聲阻抗。一般常用的護面層有金屬網、穿孔板、玻璃布和塑料薄膜等。對于穿孔板，其穿孔率應大于20%，最好大于25%，才能很好地保證對吸聲材料的性能影響較小。對于薄膜，應采用厚度小于0.05mm的極薄的薄膜，才能保證對高頻聲波具有比較好的穿透性，而盡量小地影響材料的吸聲性能。
在常溫條件下，溫度對多孔材料的吸聲性能沒有什么影響。在高溫或低溫條件下，因溫度變化而引起聲速的變化，從而導致聲波波長的改變，使材料的吸聲頻率特性作相對移動，其變化趨勢一般是溫度提高，吸聲性能向高頻移動；溫度降低，吸聲特性向低頻移動。如圖7所示。
圖7 溫度對多孔材料吸聲特性的影響
多孔材料在潮濕的環境下使用時，如在地下工程、游泳館以及露天等環境下使用，由于吸濕或含水，其內部孔隙被充入水分，使材料內部的孔隙減小，從而影響它的吸聲性能。圖8為玻璃棉吸水率逐漸增加對吸聲的影響，圖示曲線表明，吸水率比較小時，如5%，首先使高頻的吸聲系數降低，隨著吸水量的逐漸增加，如吸水率增加到20%及50%，吸聲系數不僅高頻降低，而且會進一步的擴大至中低頻范圍。
在濕度大的條件下使用吸聲材料時，應注意選擇具有防潮能力吸聲材料，或對材料進行防水保護。
圖8 含水對多孔材料吸聲特性的影響
來源：AnyTesting
