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关于阻性吸声材料
作者:管理员    发布于:2019-05-05 16:05:04    文字:【】【】【

关于阻性吸声材料

顾名思义,多孔性吸声材料就是有很多孔的材料,其主要构造特征是材料从表面到内部均有相互连通的孔,是目前应用最广泛的吸声材料。最初的多孔吸声材料是以麻、棉、棕丝、毛发、甘蔗渣等天然动植物纤维为主,目前则以超细玻璃棉、矿棉、泡沫及颗粒材料为主。



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:

 

1.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;

2.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;

3.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)。

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。

2  多孔材料流阻对吸声性能的影响

 

2. 空隙率的影响

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。

 

3. 材料厚度的影响

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。

 

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。

3 多孔材料厚度对吸声性能的影响

 

4.材料容重的影响

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。

4 超细玻璃棉容重变化对吸声系数的影响(厚度为5cm)

 

 

5.背后空腔的影响

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。

 

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。

 

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。

 

7. 温度和湿度的影响

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。

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。

8 含水对多孔材料吸声特性的影响

 

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