什么是吸声材料?

[拼音]：xisheng cailiao

[外文]：sound-absorbing material

对入射声能有吸收作用的材料。吸声材料主要用于控制和调整室内的混响时间，消除回声，以改善室内的听闻条件；用于降低喧闹场所的噪声，以改善生活环境和劳动条件（见吸声降噪）；还广泛用于降低通风空调管道的噪声。吸声材料按其物理性能和吸声方式可分为多孔性吸声材料和共振吸声结构两大类。后者包括单个共振器、穿孔板共振吸声结构、薄板吸声结构和柔顺材料等。

选用吸声材料，首先应从吸声特性方面来确定合乎要求的材料，同时还要结合防火、防潮、防蛀、强度、外观、建筑内部装修等要求，综合考虑进行选择。

材料的吸声性能常用吸声系数 妶表示。入射到材料表面的声波，一部分被反射，一部分透入材料内部而被吸收。被材料吸收的声能与入射声能的比值，称为吸声系数。对于全反射面，妶=0；对于全吸收面，妶=1；一般材料的吸声系数在0～1之间。材料吸声系数的大小与声波的入射角有关，随入射声波的频率而异。以频率为横坐标，吸声系数为纵坐标绘出的曲线，称为材料吸声频谱。它反映了材料对不同频率声波的吸收特性。测定吸声系数通常采用混响室法和驻波管法。混响室法测得的为声波无规则入射时的吸声系数，它的测量条件比较接近实际声场，因此常用此法测得的数据作为实际设计的依据。驻波管法测得的是声波垂直入射时的吸声系数，通常用于产品质量控制、检验和吸声材料的研制分析。混响室法测得的吸声系数，一般高于驻波管法。

这类材料的物理结构特征是材料内部有大量的、互相贯通的、向外敞开的微孔，即材料具有一定的透气性。工程上广泛使用的有纤维材料和灰泥材料两大类。前者包括玻璃棉和矿渣棉或以此类材料为主要原料制成的各种吸声板材或吸声构件等；后者包括微孔砖和颗粒性矿渣吸声砖等。

多孔吸声材料的吸声机理是当声波入射到多孔材料时，引起孔隙中的空气振动。由于摩擦和空气的粘滞阻力，使一部分声能转变成热能;此外，孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热传导，也会引起热损失，使声能衰减。

多孔材料的吸声系数随声频率的增高而增大，吸声频谱曲线由低频向高频逐步升高，并出现不同程度的起伏，随着频率的升高，起伏幅度逐步缩小，趋向一个缓慢变化的数值。

影响多孔材料吸声性能的参数主要有：

（1）流阻，它是在稳定的气流状态下，吸声材料中的压力梯度与气流线速度之比。当厚度不大时，低流阻材料的低频吸声系数很小，在中、高频段，吸声频谱曲线以比较大的斜率上升，高频的吸声性能比较好。增大材料的流阻，中、低频吸声系数有所提高；继续加大材料的流阻，材料从高频段到中频段的吸声系数将明显下降，此时，吸声性能变劣。所以，对一定厚度的多孔材料，有一个相应适宜的流阻值，过高和过低的流阻值，都无法使材料具有良好的吸声性能。

（2）孔隙率，指材料中连通的孔隙体积与材料总体积之比，多孔吸声材料的孔隙率一般在70％以上，多数达90％。

（3）结构因数，材料中间隙的排列是杂乱无章的，但在理论上往往采用毛细管沿厚度方向纵向排列的模型，所以，对具体的多孔材料必须引进结构因数加以修正。多孔材料结构因数，一般在2～10之间，也有高达20～25的。在低频范围内，结构因数基本不起作用，这是因为在这个范围内，空气惯性的影响很小，而d性起主要作用。当材料流阻比较小时，若增大结构因数，在高、中频范围内，可以看到吸声系数的周期性变化。

