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吸声材料的研究与应用

吸声材料的研究与应用吸声材料的研究与应用高玲! 尚福亮（!深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室，广东深圳 !"#$%$：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 &’$$($）摘要利用吸声材料来吸声降噪是治理噪声污染的重要途径之一。阐述了共振吸声材料与多孔吸声材料吸声降噪的机理，较为详细的介绍了各种吸声材料的分类、研究与应用及性能评价，对吸声材料未来研究发展趋势加以展望。关键词吸声材料共振吸声多孔吸声收稿日期：)$$% * ") * $% 基金项目：教育部科学技术研究重点...

吸声材料的研究与应用高玲! 尚福亮（!深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室，广东深圳 !"#$%$：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 &’$$($）摘要利用吸声材料来吸声降噪是治理噪声污染的重要途径之一。阐述了共振吸声材料与多孔吸声材料吸声降噪的机理，较为详细的介绍了各种吸声材料的分类、研究与应用及性能评价，对吸声材料未来研究发展趋势加以展望。关键词吸声材料共振吸声多孔吸声收稿日期：)$$% * ") * $% 基金项目：教育部科学技术研究重点项目（$)$&+），国家基金重大国际合作子项（!$))$"%$%!(）作者简介：高玲（"+%( ,），女，硕士，实验师，从事功能材料的研究。- * ./01：2134%(5 678 9 :;8 9 <= !"#"$%&’"() *(+ ,&&$-.*)-%(/ %0 1%2(+ * *3/%43-(5 6*)"4-*$/ >/? @0=2 AB/=2 C810/=2 （!AB:=7B:= D:3 @/E?F/G?F3 ?H AI:<0/1 C8= 表面时，材料内及周围的空气随声波—起来回振动，相当于一个活塞，它反抗体积速度的变化是个惯性量。材料与壁面间的空气层相当于一个弹簧，它可以起到阻止声压变化的作用。不同频率的声波入射时，这种共振系统会产生不同的响应。当入射声波的频率接近系统的固有频率时，系统内空气的振动很强烈，声能大量损耗，即声吸收最大。相反，当入射声波的频率远离系统固有的共振频率时，系统内空气的振动很弱，因此吸声的作用很小。可见，这种共振吸声结构的吸声系数随频率而变化，最高吸声作用出现在系统的共振频率处。多孔材料内部具有大量细微孔隙，孔隙间彼此贯通，孔隙深入材料内部且通过表面与外界相通，当声 —’%— 第 "!卷第 "期 "##$ 年 " 月化工时刊 !"#$%&’( )*+,-./0 1%$#- 23( 4"!，534" 6#74" 4 """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" "##$ 万方数据波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，引起孔隙的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。同时，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失也使声能衰减。此外，声波在钢性壁面反射后，经过材料回到其表面时，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，进一步降低了部分声能［! " #］。 ! 共振吸声材料 ! $" 薄板共振吸声材料用各类薄板固定在骨架上，板后留有空腔就构成了薄板共振吸声结构。当声波入射到该结构时，薄板在声波交变压力激发下被迫振动，使板心弯曲变形，出现了板内部摩擦损耗，而将机械能变为热能。在共振频率时，消耗声能最大。共振频率 !% 的计算式如下： !% & #%% "%·# （’）式中 "% 为板材的面密度（() * +,）；-为板后空气层的厚度（.+）［/］。在同一材料中，板越厚，共振频率越低；其后的空气层越大，共振频率也越低。这类结构在剧场建筑中应用最广。在观众厅、排练厅和琴室内的胶合板护墙即为薄板共振吸声结构。共振频率一般在 #% " 0’1 23范围内。