1、材料成型前沿探讨1多孔吸声材料的展望课程名称：材料成型趋势前沿探讨 姓名:王勇 班级 ：08302031 学号：08430220摘要: 本文结合吸声材料的吸声原理和实际应用,通过生活常识性的举例来进一步的阐述，多空吸声材料的原理及优越性。 在简单介绍目前研究的两类主要吸声材料的基础上, 重点介绍了多孔材料的吸声性能及其影响因素。多孔吸声材料具有吸声系数高、吸声频带宽等优点，结合工程实际，研究多孔材料孔隙率、孔径、厚度以及结构因子对多孔材料吸声性能的影响，对实际的设计有一定参考价值 1。也最后对吸声材料的发展趋势作了展望。关键词: 吸声材料; 多孔材料; 泡沫材料；吸声系数Prospect of
2、 Porous Absorption MaterialsAbstract:：This paper represents sound absorption theory and practical application of acoustic mater ials, and also briefly intr oduced the current study of the major types of acoustic materials It focuses on the acoustic propert ies of porous materials and the impact fact
3、ors. Porous sound-absorbing materials are widely used because of its high sound absorption coefficient and wide absorption frequency range. The influence of porosity, diameter of holes, thickness and structure of the material on its sound-absorbing property is analyzed. This work provides a referenc
4、e for the development of new sound-absorbing material. Finally, a prospect for the development of the acoustic materials 材料成型前沿探讨2are made.Key words:：acoustic material; porous material; foamed material；absorption coefficient目 录1 引言 32 吸声及多孔吸声材料原理 32.1吸声材料的原理 42.2多孔吸声材料的结构及机理 43 多孔吸声材料的分类 43.1 纤维结构吸声
5、材料 53.1.1 纤维吸声结构材料的分类53.2 泡沫结构吸声材料53.2.1 泡沫吸声结构的原理63.2.2 泡沫吸声结构的分类64 影响多孔吸声材料的因素74.1 空气阻流的影响74.2 空隙率的影响84.3 孔径的影响84.4 厚度的影响94.5 背后空腔的影响105 复合型吸声材料105.1 梯度孔径通孔多孔铝合金.105.2 穿孔板背面紧贴吸声薄层的结构10材料成型前沿探讨35.3 双层的电解多孔铁镍薄板复合结构 .106 其他的研究结果及未来展望106.1 其他研究结果106.2 未来展望107 参考文献111 引言在我们现在的社会，随着现代工业和交通运输事业的发展, 环境污染也
6、随着产生, 噪声污染是当今世界污染的三大问题之一, 噪声不仅危害人的听觉系统, 使人疲倦、耳聋, 而且还会加速建筑物和机械结构的老化, 影响设备及仪表的精度和使用寿命 2 。因此吸声降噪逐渐演变成为一个有关高科技、环境以及人类协调发展急需解决的重要课题, 而吸声降噪新材料的结构、声学特性及其应用是一个涉及多学科交叉的重要课题。这样的我们就会拥有一份安静的生活。对噪声的防治措施主要是控制声源和采用吸声材料 3 。声源控制主要是通过改进设备结构, 提高加工和装配质量, 以降低声源的辐射能量; 而实际应用中最有效的噪声治理则是通过采用吸声材料来达到降噪的效果。雪后为什么很寂静，在冬天， 一场大雪过后
