吸声材料的研究进展

盖晓玲，朱亦丹，赵佳美，吴瑞

（北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054）

1 吸声材料

吸声材料是指当声波在材料内部传播时，能有效将声能转变为热能、机械能等，从而使其消耗掉的一种功能材料。通常把吸声系数大于0.2 的材料称为吸声材料[1]。根据吸声机理，吸声材料可分为多孔吸声材料、共振吸声结构和复合吸声结构。多孔吸声材料的高频吸声性能较好、吸声频带较宽，但低频吸声系数较低。共振吸声结构基于共振原理，低频吸声系数比较高，但吸声频带相对较窄。复合吸声结构结合了不同材料的不同吸声原理，综合吸声性能较好，得到了越来越多的推广和应用[2]。

1.1 多孔吸声材料

多孔吸声材料根据材料的形成机理及结构分为纤维状、泡沫状和颗粒状吸声材料。当声波入射到多孔性吸声材料界面时，材料孔隙中的空气分子会发生振动，消耗部分能量。此外，靠近纤维表面或者孔隙壁的空气，由于摩擦、黏滞作用又使一部分声能转化为热能。影响多孔材料吸声性能的主要因素有材料的容重、流阻、厚度、护面层等[3]。

1.1.1 纤维状吸声材料

20 世纪，人们主要使用棉、麻、草本和动物皮毛等天然有机材料。这些天然有机材料在一定范围内具有较好的吸声性能，但其耐火、耐潮、耐腐蚀性差[4,5]。经过不断探索，无机纤维材料随之问世，在很大程度上改善了天然纤维的耐火耐腐蚀性。但玻璃纤维等无机纤维在使用时容易形成粉尘，污染环境，同时刺激皮肤，对人体有一定危害[6]。鉴于此，金属纤维材料应运而生。这种材料强度高，不易老化，对环境没有污染，高频吸声性能好、抗破坏能力强，但价格比较昂贵。

随着材料技术和产业的发展，人们开始通过改变材料的结构参数或原材料来探究纤维材料的吸声性能。合理设计纺织品的结构参数可以让其在很薄的情况下实现材料的高效吸声。瑞士某公司开发了一种超薄的半透明的纺织纤维吸声帘[7]。蔡泽农等[8]基于三维建模和多孔材料理论，研究了薄层纺织材料的编织工艺、纤维细度、纤维孔隙率、表面密度参数对其吸声性能的影响，实现了薄层纺织材料的吸声性能优化设计，研制出应用8 种不同编织工艺的具有良好吸声效果的薄层纺织材料样品。这些样品的面密度为120g/m2。混响室实验测定薄层纺织材料无规入射条件下的吸声系数（NRC）可以达到0.65，平均吸声系数可达0.62。汽车制造业的发展及对驾驶室舒适性要求的提高，推动了非织造材料的发展。Na 等[9]研究了4 种汽车非织造材料的吸声性能，发现中空聚酯纤维的吸声性能好于普通聚酯纤维。Kalebek 等[10]研究了针刺非织造材料的吸声性能。随着新材料和新技术的不断开发和完善，人们开始着力开发新的综合性能良好的新型纤维制品[11]。例如，将传统纤维材料与纳米纤维复合以改善其在低频段的吸收效率[12]。

1.1.2 泡沫状吸声材料

泡沫状吸声材料主要包括泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃等。

（1） 泡沫金属吸声材料

泡沫金属吸声材料具有实体金属不具备的轻质、可吸收能量等优异性能，成为一种新型结构功能材料。美国某公司在20 世纪60 年代就开始研究泡沫金属吸声材料。我国对泡沫金属的研究要晚些。目前泡沫金属主要包括铝（Al）、镍（Ni）、铜（Cu）、镁（Mg）等。多孔泡沫铝材料是目前最热门、最具应用潜力的泡沫金属。泡沫铝具有密度小、耐高温、抗腐蚀、不易燃、耐候性好、导热率低、电磁屏蔽强、吸能降噪等优异性能，被广泛应用在汽车工业、航空航天、建筑工业等工程领域[13,14]。

（2）泡沫塑料吸声材料

聚氨酯泡沫塑料是一种新型的泡沫塑料状吸声材料，具有阻燃性好、容重轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点。聚氨酯泡沫塑料可分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料。硬质聚氨酯泡沫塑料以闭孔为主，主要用于隔声隔热领域；半硬质聚氨酯泡沫塑料为半开孔、半闭孔结构，具有一定的隔声和吸声性能；软质聚氨酯泡沫塑料以开孔为主，主要用于吸声降噪[15]。聚氨酯泡沫塑料是目前吸声降噪工程中常用的一种多孔性材料[16]。聚氨酯泡沫塑料的缺点是强度低，在实际使用时，一般要外加护面材料或饰面材料[17]。

（3）泡沫玻璃吸声材料

泡沫玻璃是以玻璃粉为主要原料，加入发泡剂及其他添加剂经高温焙烧而成的材料，具有质轻、不燃、不腐、不易老化、无味、易于加工和无环境污染等优点[18]。泡沫玻璃不仅可以作为吸声材料，同时由于具有很好的装饰效果，还可以在候车室、商场和展览大厅等场所进行声场控制。由于其具有耐水性和抗老化性，还可作为地铁、游泳馆、道路声屏障的材料。同时，泡沫玻璃吸声材料还适用于要求洁净环境的通风和空调系统的消声。但是，泡沫玻璃板强度较低，背后不宜留空腔，否则容易损坏[19]。