在吸声理论中，用流阻、孔隙率、结构因数来确定材料的吸声特性，而在实际应用上，通常是以材料厚度、容重（重量／体积）来反映其结构状态和确定其吸声特性。增加材料的厚度，可提高低、中频吸声系数，但对高频吸收的影响很小。如果在吸声材料和刚性墙面之间留出空间，可以增加材料的有效厚度，提高对低频的吸声能力。由于材料流阻和容重往往存在着对应关系，因此在工程应用上往往通过调整材料的容重以控制材料的流阻。容重对材料吸声性能的影响是复杂的，但是厚度的变化比起容重的变化对材料吸声性能的影响要大，也就是厚度的影响是第一位的，而容重的影响则是第二位的。

此外，材料的表面处理、安装和布置方式以及温度、湿度等对材料吸声性能也有影响。

由于多孔性材料的低频吸声性能差，为解决中、低频吸声问题，往往采用共振吸声结构，其吸声频谱以共振频率为中心出现吸收峰，当远离共振频率时，吸声系数就很低。在实际应用上，共振吸声结构有以下几种基本类型：

是一个有颈口的密闭容器，相当于一个d簧振子系统，容器内空气相当于d簧，而进口空气相当于和d簧连结的物体。当入射声波的频率和这个系统的固有频率一致时，共振器孔颈处的空气柱就激烈振动，孔颈部分的空气与颈壁摩擦阻尼，将声能转变为热能，它的共振频率f0（赫）可由下式求得：

式中V为共振器空腔体积(米3);L为颈的实际长度（米）；r为颈口半径（米）；c为声速（米／秒）。

在打孔的薄板后面设置一定深度的密闭空腔，组成穿孔板吸声结构，这是经常使用的一种吸声结构，相当于单个共振器的并联组合。当入射声波频率和这一系统的固有频率一致时，穿孔部分的空气就激烈振动，加强了吸收效应，出现吸收峰，使声能衰减。穿孔板的共振频率f0（赫）为：

式中c为声速（米／秒）；L为穿孔板的厚度（米）;r为孔半径（米）；h为板后空气层厚度（米）；P为穿孔率（孔面积与总面积之比）。通常穿孔率超过20％，穿孔板将不起共振吸声作用。

穿孔板共振吸声频带比较窄，在穿孔板后面加上一层多孔材料或纺织品，可以加宽吸收峰的宽度；同时使用几种共振峰互相衔接的穿孔板，也可以得到较宽的吸声频带。如果将孔径缩小到1毫米以下，板厚在1毫米以下，穿孔率1～3％，则穿孔板与板后空腔可组成微穿孔板吸声结构。由于它比穿孔板声阻大，质量小，因而在吸声系数和吸声带宽方面都高于穿孔板。

在薄板后设置空气层，就成为薄板共振吸声结构。当声波入射时，激发系统的振动，由于板的内部摩擦，使振动能量转化为热能。当入射声波频率与系统的固有频率一致时，即产生共振，在共振频率处出现吸收峰。其共振频率f0（赫）为：

式中m为板单位面密度（千克／米2）;h为板后空气层厚度（米）；ρ为空气密度(千克／米3);c为声速(米／秒)。从式内可以看出，增加板的单位面密度或空腔深度时，吸声峰就移向低频。在空腔内沿龙骨处设置多孔吸声材料，在薄板边缘与龙骨连接处放置毛毡或海绵条，以增加结构的阻尼特性，可以提高吸声系数和加宽吸声频带。

是内部有许多微小的、互不贯通的独立气泡，没有通气性能，在一定程度上具有d性的吸声材料。当声波入射到材料上时，激发材料作整体振动，为克服材料内部的摩擦而消耗了声能。它的吸声频率特性是高频声吸收系数很低，中、低频的吸声系数类似共振吸收，但无显著的共振吸收峰而呈复杂的起伏状态。

参考书目

子安胜著，高履泰译：《建筑吸声材料》，中国建筑工业出版社，北京，1975。