白攀峰， 柏林元， 何 山， 高 立， 劉 璐

(1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)(浦東)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心，上海 200136)

引 言

噪聲污染目前已經(jīng)逐漸成為世界上三大主要污染源之一，并且其發(fā)展形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻。噪聲污染不單單對(duì)人們的聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)加速裝備器材的老化、降低其使用壽命、影響加工精度。降低軍用裝備的噪聲水平，不僅能夠?yàn)槭勘峁┮粋€(gè)更加舒適的工作環(huán)境，同時(shí)也能提高裝備的生存力和戰(zhàn)斗力。正因如此，吸聲降噪問(wèn)題成為了許多科技工作者熱衷的研究方向[1]。

控制聲源和采用吸聲材料是目前的處理噪聲的兩種主要措施?？刂坡曉醇磸脑搭^上降低噪聲，這種方法對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、加工裝配等方面有很高要求，不僅成本昂貴且效果有限，在實(shí)際應(yīng)用中使用得并不多。相比之下，采用吸聲材料則可以實(shí)現(xiàn)低成本高效益的效果。

通常所說(shuō)的吸聲，是指聲波在傳播過(guò)程中能量衰減的過(guò)程，衰減降低部分能量在邊界面處被吸聲消耗[2]。具體來(lái)說(shuō)是指聲波在介質(zhì)中傳播到某個(gè)邊界面時(shí)發(fā)生的能量降低的過(guò)程，其中部分能量被反射(或散射)，部分能量在邊界處被吸收消耗。被吸聲部分聲能包括在材料邊界處轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)機(jī)械能傳遞轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳?，或直接透過(guò)邊界傳到另一材質(zhì)。根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，吸聲材料能夠在噪聲的傳播過(guò)程中有效的將其吸收或反射，從而實(shí)現(xiàn)降噪效果。

1 吸聲材料分類

根據(jù)材料的吸聲機(jī)理不同通?？蓪⑽暡牧?結(jié)構(gòu))分為共振結(jié)構(gòu)吸聲材料、纖維類吸聲材料、多孔性吸聲材料以及其他類吸聲結(jié)構(gòu)材料[3]。

1.1 共振結(jié)構(gòu)吸聲材料

應(yīng)用最為廣泛的共振性吸聲材料是微穿孔板結(jié)構(gòu)，圖1為吸聲微穿孔板及其結(jié)構(gòu)圖。微穿孔板結(jié)構(gòu)最早是在20世紀(jì)60年代開始開發(fā)并應(yīng)用的，其孔徑為0.1 μm級(jí)，通過(guò)微穿孔板及其后背空腔共同組成微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于許多亥姆霍茲共振器并聯(lián)組成[4]。圖2為亥姆霍茲共振器及其機(jī)械類比示意圖。目前微觀孔板吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及吸聲性能的測(cè)試已經(jīng)形成了一套完整的體系。

圖1 吸聲微穿孔板及其結(jié)構(gòu)圖

圖2 亥姆霍茲共振器及機(jī)械類比示意圖

單純的穿孔板結(jié)構(gòu)其共振效果很強(qiáng)，如果入射波頻率與吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率一致，板內(nèi)空氣發(fā)生劇烈的振動(dòng)，通過(guò)空氣的摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗，造成聲能衰減起到吸聲效果。當(dāng)入射波頻率與共振頻率不一致時(shí)，穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲效果明顯降低。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常需要吸聲結(jié)構(gòu)在較寬頻率范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸聲性能。因此為了增強(qiáng)穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能，一般在穿孔板背后的空腔中加入其他吸聲材料。

1.2 纖維類吸聲材料

工程中常用的纖維類吸聲材料包括無(wú)機(jī)纖維、有機(jī)纖維和金屬纖維。

無(wú)機(jī)纖維材料通常指以礦物質(zhì)為基本原材料制作而成的化學(xué)纖維，品種包括玻璃棉、巖棉等。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，無(wú)機(jī)纖維材料技術(shù)在北美和歐洲等地區(qū)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)機(jī)纖維材料具備良好的絕熱性能以及優(yōu)異的吸聲隔音性能，且耐酸堿、抗老化、抗菌、阻燃能力強(qiáng)。

有機(jī)纖維材料指以天然植物纖維為原材料加工或者通過(guò)有機(jī)聚合物制作而成的纖維材料，圖3為聚酯纖維材料顯微結(jié)構(gòu)。通過(guò)天然植物纖維制作的有機(jī)纖維材料在中、高頻區(qū)域表現(xiàn)出良好的吸聲性能，然而其防火、防潮能力較差，因此其使用范圍受限。近年來(lái)，人們將紡織纖維制作成多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，在家居領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用。

圖3 聚酯纖維材料顯微結(jié)構(gòu)

相對(duì)于有機(jī)纖維材料，金屬纖維材料具有強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱耐水性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性能，因此取得了廣泛的應(yīng)用。

