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關于阻性吸聲材料
作者:管理員    發布于:2019-05-05 16:05:04    文字:【】【】【

關于阻性吸聲材料

顧名思義,多孔性吸聲材料就是有很多孔的材料,其主要構造特征是材料從表面到內部均有相互連通的孔,是目前應用最廣泛的吸聲材料。最初的多孔吸聲材料是以麻、棉、棕絲、毛發、甘蔗渣等天然動植物纖維為主,目前則以超細玻璃棉、礦棉、泡沫及顆粒材料為主。



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:

 

1.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;

2.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;

3.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)。

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。

2  多孔材料流阻對吸聲性能的影響

 

2. 空隙率的影響

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。

 

3. 材料厚度的影響

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。

 

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。

3 多孔材料厚度對吸聲性能的影響

 

4.材料容重的影響

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。

4 超細玻璃棉容重變化對吸聲系數的影響(厚度為5cm)

 

 

5.背后空腔的影響

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。

 

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。

 

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。

 

7. 溫度和濕度的影響

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。

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。

8 含水對多孔材料吸聲特性的影響

 

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