如在板后空腔内或龙骨边缘填以多孔吸声材料，可将吸声频带展宽。 ! $! 穿孔板共振吸声材料在薄板上穿孔，并离结构层一定距离安装，就形成穿孔板共振吸声结构。金属板制品，胶合板、硬质纤维板、石膏板和石棉水泥板等，在其表面开一定数量的孔，其后具有一定厚度的封闭空气层就组成了穿孔板吸声结构。它的吸声性能是和板厚、孔径、孔距、空气层的厚度以及板后所填的多孔材料的性质和位置有关。它的吸声特性是以一边的频率为中心呈 “山”形，主要是吸收中、低频的声能。穿孔板吸声结构空腔无吸声材料时，最大吸声系数约为 % $ 0 " % $ #，这时穿孔率不宜过大，以 ’4 " 1%4比较合适。穿孔率大，则吸声系数峰值下降，且吸声带宽变窄。在穿孔板吸声结构空腔内放置多孔吸声材料，可增大吸声系数，并展宽有效吸声频带，尤其当多孔材料贴近穿孔板时吸声效果最好。 ! $# 微穿孔板共振吸声材料由于穿孔板吸声结构存在吸声频带较窄的缺点，近年来国内研制出了微穿孔板吸声结构。著名声学专家马大猷教授等奠定了微穿孔板吸声结构的理论基础，给出了具体设计方法，可以设计制造各种型式的微穿孔板吸声结构［5、6］。通常，采用板厚、孔径均在 ’ ++以下，穿孔率为 ’4 " 04的薄金属板（通常用铝板）与背后空气层组成微穿孔板吸声结构。微穿孔板的孔细而密；因此比穿孔板的声阻大，而声质量小，从而在吸声系数和吸声频带方面优于穿孔板。微穿孔板结构不需在板后配置多孔吸声材料使结构大为简化，同时具有卫生、美观、耐高温等优点。当用微穿孔板作消声器时，在高速气流条件下，阻力损失较小，因此，这类材料在空调系统的消声结构中应用较广。 # 多孔吸声材料多孔材料是普遍应用的吸声材料，按其所选材料的物理特性和外观，主要分为纤维材料和泡沫材料，而纤维材料又分为无机纤维材料和有机纤维材料［’%］。 # $" 无机纤维吸声材料无机纤维吸声材料主要指岩棉、玻璃棉以及硅酸铝纤维棉等人造无机纤维材料。玻璃棉分为短棉、超细棉以及中级纤维 0 种。这类材料不仅具有良好的吸声性能而且具有质轻、不燃、不腐、不易老化等特性，在声学工程中获得广泛的应用。但由于其性脆易断，受潮后吸声性能下降严重、易对环境产生危害等原因，适用范围受到很大的限制。目前这类纤维吸声材料采用先进的加工方法，可以加工成毡状、板状等，经过防潮处理后，可以生产出稳定性好、吸湿率低、施工性能好的产品。 # $! 有机纤维吸声材料早期使用的吸声材料主要为植物纤维制品，如棉麻纤维、毛毡、甘蔗纤维板、木质纤维板以及稻草板等有机天然纤维材料。有机合成纤维材料主要是化学纤维，如晴纶棉、涤纶棉等。这些材料在中、高频范围内具有良好的吸声性能，但防火、防腐、防潮等性能较差，从而大大限制了其应用。 —!#— 化工时刊 !$$%&!"# & !"，$"%! 论文综述《&’()’*(+ ", -.(/*/(/ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 》万方数据 ! !! 泡沫吸声材料根据材料的物理化学性质的不同，泡沫吸声材料可以分为泡沫金属、泡沫塑料和泡沫玻璃吸声材料。 ! !! !" 泡沫金属吸声材料泡沫金属是一种新型多孔吸声材料，经过发泡处理在其内部形成大量的气泡，这些气泡分布在连续的金属相中构成孔隙结构，使泡沫金属把连续相金属的特性（如强度大、导热性好、耐高温等）与分散相气孔的特性（如阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减震性等）有机结合在一起；同时，泡沫金属还具有良好的电磁屏蔽性和抗腐蚀性能［""、"#］。泡沫金属最早由美国 $%&’( 公司从 #) 世纪 *) 年代开始研究，我国对泡沫金属的研制始于 #) 世纪 +) 年代。目前泡沫金属研究已经涉及到的金属包括 ,"、-.、/0、12 等，其中研究最多的是泡沫铝及其合金［"3］。国内还有人对泡沫铝的水下声吸收特性及影响因素进行了研究［"4］，发现泡沫铝同时具有较好的水下吸声性能。泡沫铝已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域，并取得了很好的效果。 ! !! !# 泡沫塑料吸声材料当前应用比较多的泡沫塑料吸声材料主要是聚氨酯泡沫塑料。这种材料无臭、透气、气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀，对金属、木材、玻璃、砖石、纤维等有很强的粘合性。