金屬纖維材料具有代表性的是鋁纖維吸聲板和變截面金屬纖維材料。變截面金屬纖維材料已經(jīng)在汽車消音器上開始使用。后續(xù)研究中對(duì)這種材料做了進(jìn)一步優(yōu)化，在金屬纖維材料復(fù)合微穿孔板或增加空氣層后，不僅使其低頻吸聲性能得到明顯改善，且抗惡劣工作環(huán)境如高溫、油污、水汽等條件下表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

1.3 泡沫類吸聲材料

泡沫材料主要分為泡沫塑料、泡沫玻璃和泡沫金屬。

發(fā)泡硅膠板是在玻璃基板上用粘合劑復(fù)合薄層層析硅膠而成，具有質(zhì)軟、阻燃、失效期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但制造成本較高，吸聲能力不夠理想。固化聚氨酯泡沫材料吸聲效果不穩(wěn)定，但因其具有防腐、防水、阻燃等特點(diǎn)常用于汽車座椅車門內(nèi)飾等。平靜隔音吸聲棉以橡塑添加隔音顆粒為主要材料，經(jīng)氮?dú)獍l(fā)泡并冷卻成型)，具有防火、防水、柔軟、恢復(fù)性強(qiáng)、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。該材料正面具有微型吸聲孔和異形吸聲槽，使其對(duì)噪聲具有高效過(guò)濾效果。

泡沫玻璃是一種極具裝飾潛力的無(wú)機(jī)材料，可做成多種顏色。它質(zhì)輕，不燃，強(qiáng)度高，剛度大，可加工性好，但因吸聲系數(shù)低，不耐磨，成本高而未被廣泛應(yīng)用。

泡沫金屬吸聲材料同時(shí)具備了泡沫材料與金屬材料的優(yōu)勢(shì)，不但具備了泡沫材料的多孔吸聲特性，同時(shí)具備金屬材料強(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其加工成本高，并未得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)水下吸聲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泡沫鋁吸聲材料具備很好的水聲吸聲性能。圖4為泡沫鋁材料顯微結(jié)構(gòu)。

圖4 泡沫鋁材料顯微結(jié)構(gòu)

2 吸聲機(jī)理

2.1 多孔吸聲材料的吸聲機(jī)理

多孔吸聲材料其內(nèi)部包含大量相互連通的細(xì)微孔隙，并且孔隙延伸至材料的表面與外界連接。當(dāng)聲波到達(dá)材料的外表面時(shí)，部分聲能被反射，另外部分則傳播至材料內(nèi)部。聲波在材料內(nèi)部傳播過(guò)程中，會(huì)引發(fā)孔隙內(nèi)部空氣振動(dòng)，并與孔壁相互摩擦轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。聲波在泡沫壁面發(fā)生反射又回到材料表面，一部分聲波返回到空氣中，其余部分又反射到材料內(nèi)部。聲波經(jīng)過(guò)這樣的反復(fù)傳播，能量會(huì)不斷衰減，因此表現(xiàn)出了良好的吸聲性能[5]。

2.2 共振吸聲材料(結(jié)構(gòu))的吸聲機(jī)理

共振吸聲結(jié)構(gòu)類似于很多個(gè)相互并聯(lián)的亥姆霍茲共振器共同作用。當(dāng)聲波傳播至材料表面時(shí)，材料內(nèi)部以及周邊空氣會(huì)對(duì)聲波振動(dòng)產(chǎn)生的體積、速度變化產(chǎn)生一個(gè)慣性阻抗。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的不同，該慣性阻抗反抗強(qiáng)度也有所不同，在聲波頻率與共振吸聲系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，這種慣性阻抗最強(qiáng)，對(duì)聲能的衰減也最強(qiáng)。因此，共振犧牲材料的吸聲性能很大程度上受到入射聲波頻率影響，聲波振動(dòng)頻率與共振結(jié)構(gòu)固有頻率越接近，吸聲結(jié)構(gòu)吸聲效果越好。

3 未來(lái)展望

不同的吸聲材料具有不同的性能和應(yīng)用條件，纖維材料吸聲性能好，但是與泡沫金屬相比其物理性能較差。多孔吸聲材料目前已廣泛應(yīng)用于各類降噪工程中，雖然木質(zhì)纖維板、微穿孔板等也有較好的降噪功能，但是材料的強(qiáng)度和剛度較差的缺陷嚴(yán)重的限制了其應(yīng)用范圍。泡沫金屬材料則具有高強(qiáng)度、高剛度等良好特性，然而對(duì)泡沫金屬材料來(lái)說(shuō)，吸聲性能有很大的選擇性，生產(chǎn)成本也較高。因此，如何在合理利用現(xiàn)有吸聲技術(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)新型吸聲材料是今后該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。