文/首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)管理工程學(xué)院 李 偉 趙芙蓉

0 引言

吸聲是聲波通過媒質(zhì)或入射到媒質(zhì)界面上時聲能的減少過程。按吸聲機理差異，吸聲體可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)兩大類。通常吸聲材料是指多孔性吸聲材料，多孔性吸聲材料具有良好吸聲性能是因為材料松軟多孔，表面富有細孔，孔孔相連，并深入材料內(nèi)層，當(dāng)聲波進入材料孔隙后，能引起孔隙中的空氣和材料的細小纖維振動，由于摩擦和黏滯阻力，將聲能變?yōu)闊崮芟摹３Ｒ姸嗫仔晕暡牧嫌胁Ａ?、礦渣棉、泡沫塑料、海草、毛氈等。

聲學(xué)材料的吸聲性能用吸聲系數(shù)α表示。不同材料或結(jié)構(gòu)具有不同的吸聲能力，完全反射聲音的材料或結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)α=0，完全被吸收而無反射的材料或結(jié)構(gòu)其吸聲系數(shù)α=1。所有材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)均在0～1，吸聲系數(shù)α越大表明吸聲能力越強，吸聲效果越好。影響多孔性材料吸聲特性的因素有很多，如材料自身的空氣流阻、孔隙率、厚度、密度及空氣流阻影響等。

本研究采用常用的玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種吸聲材料，分別對其吸聲性能進行研究。試驗中采用駐波管法測量材料的垂直入射吸聲系數(shù)。駐波管法測試便捷，不需要特殊的實驗室和大面積吸聲材料就能測出準確的數(shù)值，有利于理論研究。

1 4種材料的吸聲系數(shù)曲線

多孔性吸聲材料的吸聲系數(shù)是頻率的函數(shù)，不同聲波頻率下吸聲系數(shù)不同，玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種材料在不同厚度下吸聲系數(shù)對頻率的曲線如圖1所示。

由圖1可知，在低頻段（小于300Hz）吸聲系數(shù)一般較低，30mm厚的玻璃棉在300Hz時吸聲系數(shù)僅為0.2044，40mm厚的三聚氰胺海綿僅為0.171。隨著聲波頻率提高，吸聲系數(shù)逐漸增大，在中頻段（300～1000Hz）吸聲系數(shù)隨頻率的增長呈對數(shù)形式增長（見圖2）。以玻璃棉為例，25mm厚玻璃棉在中頻段吸聲系數(shù)從0.15增長到0.60，趨勢線為α= 0.4229ln（f）- 2.3222。高頻段以上（大于1000Hz）吸聲系數(shù)繼續(xù)增長，逐漸維持在0.90以上，甚至能穩(wěn)定在0.98左右，起伏范圍不超過0.10。可見多孔性吸聲材料對高頻聲吸收效果較好，而對低頻聲吸收效果較差。這是由于吸聲材料的孔隙尺寸與高頻聲波的波長相近所致，高頻聲波可使空隙間空氣質(zhì)點的振動速度加快，空氣與孔壁的熱交換也加快。

圖2 玻璃纖維吸聲棉中頻段吸聲系數(shù)及趨勢線

材料中具有許多相互貫通的微小孔隙是多孔性吸聲材料的構(gòu)造特點。材料的固體部分（如玻璃纖維）在空間組成的骨架稱為筋絡(luò)，筋絡(luò)使材料具有一定形狀，孔隙就存在于這些筋絡(luò)之間。纖維粗細決定材料的密度，纖維越細，材料密度就越小，孔隙率（材料內(nèi)部除去閉合孔洞外的孔洞容積占材料總體積的百分率）也就越大，吸聲效果越好。例如試驗材料中玻璃纖維吸聲棉的纖維直徑約10μm，密度約為100kg/m3，而聚酯纖維玻璃棉是由超細纖維和短纖維制成，直徑在3～5μm，材料密度降低為約10kg/m3，因此聚酯纖維玻璃棉的孔隙率比玻璃纖維吸聲棉大，同樣面密度條件下，聚酯纖維玻璃棉的吸聲效果更好。

由圖1c，1d可知，聚氨酯海綿和三聚氰胺海綿吸聲系數(shù)對頻率的曲線趨勢與玻璃棉、聚酯棉相似，高頻段吸聲系數(shù)都非常高，但二者相比，后者吸聲性能更好。40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海綿在1/3倍頻程下吸聲系數(shù)對比如圖3所示，由此可看出在160Hz以下，聚氨酯海綿吸聲系數(shù)稍大于三聚氰胺海綿，但超過這一頻率后，三聚氰胺海綿的優(yōu)勢逐漸增加，吸聲系數(shù)在中高頻段均比聚氨酯海綿要高，高出部分甚至超過0.2。由此可見三聚氰胺海綿是優(yōu)異的中高頻吸聲體，原因在于三聚氰胺海綿具有充分開孔的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)格長徑比L/D=10～20，使聲波能進入泡沫體深層并轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格的振動能被消耗和吸收，且快速有效地消除反射波。

圖3 40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海綿1/3倍頻程吸聲系數(shù)

厚度接近時4種材料的吸聲系數(shù)對比如圖4所示，由圖可見玻璃棉的吸聲系數(shù)最好，其次是三聚氰胺海綿。但在建筑聲學(xué)設(shè)計過程中，吸聲材料面密度才是衡量其用料經(jīng)濟程度的直接指標(biāo)，當(dāng)吸聲系數(shù)確定時，吸聲板面密度越小，說明越節(jié)約材料。4種材料在一定厚度下的面密度如表1所示，4種材料在這些面密度時的吸聲系數(shù)如圖5所示?？梢钥闯?，三聚氰胺海綿面密度為0.47kg/m2，吸聲系數(shù)最大，對中頻段也有很好的吸聲效果。為達到同樣的吸聲效果，聚氨酯海綿需100mm的厚度才行。玻璃棉面密度最大，吸聲效果卻不及其他3種材料。