特别是硬质聚氨酯泡沫塑料还具有很高的结构强度和绝缘性［"5］。目前我国已开发研制并生产了阻燃聚氨酯泡沫塑料板［"*］。该产品正面有一层不影响吸声的阻燃薄膜覆盖，防止灰尘和油水浸入堵塞泡孔。反面涂有不干胶，安装时可直接粘贴。聚氨酯泡沫塑料板是一种性能良好的强吸声体，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点，适用于机电产品的隔声罩，吸声屏障，空调消声器，以及在影剧院、会堂、广播室、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混响时间。此外，用于吸声材料的泡沫塑料还有橡胶改性的聚丙烯泡沫塑料、聚偏二氟乙烯泡沫塑料和聚氰胺酯泡沫等。 ! !! !! 泡沫玻璃吸声材料泡沫玻璃是以玻璃粉为原料，加入发泡剂及其它外掺剂经高温焙烧而成的轻质块状材料，其孔隙率可达 +56以上。泡沫玻璃板厚度的增加对吸声系数影响不明显，因此一般选用 #) 7 3) 88厚的板材，可以获得比较高的性价比。泡沫玻璃具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后不变形、易于切割加工、施工方便和不会产生纤维粉尘污染环境等优点，非常适合于要求洁净环境的通风和空调系统的消声［"9］。由于泡沫玻璃板强度较低，背后不宜留空腔，否则容易损坏，所以靠增加空腔来提高此类材料低频吸声性能的方法，其效果较差。 $ 材料吸声性能的评价吸声材料的吸声性能好坏，主要通过其吸声系数的高、低来表示。吸声系数是指声波在物体表面反射时，其能量被吸收的百分率，通常用符号 ! 表示，! 值越大，吸声性能就越好。 ! :（" . ; "<）= " . （#）式中，"<为未被吸收的声能，" . 为入射总声能。由于材料的吸声系数有关，即同一材料各个频率的吸声系数是不同的。我国混响室法吸声系数测量规定的测试频率范围为 ")) 7 5 ))) >?。降噪系数（-@/）是取 #5)、5))、" ))) 和 # ))) 4 个频带吸声系数的平均值。 -@/ :（ !#5) A !5)) A !" ))) A !# )))）= 4 （3）对于室内音质设计和噪声控制所用的吸声材料，我国已制定吸声性能等级划分的国家标准 BC = D"*93"—EE9。该标准规定了采用降噪系数的大小来评定材料的吸声性能等级。大多数材料都有—定的吸声能力，一般把平均吸声系数大于 ) F# 的材料称为吸声材料，平均吸声系数大于 ) ! 5* 的材料称为高效吸声材料。 % 未来展望吸声材料的研究与应用对于噪声污染的治理具有十分重要的意义。传统的吸声材料因其存在着诸多缺陷，如：降噪系数低、使用寿命短、易潮解和 # 次污染等，已逐渐淡出市场而为新型吸声材料所替代。多孔吸声材料对于中高频噪声具有较好的吸声效果，而共振吸声材料则可以较好的吸收中低频噪声。因此，如何在研究新材料、新工艺、新结构等方面，特别是在如何利用新型构造形式最大限度地发挥吸声材料的吸声性能，设计出适合各种场合需求的新结构，将是未来吸声材料发展的一大趋势。这就需要走材料复合的道路，把无机材料与有机（下转第 *E 页） —5*— 高玲等吸声材料的研究与应用 #&&’(!"# ( #"，$"%# !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 化工时刊万方数据分散、并呈特定分布的负载型贵金属催化剂，以铂为主的负载型钯铂碱金属氧化铝二氧化钛催化剂用于糠醛液相脱羰制呋喃。!"" # 寿命试验结果表明，液体空速为 " $% & ’ ( ) #，糠醛转化率保持在 ’""*，呋喃的收率和选择性均在 +!* & ,"*之间。与国内原使用的钯铝催化剂相比，反应周期由 - & . /提高到 -" / 以上，使用寿命由（- & .）0 ." /提高到 . 1以上。该催化剂技术已于 -""" 年 ’’ 月在浙江上虞芳华日化集团化工总厂的生产装置中进行工业应用，并获得一定的经济效益。国内糠醛制呋喃已经投产或准备投产的厂家有 % 家，生产能力达 - 万 2 ) 1山西高平，山东微山湖等糠醛厂都准备使用此催化剂技术。 !"! " ! 金属氧化物催化剂适于脱羰的金属氧化物催化剂有 345、645， 7/5、895、7:5、6:5.、;<5 和 =>-5. 等，金属氧化物催化剂通常都含有多种组分，常见的有 34 ? 79 氧化物型、34 ? => ? 64氧化物型，34 ? 79 ? 