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,影响设备及仪錶的精度和使用寿命;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範围之内,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。鑒于此,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。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 。一般的多孔吸声材料具有高频吸声係数大、比重小等优点,但低频吸声係数低;共振吸声结构材料的低频吸声係数高,但加工性能差。虽然多孔吸声材料存在一些不足,但由于其取材範围广,加工製造工艺相对简单,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。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. 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顺性材料,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。
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製品,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、高频範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。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、质地鬆软需外加複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。其中铝纤维吸声板具有如下特点: (1) 超薄轻质,吸声性能优异。
(2) 强度高,加工及安装方便。由于全部採用铝质材料,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,且易于乾燥,乾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使用,国内奥迪、桑塔纳汽车也开始使用这种材料作为消声器芯的汽车消声器。马健敏等人对变截面不鏽钢纤维材料的吸声特性进行了较全面的实验研究,分析了材料厚度、材料容重、材料含水量及材料背后加空气层对吸声性能的影响 ;张燕等人还进一步对不鏽钢纤维加穿孔板複合结构的吸声特性进行了研究[10 ] 。
综合以上的研究发现,金属纤维材料具有如下特点:
(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。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 。 图1 泡沫铝的形貌以上各类多孔吸声材料均有优缺点和各自的适用範围,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,其适用範围也得到扩大,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。
3 多孔泡沫吸声材料的研究多孔泡沫吸声材料除了按泡沫孔的形式分为开孔型和闭孔型两种之外,还可以依据材料的物理和化学性质的不同分为:泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃、聚合物基複合泡沫等吸声材料[17～19 ] 。
3. 1 泡沫金属吸声材料泡沫金属是一种新型多孔材料,经过发泡处理在其内部形成大量的气泡,这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构,使泡沫金属把连续相金属的特性如强度大、导热性好、耐高温等与分散相气孔的特性如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等有机结合在一起;同时,泡沫金属还具有良好的电磁屏蔽性和抗腐蚀性能 。泡沫金属的研究最早始于上个世纪40 年代末期,起初由于製作工艺的限制,制约了它的发展。我国对泡沫金属的研製始于80 年代。目前泡沫金属研究得到很大发展,已经涉及到的金属包括Al 、Ni 、Cu、Mg 等,其中研究最多的是泡沫铝及其合金。
3. 1. 1 泡沫金属的製备工艺泡沫金属的製备方法有多种,大体上可分为直接法(发泡法) 和间接法两种。所谓直接法,就是利用发泡剂直接在熔融金属中发泡,或者利用化学反应产生大量气体在制品凝固时减压发泡。间接法是以高分子发泡材料为基材,採用沉积法或喷溅法使之金属化,然后加热脱出基材并烧结。除以上方法外,製备泡沫金属的方法还有渗流铸造法、粉末冶金法 、电沉积法 等。下面以泡沫铝为例,介绍三种典型的製备工艺:加拿大Cymat 铝业公司用Alcan 工艺製备泡沫铝,如图2 所示。把空气通入熔融金属中,搅拌使气泡均匀化,气泡的大小可以通过改变气流速度、喷嘴的数量和尺寸、叶轮的旋转速度来控制。金属发泡后被输送到传送带上冷却固化,经切割得到所需要的产品。熔融金属中需要加入细小的陶瓷颗粒增加其粘度,以保证空气在金属内部发泡而不逃逸。Alcan 泡沫铝的气孔直径为3～25mm ,孔隙率为80 %～98 %。