高 潔 舒玉嬌

（陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710062）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)、建筑業(yè)和交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，各種機械設備、交通運輸工具在急劇增加，噪聲污染日益嚴重.噪聲影響人們的正常工作和休息、危害人體健康，同時也是導致發(fā)生各種事故的主要根源［1］.如今噪聲污染已成為繼水污染、空氣污染和固體廢棄物污染的第四大壞境公害，因此必須對噪聲進行控制.其中，使用吸聲材料是控制噪聲的重要途徑之一［2］.

吸聲材料按吸聲機理分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結構材料兩大類.多孔性吸聲材料是目前應用最廣泛的吸聲材料.其內部具有無數(shù)細微孔隙，孔隙間彼此聯(lián)通，且通過表面與外界相通，當聲波入射到材料表面時，激發(fā)其孔隙內部的空氣振動，使空氣和固體筋絡間產(chǎn)生相對運動并發(fā)生摩擦作用，由空氣的黏性在孔隙內產(chǎn)生相應的黏性阻力，使得振動空氣的動能不斷轉換為熱能，從而使聲能量轉換成熱能而衰減.共振吸聲結構是在聲源發(fā)出聲波的激勵下，振動的結構或物體由于自身的內摩擦和與空氣的摩擦，會把一部分振動能量轉變成熱能而消耗掉，從而降低了噪聲.共振吸聲結構主要對中、低頻噪聲有很好的吸聲性能，而多孔性吸聲材料的吸聲頻率范圍主要在中、高頻.因此在進行噪聲控制設計時，合理地將共振吸聲結構與多孔性吸聲材料相結合，可以獲得較寬頻帶的吸聲效果.大量實驗證明材料的厚度和容隙率、在材料后預留空氣層以及多層材料疊加可以提高材料的吸聲性能［3～6］.薄板、穿孔板和微穿孔板共振吸聲結構［7～8］等常見的共振吸聲結構也能提高材料的吸聲性能.但它們對材料的吸聲性能究竟有何影響則需要實驗的進一步驗證.

本文擬采用駐波管法，對5種吸聲性能表現(xiàn)一般的簡單材料進行穿孔、疊加、重構等改造設計，使這些簡單材料的吸聲性能得到改善，并尋找材料吸聲性能的改善規(guī)律，以求為實際應用中吸聲材料的優(yōu)化利用研究找到一條新思路.

2 吸聲結構的設計及改善

本文選擇幾種常見的、具有一定吸聲性能的材料進行加工、改造，研究材料改造的吸聲規(guī)律，并基于空氣層吸聲的原理設計出一種特殊的吸聲結構來進一步完善設計.選擇一些在生活中較常見的軟質材料來進行結構組合、改善設計.基礎材料共5種，分別是橡膠，泡沫，紙板，海綿1，毛氈.其中橡膠正反兩面不同，有一些凹凸不平但分布均勻的小槽，反面是光滑的.紙板表面光滑，中間有一些并聯(lián)的管道結構.

設計的方法主要有以下幾種：

（1）加空氣層.在海綿、泡沫和紙板后預留不同厚度的空氣層.首先觀察分析預留空氣層對材料吸聲系數(shù)的影響，再觀察分析預留空氣層厚度的改變對吸聲系數(shù)的影響.

（2）穿孔.在紙板、橡膠和泡沫的表面穿孔.首先觀察分析穿孔后吸聲材料吸聲性能的變化，再觀察分析孔的大小、疏密和孔穿透與否對材料吸聲性能的影響.（注：大孔直徑0.25 cm，小孔直徑0.2 cm）

（3）疊加.將紙板和橡膠、紙板和泡沫以及紙板和海綿兩層或三層疊加，觀察分析組合材料吸聲性能的改變.

（4）在材料后預留空氣層會影響多孔性吸聲材料的吸聲性能，這里設計一種空氣層放在材料中間的吸聲結構，把兩個空腔泡沫相對放在一起組成泡沫空腔，其中間有一個空氣柱.研究泡沫空腔的吸聲特性.

3 吸聲系數(shù)測試

測量吸聲系數(shù)總共有3種方法：聲波導管法、自由聲場法、混響室法.前兩者測試的聲波是垂直入射或者斜入射，后者測試的聲波是無規(guī)則入射.垂直入射聲波的測試方法又有兩種：駐波管法和傳遞函數(shù)法［9］，本文主要用駐波管法測試材料的吸聲系數(shù).