64 氧化物型、34 ? 79 ? 64 ? @A 氧化物型 $ 美国杜邦公司 -" 世纪 !" 年代就曾使用 34 ? => 氧化物型催化剂，而目前国内的生产厂家多数仍使用 34 ? 79 氧化物催化剂，由于存在 79 的污染此类催化剂在国外已被淘汰。美国 BC1DE>9公司 -" 世纪 F" 年代研究使用镍，钴催化剂脱羰生产呋喃，但由于产率低，不久便被其他催化剂代替［’’］。 # 结论以糠醛为原料生产呋喃可以有效地降低生产成本，减少对于石油资源的依赖，实现产品的绿色化，充分利用可再生的农业废弃物，增加农产品的附加值。研究可以重复使用高效廉价的催化剂是未来呋喃合成与研究的方向。如何提高糠醛的产率，研究高效环保的生产工艺是糠醛工业的发展趋势。近年来糠醛、呋喃工业在我国迅猛发展，由于它们来源于天然化合物以及现在对可再生资源的重视，因此它们有着广泛的发展前景。参考文献［’］周林成，李彦锋，门学虎，赵晓娟 $ 功能材料，-""!，%（.F）：%,, & !"- ［-］雷依庆，等 $ 山西化工，’,,’，（-）：’, & -. ［.］李军 $ 化工时刊，’,,’，（-）：’F & -" ［%］陈军，贵州化工，-""!，."（-）：F & + ［!］ GC4H I G，J1K>2 @，6:A<4<>9 G$ L<:M1KK，’,++，’F：F. ［F］ GC4H I G，J1K>2 @，6:A<4<>9 G$ L<:M1KK，’,++，’F：+, ［N］石军，王亚明，郑州工业大学学报，’,,+，’,（.）：,F & ,, ［+］赵玉龙，张文利，苏晓丽 $ 石油化工，’,,,，（-+）：-+, & -,. ［,］薛莉，刘淑文，徐贤伦 $ 分子催化，-""-，’F（-）：’’F & ’-" ［’"］ AKK1 O1P19< Q R>291#>/9:4 (>22>9K -""-，（%.）：%!". & %!"! ［’’］石军，王亚明 $ 郑州工业大学学报，’,,+，’,（.）： !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,F （上接第 F! 页）材料复合，将多孔吸声与共振吸声相结合，开发新一代高效吸声材料；同时，还应进一步降低生产成本，使生产规模化、产品优质化，吸声材料的研究任重道远。参考文献［’］张彦，周心艳，李旭祥 Q噪声振动与控制，’,,F，（.）：.. & .! ［-］李海涛，朱锡，石勇，等 Q材料科学与工程学报，-""%，--（F）：,.% & ,.+ ［.］盛美萍 Q噪声与振动控制技术基础 Q北京：科学出版社，-""’，’-- & ’-% ［%］周曦亚，凡波 Q中国陶瓷，-""%，%"（!）：-F & -, ［!］苑改红，王宪成 Q机械工程师，-""F，（F）：’N & ’, ［F］张守梅，曾令可，黄其秀，等 Q陶瓷学报，-""-，-.（’）：!F & F’ ［N］项瑞祈 $ 剧场建筑声学设计实践 Q北京：北京大学出版社，’,,"， .N- & .N! ［+］马大猷 Q声学学报，’,,N，’F（.）：’,. & -"- ［,］马大猷，刘克 Q声学学报，-"""，-!（%）：-+, & -,F ［’"］ 5# GS，I9412<:41A G:C941A，8>9<>K 7，’,,,，%-（’）：-% & .- ［’’］程桂萍，陈宏灯，何德坪，等 Q东南大学学报，’,,+，-+（F）：’F, & ’N- ［’-］ T G (>>，8 T S:M，O I 8:4H，8 8 7#: Q 612>9<1AK 8D<>4D> 14/ R>D#4:A:V HW -"".，’,（F）：+’, & +-! ［’.］齐共金，杨盛良，赵恂 Q材料开发与应用，-""-，’N（!）：%" & %% ［’%］王月 Q材料开发与应用，-""’，’F（%）：’F-% & ’F-N ［’!］周成飞 Q聚氨酯工业，-"".，’+（.）：! & N ［’F］钟祥璋，胡颂纯，张寅 Q噪声与振动控制，’,,.，（.）：-+ & .- ［’N］钟祥璋，刘明明 Q新型建筑材料，’,,+，（.）：-N & -, —,F— 刘保健等糠醛和呋喃的生产、合成进展 !$$%"!"# " !&，$"%! """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 化工时刊万方数据

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