(a) 空气, (b) 迴转炉, (c) 叶轮, (d) 气泡,(e) 熔融铝, (f) 隔板, (g) 固化的泡沫铝, (h) 传送带 图2 製备泡沫铝的Alcan 工艺示意图日本ShinkoWire 公司生产Alporas 泡沫铝的过程大体为:首先把Ca( ω= 1. 5 %) 加入680 ℃下的熔融铝中,在此温度下Ca 被氧化成颗粒状的CaO 和CaAl2O4 ,它们分散到熔融金属中,可以增加金属的粘度和气泡的稳定性。然后把TiH2 (ω= 1. 6 %) 粉末加入熔融金属中,TiH2 分解后产生氢气使金属发泡,经过冷却、固化、脱模,得到尺寸为2050mm×50mm ×650mm的泡沫体,最后切成所需要的形状。该方法採用固体粉末发泡剂,它在放出气体前就与金属充分混合可以更有效地控制气孔的位置和大小,所以Alporas 泡沫铝比Alcan 泡沫铝孔径小,结构更均匀。通过改变TiH2 的含量和发泡冷却条件,所得到的Alporas 泡沫铝孔径为0. 5～5mm ,孔隙率为84 %～93 %。 图3 真空渗流铸造法工艺原理 图4 铸型结构国内余欢等人研究开发了採用真空渗流法製备多孔泡沫铝合金的技术,其製造工艺如图3 所示。首先,将工业用盐破碎、筛分、烘烤,然后将所需颗粒装入铸型(铸型结构见图4) 中,铸型在540 ℃下预热2 小时左右;对真空室预抽真空,达到规定的真空度后,将铸型从保温炉内取出,置于浇注室,浇注金属液(ZL102 合金,浇注温度720 ℃) 并迅速打开连接预真空室和浇注室的阀门,铸型上端的金属液在一定的压力差下完成渗流充型。由于盐颗粒为多角形,故该法得到多角形多孔铝合金。对于直径在0. 8～1. 2mm 的颗粒材料,真空度达到0. 07MPa 时,即可铸出Φ100mm ×100mm的试件;真空度达到0. 09MPa 时,铸出了Φ100mm ×300mm的试件;对于直径在0. 5～0. 7mm 的颗粒材料,真空度达到0. 095MPa 时,铸出Φ100mm ×100mm的试件。真空渗流法有利于细孔(孔径0. 4～0. 7mm) 多孔泡沫铝的成形,解决了目前渗流法难以製备细孔多孔泡沫铝合金的难题。
3. 1. 2 泡沫金属的吸声性能及其影响因素泡沫金属中气泡的不规则性及其立体均布性产生了优良的吸声特性,与玻璃棉、石棉相比有很多优点。它是由金属骨架和气泡构成的泡沫体,为刚性结构,且加工性能好,能製成各种形式的吸声板;不吸湿且容易清洗,吸声性能不会下降;不会因受振动或风压而发生折损或尘化;能承受高温,不会着火和释放毒气。泡沫金属不仅在高频区,而且在中、低频区也具有较好的吸声性能。泡沫金属的吸声性能受很多方面因素的影响,如气孔分布的均匀程度,孔径和孔隙率的大小,泡沫材料的厚度等。以泡沫铝为例,对于不同结构尺寸的泡沫铝样品来说,在同一频段的吸声係数的变化是不规则的,有的频段是大孔径高,有的频段是小孔径高,空隙率变化之后,吸声係数在同一频段的变化也不规则。但从综合的效果来看,泡沫铝的吸声性能仍具有较强的结构敏感性,随着孔的分布均匀、孔径的减小、空隙率的增加,试样各频段的综合吸声係数均有升高的趋势,并且随着试样厚度的增加, 其吸声较好的频率範围向低频方向扩展 。国内还有人对泡沫铝的水下声吸收特性及影响因素进行了研究,发现泡沫铝同时具有较好的水声吸声性能,并且分析了孔径、孔隙率、厚度对吸声性能的影响。泡沫铝已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域,并取得了很好的效果。
3. 2 泡沫塑料吸声材料与其它的多孔吸声材料相比,泡沫塑料产品拥有良好的韧性、延展性及耐热性能,同时其吸声性能也很突出,是一种理想的隔热吸声材料。
3. 2. 1 聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料(PUF) 是一种新型系列化吸声材料,按照气孔形式不同,也分为闭孔型和开孔型两类。闭孔聚氨酯泡沫主要用于隔热保温,开孔的则用于吸声。PUF 无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀,对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性 。目前我国已开发研製并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板 。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖,防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶,安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体,具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点,适用于机电产品的隔声罩,吸声屏障,空调消声器,工厂吸声降噪,以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。
3. 2. 2 其它泡沫塑料用EPR 橡胶改性后的聚丙烯泡沫材料具有良好的吸声性能,当交联剂用量为0. 67 时,所得泡沫材料最大吸声係数达0. 94。在此基础上,借鑒微穿孔吸声理论而研製的泡沫材料微穿孔吸声体在中低频区的最大吸声係数达0. 98 以上。另外还有人在研究聚偏二氟乙烯(Poly VinyliDene Fluoride) 泡沫,这种被称作第二代智能泡沫的材料具有很好的吸声性能 。毛东兴等人对一种无纤维的聚氰胺酯泡沫的吸声性能进行了研究, 提出用Delany 模型对其声学性能进行分析,其理论计算结果与实验结果随着材料厚度的增加而越加符合,说明该泡沫材料的声学性能更接近于纤维类材料;该文还提出了一种提高低频段吸声性能的方法,即在材料表面涂敷一层薄膜,使材料的第一共振频率由原来的2000Hz 向低频偏移到1000Hz , 吸声性能向低频拓展了一个倍频程。
