吸声降噪技术：4 阻性(多孔性)吸声材料的特性

本期节目开场白：吸声降噪技术第四篇-阻性(多孔性)吸声材料的特性

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。多孔性吸声材料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。

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）。

图1 多孔性吸声材料吸声性能频谱曲线

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).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 ─── 多孔吸声材料的第一共振频率，Hz；

c ─── 空气中的声速，m/s；

D ─── 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。公式(1)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

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。

图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。

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。

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，从而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，材料吸湿或含水会影响吸声特性。多孔材料由于吸湿或含水，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

(本期内容摘自《环境噪声控制工程（第二版）》第七章，高等教育出版社。)