1.1.3 颗粒状吸声材料

颗粒状吸声材料是将一定粒径的颗粒材料，通过黏结剂黏结或烧制加工而成的材料。典型的颗粒状吸声材料是膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩吸声性能好，耐火性能强，是隧道降噪的理想材料[20]。此外，陶粒吸声材料也是一种颗粒状吸声材料。陶粒可由建筑弃土、河道淤泥、煤矸石、黏土、页岩等烧制而成，是一种内部结构呈蜂窝状的多孔吸声材料，具备质轻、吸音、耐久、环保等特点，非常适合作为声屏障的吸声材料[21]。

1.2 共振吸声结构

典型的共振吸声结构有亥姆霍兹共振器、薄板/薄膜共振、微穿孔板共振等。当声波的频率等于结构的固有频率时，结构会发生共振，消耗大量能量，从而起到吸声的作用。因此，当声波频率与结构的共振频率接近时，结构会表现出很好的吸声性能；当声波频率偏离了共振频率时，结构的吸声性能就会明显下降[22]。

1.2.1 亥姆霍兹共振器

亥姆霍兹共振器是一个最简单、最基本的声振动系统[23,24]。早期，亥姆霍兹共振器主要被用来分辨复杂声音环境下的不同频率[25]。后来，亥姆霍兹共振器又被广泛应用于消声器中，用于控制低频噪声。近年来，随着声子晶体和声学超材料技术的发展，亥姆霍兹共振器结构作为一种声学局域共振单元被用来设计新型的声学超结构和声透镜等声学器件[26-29]。Garcia[30]等基于亥姆霍兹共振器原理制造了亚波长的窄带完美吸收体和宽带完美吸收体。

1.2.2 薄板/薄膜共振结构

薄板共振结构是由薄板和空气层组成的振动系统，是一个弹簧和质量块系统。木胶合板、石膏板、塑料板、硬质纤维板、水泥纤维板、金属板等被固定在龙骨框架上，并且板后面带有一定深度的空气层，这就构成了典型的薄板共振吸声结构。当声波入射到薄板上时，薄板在声波交变压力的作用下会发生弯曲变形，由于板和周边固定点龙骨之间的摩擦损耗，以及板本身的内部摩擦损耗，机械能会转变为热能，从而消耗声能达到吸声目的。薄板共振现象随处可见，在很多工业与民用建筑中都会存在。例如，房间中大片的吊顶板、龙骨支撑的木地板等，凡是周围固定紧密的薄板，都可以作为薄板振动而吸声[31]。薄板的共振频率一般为80—300Hz。薄膜共振吸声结构是用聚乙烯薄膜、油毡、漆布、人造革、不透气的帆布等作为薄板，这类材料刚度小，受拉时具有弹性，共振频率一般为200—1000Hz。

1.2.3 微穿孔板共振结构

微穿孔板共振结构在众多的共振吸声结构中占有非常重要的地位。自20 世纪70 年代马大猷开展奠基性工作后[32]，微穿孔板吸声结构已广泛应用在各种工程领域中。在理论方面，马大猷提出了微穿孔板吸声结构的准确理论和设计方法，并得到微穿孔板可能达到的吸声带宽极限[33,34]。后来，Atalla 等[35]建立的多孔介质的刚性骨架模型也能很好地模拟微穿孔板的吸声性能。李贤徽[36]提出了考虑黏热效应的声阻抗计算模型，补足了经典模型在较低频率下的预测偏差。微穿孔板吸声体作为共振吸声结构的一个显著缺点是吸声频带较窄。因此，如何改善微穿孔板结构的吸声性能成为很多声学工作者研究的重要内容。马大猷率先提出了双层微穿孔板吸声结构[37]。吕亚东等[38]提出了管束穿孔板吸声结构。Stinson[39]、陶建成[40]等提出主被动结合微穿孔板吸声体。这些结构都在一定程度上改善了微穿孔板吸声结构的声学性能。

1.3 复合吸声结构

不同的吸声材料具有不同的性质和应用条件。多孔吸声材料对高频噪声具有较好的吸声效果，但对低频噪声的吸声效果不佳。共振吸声结构对低频噪声的吸声效果好，但吸声带宽相对较窄。所以，单一材料有一定的局限性，不能在宽频带范围内起到良好的吸声效果。这样，开发新型复合吸声结构就成为当前吸声材料发展的主流。Jiang 等[41]研制了一种声子玻璃。这种材料基于金属骨架，设计成互穿网络的结构，在材料中构建了各种局域共振基元，增加了共振模态，拓宽了共振吸收频带范围。张文韬[42]将纳米纤维与非织造基材相结合制备了一种纳米纤维复合吸音毡，并研究了纤维特性、复合材料结构及排列方式等因素对纳米纤维/非织造基材复合材料吸声性能的影响。

2 结语

《噪声污染防治法》于2022 年6 月5 日起施行，其对噪声污染治理技术提出了更高的要求。国家卫生健康委员会自2022 年1 月至2025 年12 月在全国范围内将深入开展以整治噪声超标为主要任务的专项整治工作。所以，兼具节能、环保、美观、易清洗等多项功能，而且具有明显可循环性与强烈绿色消费概念的降噪产品将成为主流产品。质轻、耐用性好的材料仍将是吸声材料领域未来的研究重点。