7、， 人们会感到窗外万籁俱寂。这是怎么回事?难道是人为的活动减少了吗?为什么在雪被人踩过后，大自然又恢复了以前的喧嚣？ 原来，刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔。当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射。由于气孔往往是内部大而口径小。所以，仅有少部分波的能量能通过出口反射回来， 而大部分的能量则被吸收掉了， 从而导致自然界声音的大部分能量均被这个表面层吸收， 故出现了万籁俱寂的场面。而雪被人踩过后，情况就大不相同了。原本新鲜蓬松的雪就会被压实， 从而减小了对声波能量的吸收。所以，自然界便又恢复了往日的喧嚣。根据疏松多孔的材料对声音的这种特性， 人们制造出了吸声材料，即材料成型前沿探讨
8、4多孔吸声材料，所谓多孔吸声材料， 顾名思义就是这类材料是由固体筋络和微孔或间隙所组成。材料从表到里都含有大量的互相贯通的微孔或间隙， 具有适当的透气性， 微孔向外敞开， 使声波易于进入微孔内。要想有更好的吸声性能，多孔吸声材料不仅孔隙率要高， 要通孔， 而且这些孔隙还应该尽可能地细小， 并且在材料内部均匀分布， 这样，材料内部的筋络总表面积大， 有利于声能吸收。多孔材料是当前应用最为广泛的吸声材料， 它的类型包括无机与有机纤维状多孔吸声材料、泡沫状多孔吸声材料、颗粒状多孔吸声材料等。随着声学、技术的发展、创新，声学工作者的潜心研究以及市场的开发，还会有新的多孔吸声材料问世。目前，多孔吸声材料
9、在会议厅、音乐厅、大礼堂、等对声音要求较高的建筑上，应用的很广泛 4。2 吸声及多孔吸声材料原理2.1吸声原理吸声材料吸声是声波通过材料的孔隙与固体骨骼相互摩擦而消耗其能量的 5。在吸声材料中，声波与固体接触，要有能量交换，主要是黏滞性与热传导作用。根据克希霍夫的研究结果，运动方程只受黏滞系数的影响，而连续性方程则只受热传导系数的影响，这种区分大大简化推导工作，根据运动方程，计入粘滞系数，很容易地求出管内的声阻抗及其吸声特性。通过微孔粘滞吸声理论模型进行一些修改，可以更精确定量地分析多孔材料孔径大小、厚度、孔隙率等参数对多孔材料吸声性能的影响。按吸声机理可以分为共振吸声结构材料和多孔吸声结构材
10、料。共振吸声结构材料, 主要结构为亥姆霍兹共鸣器式结构, 它是利用入射声波在结构内产生共振, 从而使大量能量耗逸。而由多孔材料构成的吸声材料, 能使大部分声波进入材料, 从而具有很强的吸声能力, 使进入该材料的声波在传播过程中逐渐消耗殆尽。第一种共振吸声结构, 利用了共振原理, 因而吸声的频带较窄, 而后一种多孔材料的吸声频带则比较宽 6。下面主要介绍一下多孔吸声材料。2.2 多孔吸声材料结构特性及机理材料内部具有大量互相连通的微孔或间隙, 而且孔材料成型前沿探讨5隙细小且在材料内部均匀分布。其吸声机理是当声波入射到材料表面时, 一部分在材料表面反射, 另一部分则透人到材料内部向前传播, 在传
11、播过程中, 引起孔隙中的空气运动, 与形成孔壁的固体孔筋或孔壁发生摩擦, 由于粘滞性和热传导效应, 将声能转变为热能耗散掉。声波在刚性壁面反射后, 经过材料回到表面时, 一部分声波透射到空气中, 一部分又反射回材料内部, 声波通过这种反复传播, 使能量不断转换耗散, 如此反复, 直到平衡, 由此使材料吸收部分声能 7 。目前采用的多孔吸声材料可分泡沫类吸声材料和纤维类吸声材料 8 。3 多孔吸声材料的分类3.1纤维结构多孔吸声材料纤维材料按其选材的物理特性和外观主要分为有机纤维吸声材料、无机纤维吸声材料、金属纤维吸声材料等 9。 现在的研究中, 更注重各种纤维材料在实际中的应用。3. 1.1
12、有机纤维材料传统的有机纤维吸声材料在中、高频范围具有良好的吸声性能, 如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板、水泥木丝板等有机天然纤维材料, 以及丙烯腈纤维、聚酯纤维 10 、三聚氰胺 11 等化学纤维材料, 但这类材料的防火、防腐、防潮等性能较差, 应用时受环境条件的制约。3.1.2 无机纤维材料无机纤维材料主要有岩棉、玻璃棉、矿渣棉以及硅酸铝纤维棉 12 等, 由于具有吸声性能好、质轻、不蛀、不腐、不燃、不老化等特点,从而逐渐替代了传统的天然纤维吸声材料, 在声学工程中得到了广泛应用。但是由于纤维性脆, 易于折断, 产生的纤维粉末会在空中飞扬, 形成的粉尘会刺痒皮肤, 污染环境, 影响呼