在駐波管中傳播平面波的頻率范圍內，聲波入射到管中，再從試件表面反射回來，入射波和反射波疊加后在管中形成駐波.由此形成沿駐波管長度方向聲壓極大值與極小值的交替分布.用試件的反射系數(shù)r來表示聲壓極大值與極小值，可寫成

其中p0是聲壓振幅，pmax是聲壓極大值，pmin是聲壓極小值.根據(jù)吸聲系數(shù)的定義，吸聲系數(shù)α與反射系數(shù)r的關系可寫成

因此，只要確定聲壓極大和極小的比值，即可計算出吸聲系數(shù).如果實際測得的是聲壓級的極大值和極小值，記兩者之差為L［4］.

采用JTZB吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)進行測試，該系統(tǒng)主要包括：駐波管，信號發(fā)生器，功率放大器，頻譜分析儀.其中駐波管有3類：低頻管，主要用于測試200～2 000 Hz，直徑為100 mm，長1 500 mm；中頻管主要用于測試2 500～4 000 Hz，直徑為50 mm；高頻管主要用于測試5 000～6 300 Hz，直徑為29 mm；系統(tǒng)總長3 700 mm.測試簡圖如圖1所示.

圖1 駐波管測量設備典型裝置

4 測試結果與分析

本文共進行了6類共20多組不同材料的吸聲改善優(yōu)化實驗，測得各類數(shù)據(jù)120余組.挑選7組典型數(shù)據(jù)來說明改善設計結果.

（1）材料表面穿孔對吸聲性能的影響

在紙板表面穿孔后，材料的吸聲系數(shù)前后對比結果如圖2所示.可以看到，1 250 Hz以下，紙板穿孔無論孔是否穿透，材料的吸聲系數(shù)都在減小，這說明在紙板上穿孔會破壞其中并聯(lián)的管道結構.由此可得結論：結構中增加并聯(lián)管道結構利于低頻噪聲的吸收.

（2）同種材料，改變厚度對其吸聲性能的影響

圖2 紙板穿孔時的吸聲系數(shù)

改變紙板的厚度，測試結果如圖3所示.可以看到，頻率在200～2 500 Hz內，紙板厚度增加1倍時，吸聲系數(shù)增加了0.2～0.6，增加2倍時，吸聲系數(shù)增加0.1左右，當增加3倍時，吸聲系數(shù)反而減少0.1左右；2 500 Hz以后，增加紙板的厚度，吸聲系數(shù)反而減小.可得結論一：增加材料的厚度可以增大材料在中低頻區(qū)的吸聲系數(shù).結論二：材料增加的厚度有一定限度，超過這個限度，厚度的增加會使吸聲系數(shù)減小.

圖3 紙板厚度不同時的吸聲系數(shù)

（3）在材料后預留空氣層對吸聲性能的影響

在海綿1后預留不同厚度的空氣層，測試結果如圖4所示.可以看到1 250 Hz以下，隨著預留空氣層厚度的增加，海綿1在各頻段的吸聲系數(shù)均會變大；1 250 Hz以后，空氣層厚度越大，吸聲系數(shù)反而減少.由此可得結論：預留空氣層能提高材料在低頻的吸聲系數(shù)，且空氣層厚度越大，吸聲系數(shù)提高越大.

（4）材料厚度增加及加空氣層對吸聲性能的影響

圖4 海綿1預留不同厚度空氣層的吸聲系數(shù)

給海綿加厚以及在其后預留空氣層，測試結果如圖5所示.可以看到，給海綿和紙板加厚或預留空氣層都能提高材料的吸聲系數(shù)；但在所加同種材料厚度與預留空氣層厚度相同時，加厚要比預留空氣層對吸聲系數(shù)的提高本領大，加厚能提高0.4左右，而預留空氣層平均只能提供0.2.由上面分析可得結論：加厚和預留空氣層都能提高材料的吸聲系數(shù)，但同等厚度情況下，加厚對吸聲系數(shù)的提高能力更大.