圖4 厚度接近時材料的吸聲系數(shù)對比

表1 4種吸聲材料的面密度比較

圖5 面密度接近時材料的吸聲系數(shù)對比

2 材料厚度對吸聲系數(shù)的影響

吸聲材料的吸聲頻率特性也與其厚度有關(guān)，且不同材料的厚度變化對吸聲系數(shù)的影響基本相同。以聚氨酯海綿為例，如圖6所示，隨著材料增厚，吸聲頻率特性將向低頻方向移動，一定范圍內(nèi)，厚度增加1倍，中低頻段吸聲系數(shù)要增加50%，例如從40mm增厚到70mm，吸聲系數(shù)增加0.3～0.4，同時向低頻段拓展了1個倍頻程，即增加材料厚度可提高中低頻吸聲效果。對高頻段，吸聲系數(shù)增加量為0.1～0.2，但在材料厚度繼續(xù)增加時，吸聲系數(shù)不再增加，即這種情況對高頻聲并無多大作用，因為高頻聲在材料表面就已被吸收。根據(jù)這一特性，在吸聲及消聲設(shè)計中，需考慮對低頻的吸聲或消聲要求確定材料厚度。若是噪聲聲波頻率高，則材料厚度可填的薄些，反之噪聲頻率低則要填厚一些。

3 材料含水率對吸聲系數(shù)的影響

多孔性材料吸濕或吸水也會影響其吸聲性能。以玻璃纖維吸聲棉為例，如圖7所示，含水率對吸濕性材料的吸聲系數(shù)有較大影響。當(dāng)含水率為重量的5%時，對吸聲系數(shù)影響不大，曲線基本與不含水時的吸聲系數(shù)一致；當(dāng)含水率增大到20%時，低頻段吸聲系數(shù)將有所升高，中高頻的吸聲系數(shù)將降低并伴有上下波動；當(dāng)含水率增大到50%時，材料基本失去對高頻聲的吸收能力，中低頻段的吸聲系數(shù)會下降到0.5以下。這是由于多孔性材料在吸濕后，材料孔隙率減低，時間久了還會使材料變質(zhì)，從而影響其聲學(xué)性能。因此玻璃纖維材料不適合在高濕條件下直接使用。

圖6 聚氨酯海綿1/3倍頻程吸聲系數(shù)變化趨勢

圖7 玻璃纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數(shù)

聚酯纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數(shù)變化如圖8所示，吸水的情況對聚酯纖維吸聲棉吸聲系數(shù)有一定影響，含水率會造成高頻段材料吸聲系數(shù)不穩(wěn)定，隨著含水率增大，波動會更明顯，相比干燥條件下吸聲系數(shù)會下降0.1左右，但從整體吸聲系數(shù)而言，影響較小。聚氨酯海綿和三聚氰胺海綿的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也使材料易吸濕并表現(xiàn)出親水性，長期放置于潮濕空氣中將表現(xiàn)出吸濕性，影響吸聲降噪效果，工藝上通過對材料進行改進，而使材料變成憎水性質(zhì)，例如可將三聚氰胺泡沫浸入0.2%左右的某種聚硅醚乳液中，并通過干燥和230℃高溫退火后可將親水性的泡沫改性為憎水性同時降低游離甲醛含量。

圖8 聚酯纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數(shù)

4 結(jié)語

本研究利用駐波管測量技術(shù)，針對玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種多孔性吸聲材料的吸聲系數(shù)分別進行測量，并探討厚度及含水率對材料吸聲性能的影響。通過試驗得出以下結(jié)論。

1）4種吸聲材料均具有較高的中高頻吸聲系數(shù)，同為質(zhì)輕多孔的吸聲材料，吸聲系數(shù)有所區(qū)別，源于材料不同的面密度。三聚氰胺海綿面密度最小，玻璃纖維吸聲棉面密度最大，但三聚氰胺海綿的吸聲系數(shù)最高，是優(yōu)異的中高頻吸聲體。

2）多孔性吸聲材料吸聲系數(shù)隨聲音頻率的升高而增加，在高頻段趨近穩(wěn)定。一般低頻段吸聲系數(shù)較小，中頻段呈對數(shù)增長，高頻段吸聲系數(shù)能達0.8以上，因此多孔性吸聲材料對中高頻具有很好的吸聲性能。

3）厚度的增加會引起材料吸聲系數(shù)的增加，一定范圍內(nèi)，厚度增加1倍，材料中低頻段吸聲系數(shù)要增加50%，即增加材料的厚度可提高中低頻吸聲效果，高頻段增加0.1～0.2；厚度繼續(xù)增加時，吸聲系數(shù)不再增加。因此要依據(jù)對低頻的吸聲或消聲要求確定材料厚度。

4）含水率對吸濕性材料吸聲性能的影響較大，會造成吸聲系數(shù)的波動及減小，含水率達到50%時，吸聲系數(shù)下降至0.5以下，失去大部分吸聲性能；對耐濕性材料而言，含水率影響較小。

5）4種材料中三聚氰胺海綿具有良好的吸聲性能，特別是中高頻的吸聲系數(shù)明顯高于玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉及聚氨酯海綿。