13、吸, 这是它在应用中的缺点。过去的玻璃纤维和天然纤维与合成有机纤维相比不易老化的特性曾经是玻纤材料性能的一个优点, 但是从环境保护的角度来看, 材料的不易降解使其最终会成为固体废弃物, 对环境造成二材料成型前沿探讨6次污染 13.3.1.3金属纤维材料金属纤维材料具有强度高、耐冲击、易加工、耐高温、抗恶劣工作环境的能力强等优点, 可用于高温、承载、震动等特殊的吸声场所,例如喷气式飞机的发动机消声装置 14 。较常见的有铝质纤维吸声材料、变截面金属纤维材料以及不锈钢纤维吸声材料 15 等。铝质纤维吸声材料是由两片铝网板夹住中间的铝纤维毡 16 , 利用其塑性通过压机滚压而成, 加工工艺简单, 产
14、品成本大大降低, 易于弯折成型, 甚至可做成圆筒形的空间吸声体。由于具有强度高、抗风、不燃、耐水、导水、耐热以及抗冻等优异的耐候性能, 因此十分适合于户外露天环境和地下建筑中使用。对于烧结金属纤维材料, 当存在温度梯度场作用时, 应重视温度梯度对多孔金属材料总体吸声性能的影响, 在一定条件下, 负温度梯度可以提高材料的吸声性能, 而正温度梯度可使材料吸声性能趋于降低 17。3.2 泡沫结构吸声材料泡沫吸声结构材料的分类-根据泡沫材料孔形式的不同, 可分为闭孔、开孔和半开孔3 种。微孔间互相封闭的称为闭孔型泡沫材料, 互相连通的称为开孔型泡沫材料, 既有连通又有封闭的为半开孔型泡沫材料 18 。
15、3.2.1 闭孔泡沫材料闭孔结构的泡沫金属材料,以闭孔泡沫铝为代表, 闭孔泡沫铝的吸声系数比较低, 是由于声波很难到达孔隙内部, 与其内部相互作用, 仅有一些裂缝和微孔, 本身并不能作良好的吸声材料 19,20。材料成型前沿探讨7图1 闭孔泡沫铝宏观照片 20Fig 1 Typical structure of close celled aluminum foam3.2.2 半开孔泡沫材料半开孔泡沫铝, 可以通过高压渗流制备, 在其制备过程中, 通过控制制备参数, 来达到预计的孔连接性 21。图2 半开孔泡沫铝的结构图 20Fig 2 Typical microstructure of sem
16、i open材料成型前沿探讨8aluminum f oam3.2.3 开孔泡沫材料可以通过控制颗粒的形状尺寸, 来控制孔隙率和孔形状, 能够制得孔隙率为0 9 的高孔率材料, 由于开孔泡沫材料具有复杂的渠道结构以及表面粗糙的内部空隙, 导致其具有较高流阻, 所以开孔泡沫铝的整体吸声性能要比闭孔的好的多 22。图3 开孔泡沫铝的的样品图 23Fig 3Typical structure of open celled aluminum foam4 影响多孔吸声材料的因素4.1 空气阻流的影响空气流阻定义为材料两面的静压差和气流线速度之比, 它反映了空气通过多孔材料时材料的透气性问题, 而单位材料厚
17、度的流阻称为流阻率。流阻越大, 材料的透气性就越小, 声波越不容易深入材料内部, 吸声性能会下降; 但流阻太小, 使声能转化为热能的效率又会过低。所以, 多孔材料存材料成型前沿探讨9在一个最佳的流阻值, 过高和过低的流阻值都无法使材料具有良好的吸声性能 244.2 空隙率的影响孔隙率定义为材料中孔隙体积和材料总体积的比值, 总体来说, 孔隙率越大, 泡沫金属的吸声系数越大 25 。这主要是因为孔隙度越大, 孔隙的曲折度越大, 内部通道越复杂。当声音进入后, 发生漫反射和折射, 并且孔隙中的空气随之而振动, 由于孔隙壁的摩擦以及空气粘滞阻力等而使得相当一部分声能转化为热能而被耗散 26 。图4
18、吸声系数与孔隙率的关系Fig.4 Realtionship between sound-absorption coefficient andPorsity4.3 孔径的影响对于具有相同孔隙率、孔隙形貌以及厚度的多孔材料来说, 孔径越小, 高频吸声性能越高, 低频吸声性能没有很大变化。孔径尺寸对吸声性能在高频时影响较大是因为高频时声波能量较大, 当孔隙较小时, 声波进入后, 可以与孔隙壁发生二次或多次非弹性碰撞, 再经过多次反射和折射后, 声波的材料成型前沿探讨10能量损失较多, 吸声性能较好 27图5 吸声系数与孔径的关系Fig.5 Realtionship between sound-abs
