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阻性吸声材料的特性

作者:   日期:2018-12-27  来源:  关注:143

顾名思义,多孔性吸声材料就是有很多孔的材料,其主要构造特征是材料从表面到内部均有相互连通的孔,是目前应用最广泛的吸声材料。最初的多孔吸声材料是以麻、棉、棕丝、毛发、甘蔗渣等天然动植物纤维为主,目前则以超细玻璃棉、矿棉、泡沫及颗粒材料为主。

多孔性吸声材料.png

多孔性吸声材料的吸声机理

多孔材料内部具有无数细微孔隙,孔隙间彼此贯通,且通过表面与外界相通,当声波入射到材料表面时,激发其孔内部空气的振动,使空气与固体筋络间产生相对运动并发生摩擦,由空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞阻力,使得振动空气的动能不断转化为热能,从而使声能衰减。另一方面,在空气的绝热压缩时,空气与孔壁之间不断发生热交换,产生热传导效应,从而使声能转化为热能而衰减。由此可见,多孔性吸声材料必须具备以下条件:


1.材料内部有大量的微孔或间隙,而且空隙应尽量细小且分布均匀;

2.材料内部的微孔必须是向外敞开的,也就是说必须通到材料的表面,使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部;

3.材料内部的微孔一般是相互连通的,而不是封闭的。


只有材料的孔隙具备以上三方面的条件,才能有效地吸收声能。有些材料内部虽然也有许多微小气孔,但气孔密闭,彼此不相通,当声波入射到材料表面时,很难进入到材料内部,它们是很好的隔热材料,但不能作为吸声材料。


多孔性吸声材料一般在中高频的吸声系数比较大,而在低频段的吸声系数比较小(如图1)。

多孔性吸声材料吸声性能频谱曲线.png

图1 多孔性吸声材料吸声性能频谱曲线


影响多孔性吸声材料吸收性能的因素


从多孔性吸声材料本身的结构来说,影响其吸声特性的主要因素有空气流阻、孔隙率和结构因子。


1. 流阻的影响

空气流阻反映了空气通过多孔材料阻力的大小。它的定义为:当稳定气流通过多孔材料时,材料两面的静压差和气流线速度之比。多孔材料流阻对吸声性能的影响如图2所示。低流阻材料在低频段的吸声系数很低,而且随频率的升高而逐渐提高,并有一个吸收峰。超过吸收峰后则随频率的升高而有起伏。高流阻材料在中高频段的吸声系数明显下降,吸声系数较低,吸声频率曲线比较平坦,仅低频的吸声系数有所提高。因此,从吸声的观点对于一定厚度的多孔材料,均有一个相应的最佳流阻值,过高和过低的流阻值都无法使材料获得良好的吸声性能。

多孔材料流阻对吸声性能的影响.png

图2  多孔材料流阻对吸声性能的影响


2. 空隙率的影响

孔隙率的定义是材料内部空气体积与材料总体积之比。多孔性吸声材料应有较大的孔隙率,一般应在70%以上,多数达到90%左右。其实孔隙率又与材料的流阻有关,具有相同孔隙率的材料,孔隙尺寸越大,流阻就越小;反之孔隙尺寸越小,流阻就越大。而且还与孔隙组织结构有关,孔隙比较通畅的材料流阻比较小,孔隙比较迂回曲折的材料流阻比较大。


多孔性吸声材料的吸声性能除了与本身的结构有关外,在实际使用中还受到材料厚度、容重、背后空腔以及护面层等因素的影响。


3. 材料厚度的影响

材料的厚度对其吸声性能有关键性的影响。当材料较薄时,增加厚度,材料的低频吸声性能将有较大的提高,但对于高频的吸声性能影响较小。多孔性吸声材料的第一共振频率与材料厚度有如下的近似关系:


式中,fr 为多孔吸声材料的第一共振频率,Hz;c 为空气中的声速,m/s;D 为材料的厚度。


图3中以纺毡为例,给出了不同厚度材料的吸声系数曲线。上式和图3揭示了多孔性吸声材料吸声性能随材料厚度变化的基本规律:材料的厚度增加一倍, 吸声系数的峰值向下移一个倍频程。

多孔材料厚度对吸声性能的影响.png

图3 多孔材料厚度对吸声性能的影响


4.材料容重的影响

容重(或密度)对材料吸声性能的影响比较复杂,对于不同的材料,容重对其吸声性能的影响不尽相同。一般来说,对于同一种材料,在厚度一定的情况下,容重增加则材料就密实,引起流阻增大,减少空气穿透量,造成吸声系数下降。图4中给出的是5cm的超细玻璃棉在不同容重条件下的吸声系数曲线。所以,对于不同的多孔性吸声材料,一般都存在一个最理想的容重范围,在这个范围内材料的吸声性能比较好,而容重过高或过低都不利于提高材料的吸声性能