圖5 海綿1加厚與加空氣層時的吸聲系數(shù)

（5）不同材料兩層疊加時吸聲性能的變化

對紙板和海綿兩層疊加，其測試結果如圖6所示.可以看到，2 500 Hz以下，紙板和海綿疊加，將紙板放前面，組合材料在各頻段吸聲系數(shù)總的來說比海綿小，比紙板大；將海綿放在前面，組合材料在各頻段的吸聲系數(shù)要比海綿和紙板都大.其中海綿的容隙率比紙板大.可得結論：兩種材料疊加，吸聲系數(shù)大的材料放在前面，則組合材料的吸聲系數(shù)在各頻段將有所增加；吸聲系數(shù)小的放在前面，則組合材料的吸聲系數(shù)位于兩種材料之間.

圖6 紙板、海綿兩層疊加時的吸聲系數(shù)

（6）兩種材料3層疊加吸聲性能的變化

對紙板和海綿3層疊加，測試結果如圖7所示.發(fā)現(xiàn)在800 Hz之后，有海綿放在前面的兩種組合材料的曲線明顯上升，而將紙板放在前面的兩條曲線明顯下降.由此可得結論：多種材料疊加，若疊加在前面的材料容隙率較大，則在較高頻吸聲效果好；前面材料的容隙率較小，在較高頻吸聲效果較差.

圖7 紙板、海綿3層疊加時的吸聲系數(shù)

（7）設計幾種不同的吸聲結構

在橡膠表面穿孔，在橡膠后預留空氣層以及泡沫空腔的測試結果如圖8所示.看到這3幅圖在某個頻率處吸聲系數(shù)都會有一個大的起伏值，這里設計的這幾種吸聲結構與一般的共振吸聲結構類似，在材料后預留空氣層、穿孔和泡沫空腔形成共振腔，具有共振頻率，當外界噪聲達到該頻率時，吸聲系數(shù)突然增大，之后又急劇減小.因此這種結構適合對某些特殊頻段的吸聲需求.

圖8 共振結構

5 結論

本文對一些常見的、簡單的、具有一定吸聲效果的材料進行了設計改造和處理，通過對材料進行穿孔、組合疊加等不同的設計來改善材料的吸聲性能.最終對6類20多組結構進行了吸聲系數(shù)的測試，根據(jù)測試結果可得到以下結論.

（1）在吸聲材料內加中空管道結構可以增加低頻區(qū)的吸聲量.

（2）增加吸聲材料的厚度和預留空氣層都能提高材料在低頻的吸聲性能，且材料和空氣層厚度越大，吸聲性能越好，但所加厚度有一定限度.同等厚度情況下，加厚對吸聲系數(shù)的提高能力更大.

（3）多層材料疊加，容隙率大的材料放在前面，組合結構在高頻的吸聲性能好，反之，吸聲性能變差.其中材料兩層疊加時，低頻處，將容隙率大的放在前面，組合結構的吸聲性能變大，反之，吸聲性能位于兩者之間.

（4）泡沫空腔、穿孔或在材料后預留空氣層會形成共振結構，當噪聲頻率達到共振頻率時，吸聲系數(shù)在此頻率達到最大值，吸聲效果最好，適合對某些特殊頻段有吸聲要求的情況.

結果表明，對簡單材料進行重新組合和表面處理可以有效地提高材料的吸聲性能，這些結論對實際工程中吸聲材料的優(yōu)化選擇和充分利用有很好的參考意義，能有效節(jié)約成本.

1 朱從云，黃其柏.多層吸聲材料吸聲系數(shù)的理論計算.聲學技術，2008，27（1）：101～102

2 毛東興，洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程（第二版）.北京：高等教育出版社，2010

3 潘鈞.泡沫玻璃制品的吸聲效果和應用.地下工程與隧道，1993（1）：27～30

4 陳克，曾向陽，李海英.聲學測量.北京：科學出版社，2005

5 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎（第二版）.南京：南京大學出版社，2001

6 盛美萍，王敏慶，孫進才.噪聲與振動控制技術基礎（第二版）.北京：科學出版社，2007

7 馬大猷.現(xiàn)代聲學理論基礎.北京：科學出版社，2004

8 水中和，李躍，彭顯莉，等.吸聲材料構造形式對吸聲效果的影響.武漢理工大學學報，2003，25（12）：89～91

9 中華人民共和國國家計劃委員會.GBJ88－85.駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范.上海：同濟大學，1985