3. 3 泡沫玻璃吸声材料泡沫玻璃是以玻璃粉为原料,加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料, 其孔隙率可达85 %以上。按照材料内部气孔的形态可分为开孔和闭孔两种,闭孔泡沫玻璃作为隔热保温材料,开孔的作为吸声材料。表1为用驻波管法测量的不同厚度泡沫玻璃板的吸声係数 。可以看出,泡沫玻璃板厚度的增加对吸声係数影响不明显,因此一般选用20～30mm 厚的板材,可以获得比较高的性价比。开孔型泡沫玻璃耐水性能好,所吸的水能自动流出,烘乾后吸声性能变化不大。 表1 泡沫玻璃板的吸声係数 Frequency/Hz Frequency/Hz 30 60 80 120 100 0.07 0.16 0.24 0.40 200 0.16 0.58 0.57 0.54 250 0.22 0.58 0.52 0.46 400 0.50 0.50 0.50 0.48 500 0.58 0.46 0.51 0.50 800 0.59 0.48 0.42 0.52 1000 0.66 0.50 0.51 0.60 1600 0.55 0.60 0.56 0.57 泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点,非常适合于要求洁凈环境的通风和空调系统的消声。由于泡沫玻璃板强度较低,背后不宜留空腔,否则容易损坏,所以靠增加空腔来提高材料低频吸声性能的方法,其效果不佳。
3. 4 複合泡沫吸声材料席莺等人将发泡聚合物同无机吸声材料的吸声特性相结合,通过化学发泡的方法使聚合物2无机物複合体系发泡,形成了一种新型的多孔性吸声材料———PVC (聚氯乙烯)2无机物複合泡沫材料。他们将原料PVC、增塑剂、防老剂、无机物(岩棉) 、发泡剂等组分按一定的配比混合(发泡剂应事先用丙酮分散) ,将其放入模具,并在190～200 °C的温度下进行发泡,待泡沫稳定后,取出模具,冷却脱模,即得到所需的产品。聚氯乙烯/ 岩棉複合泡沫吸声性能优良(厚度为20mm时,平均吸声係数最大可达0. 63) ,较好地改善了纯聚氯乙烯泡沫塑料在低频处的吸声性能,且易加工成型。另外,它还可以通过改变配方和控制无机物粒径的方法来满足特定频率吸声的要求,可以适合不同建筑施工以及不同吸声降噪场合的要求 。进一步研究发现,在聚氯乙烯/ 岩棉複合泡沫吸声材料中加入丁腈橡胶(NBR) 后,吸声性能将发生一定的变化。随着NBR 用量的增加,高频吸声係数显着下降,而低频吸声係数有所上升。这是因为PVC 发泡材料高频吸声係数高,低频吸声係数低,而NBR 材料高频吸声係数低,低频吸声係数高,当两种材料共混时,吸声性能介于二者之间 。PVC /NBR/ 岩棉複合吸声材料综合了多孔吸声材料和共振吸声材料的优点,具有低频吸声係数高、适用频率範围宽、可加工性能好、工艺简单、成本低等优点,广泛适用于工业和民用建筑等领域。其缺点是製备过程中用到岩棉,会产生纤维粉尘污染。钱军民等人对EPR 改性PVC 泡沫材料进行了研究,分析了EPR(乙丙橡胶) 用量、发泡剂AC(偶氮二甲酰胺) 用量、泡沫材料厚度和发泡温度等因素对材料吸声性能的影响。体系中的EPR 是一种粘弹材料,具有柔性和长链大分子,性能介于固体的弹性和流体的弹性之间。当声波作用在它上时,材料的分子链段产生运动,重新构象有弛豫时间,其形变跟不上应力变化,产生滞后效应,损耗一部分能量。同时,由于粘性内摩擦的存在,将部分弹性能转变为热能,材料由此引起声能损耗,即吸声作用。EPR 的分子链段越长,使之产生运动的能量也就相应越大,吸收声波的频率也就相应越大。由于所选EPR 的分子量适中,实现了对较低频率处声音的吸收。由于以上的原因, EPR 显着改善了PVC 泡沫材料的吸声性能,并且随着EPR 用量的增大,泡沫材料低频吸声性能得到显着提高,而高频吸声性能略有下降。研究还表明,发泡剂AC 用量的增大明显改善了泡沫材料的中高频吸声性能,低频吸声性能有所降低;材料厚度的增大提高了全频段吸声性能,低频吸声性能的提高更为显着;随着发泡温度的升高,低频吸声性能提高,中高频吸声性能则有所下降 。
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结束语传统的多孔吸声材料,如有机和无机纤维材料,由于性脆易断,受潮后吸声性能下降严重等原因,适用範围受到很大的限制,因此这种纤维类吸声材料,如果继续走单一材料结构的模式,其发展将会遇到很大的困难。对于吸声金属材料,虽然其性能的确优越,但由于製作成本高,在国内还处于有待进一步发展的地位。多孔吸声材料中只有泡沫类材料的发展处于高速阶段,许多新产品新工艺不断涌现。该类材料的高孔隙率和气孔的立体均布性赋予其优良的声学性能,不仅吸声係数高,适用频带範围宽,同时还具有易加工、无污染、耐尘、耐潮湿和良好的装饰效果等特点。泡沫吸声材料的研究已经涉及到金属材料、高分子材料、无机材料和有机无机複合材料,它们各具特色和实用价值,有些泡沫材料已经投入了实际应用。作者认为,要想进一步提高泡沫材料的综合性能,我们还是应该走材料複合的发展道路,同时应该吸收结构共振吸声材料的优点,研製出新型的多功能泡沫材料。除此之外,如何降低生产成本,使生产规模化,产品优质化,也应是今后该领域的研究重点。