19、orption coefficient andhole siz4.4 厚度的影响这是由于在孔径和孔隙率一定的情况下，随着厚度的增大，进入孔隙的声波经过孔隙通道也就越长，受到曲折通道的阻挡次数增多，声波在孔隙发生的能量损失也越多。多孔吸声材料中，高频声波主要在材料的表面被吸收，低频声波的吸收在材料内部，随着厚度的增大，低频时吸声系数随厚度的增加而增加的趋势，而高频吸声系数有所下降 27。材料成型前沿探讨11图6 吸声系数与材料厚度的关系Fig.6 Realtionship between sound-absorption coefficient andthickness4.5 背后空腔的影响材料
20、背后加空腔, 对于闭孔的材料, 可以作为亥姆霍兹共振腔, 对于多孔材料来说, 背后加空腔, 可以提高材料的低频吸声性能 19。5 复合型吸声材料5.1 梯度孔径通孔多孔铝合金 28相同厚度下, 宽频范围内梯度孔径多孔铝合金的吸声系数波动平缓, 整体吸声性能较现有多孔铝合金( 孔径等于梯度多孔铝的平均孔径) 提高约55%; 相同孔径范围下, 随着试样厚度增加, 吸声系数曲线向低频偏移, 整体吸声性能增强。5.2 穿孔板背面紧贴吸声薄层的结构 29 当穿孔板背后紧贴吸声薄层后, 由于穿孔末端增加的附加声阻, 将会显著提高穿孔板的吸声效果, 同时拓宽吸声频带宽度。5.3双层的电解多孔铁镍薄板复合结构
21、 30 可以明显的拓宽吸声频带, 提高吸声性能, 在250 Hz 2 kH z 频率范材料成型前沿探讨12围内和等厚度的超细玻璃棉的吸声性能大致相当。6 其他的研究结果及未来展望6.1 其他研究结果( 1) 文献 31 对金属多孔材料吸声板的优化模型进行了研究, 在背后空腔添加甘油等液体的情况下, 通过调整金属多孔吸声板在液体介质中吸声的主要无量纲控制参数, 可以在特定频率范围内和不超过特定厚度的条件下, 为使吸声结构达到特定的吸声指标, 提供一个利用无量纲参数设计水下低频薄层吸声结构的模型 31 。( 2) 文献 32 对金属纤维多孔材料在高声强下的吸声性能预测进行了研究, 结合非线性流阻模
22、型和Umnov a At tenbo rough 的声学模型, 预测了金属纤维材料在高声强下的非线性吸声性能, 并与实验做了比较, 结果比较一致, 这种预测方法对在高声强下纤维吸声材料的设计和优化有一定的指导意义。6.2未来展望各类吸声材料, 各具特色和使用价值, 纤维制品的吸声性能较好, 但是在一些物理性能上比泡沫金属类的材料差 33 。作为一种有效的吸音材料, 多孔材料已广泛应用于噪声管理, 虽然木质纤维板、微穿孔板等也具有较好的降噪功能, 但其应用范围经常受到强度和刚度不够高的限制, 多孔金属降噪材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、防火、防潮、无毒、美观等良好特性 34 , 在欧美已被用
23、于大城市高架桥吸声底衬、高速公路隔声屏障、隧道壁墙、室内天花板等, 常用的木质或化学纤维虽然具有很好的空气吸声效果, 但其在水下使用时由于阻抗不匹配以及水压水温的影响而受到限制, 然而实用性多孔金属在解决阻抗匹配以及水温水压影响方面则具有不可多得的优势, 同时还避免了化学纤维的易污染性, 而在汽车、船舶以及航空飞行结构中的阻尼减震方面,多孔金属因为轻质高强的特点具有相当好的应用前景 35, 36 。然而对于金属多孔材料来说, 吸声性能有很大的选择性, 生产成本也较高, 所以如何降低生产成本, 使生产规模化, 产品优质化, 应是今后该材料成型前沿探讨13领域的研究重点。环境问题已经成为我们现在面
24、临的最严重的，就如我们平常的教室，我们总希望它能很好的隔绝噪音，而在教室里面却能有很好的音质效果。多孔泡沫金属的发明及应用将会是金属材料的一个很大的改革。7 参考文献1 段翠云, 崔光, 刘培生. J.材料导报. 第18 卷 第1 期2011年2月2 齐共金, 等 J 材料开发与应用 , 2002, 17( 5) : 40 443 李海涛, 朱锡, 石勇, 等 . 材料科学与工程学报, 2004, 22( 6) : 934 9384 N.生活现象，2009 年第3 期5 刘鹏辉， 杨宜谦, 姚京川.J. 多孔吸声材料的吸声特性研究.2010-06-176 何琳, 朱海潮, 邱小军, 杜功焕，
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