材料科学前沿论文

噪声污染控制材料

——多孔吸声材料

1.噪声...................................................................................................................... 2

1.1 噪声的来源............................................................................................... 2 1.2 噪声的控制............................................................................................... 2 1.3降低噪声的方法........................................................................................ 2 1.4噪声的危害................................................................................................ 3 2 吸声材料........................................................................................................... 3

2.1 吸声原理................................................................................................... 3 2.2 多孔吸声材料......................................................................................... 3

2.2.1 纤维吸声材料................................................................................. 4 2.2.2 泡沫吸声材料................................................................................. 6 2.2.3 颗粒型吸声材料............................................................................. 7

3 影响多孔吸声材料素....................................................................................... 8

3.1 空气阻流的影响....................................................................................... 8 3.2 孔隙率的影响........................................................................................... 8 3.3 孔径的影响............................................................................................... 9 3.4 厚度的影响............................................................................................... 9 3.5 背后空腔的影响..................................................................................... 10 4 多孔吸声材料的开发研究展望....................................................................... 10 参考文献............................................................................................................... 11

噪声污染控制材料

—— 多孔吸声材料

摘要：随着现代工业、交通运输业和城市建设的发展，环境噪声污染已经成为国内外影响的最大的公害之一。多孔吸收材料、隔声材料和隔振与阻尼减振材料等这些材料的应用，对环境噪声的污染有了很好的控制。在以后的发展当中，我们应该控制噪声的发生，对噪声污染环境材料的控制应该向更好的方向发展。 关键词：噪声污染 吸声材料 纤维吸声材料 泡沫吸声材料 颗粒型吸声材料

1.噪声

噪声通常是指那些难听的、令人厌烦的声音。噪声是没有污染物，即它在空气中传播不会产生有害物质，噪声对环境的影响不持久、没有累积效应，噪声源一旦停止，噪声也就相应的消失。

1.1 噪声的来源

噪声的来源主要有：交通运输噪声、工业机械噪声、建筑施工噪声、生活生活噪声、家用电器和办公设备噪声、公寓楼内的生活噪声。这些噪声都给我们生活带来了极大的困扰。

1.2 噪声的控制

噪声的传播主要分为三个阶段：噪声源、传播途径和接受者。噪声控制原理：在噪声到达耳膜之前，采取阻尼、隔振、吸声、隔声、消声器、个人防护和建筑布局等七大措施，尽力减弱或降低声源的振动，或将传播中的声能吸收掉，或设置障碍，使声音全部或部分反射出去，从而减弱噪声对耳膜的作用。

1.3降低噪声的方法：

（1）从声源上降低噪声：研制和采用噪声低的设备和加工工艺。 （2）在传播途径上控制噪声：

① 利用吸声来减少噪声。声波在传播过程中发生摩擦和阻尼，能降低10～15dB。吸声材料（内部要多孔、孔孔要相连通且这些孔要与外界连通）一般有玻璃棉、泡沫塑料、吸声砖等。

② 利用隔声来减少噪声，它能使使声能受到阻挡而不能直接通过，能降低10～35dB 。隔声墙、隔声罩、隔声间和声屏障等

③ 隔振，主要是防止振动能量从振源传播出去。如金属弹簧、橡胶垫等。消声器——只能降低空气动力设备的进排气口噪声或沿管道传播的噪声，可降低20～40dB 。主要有阻性、抗性及复合性消声器等。

④ 用耳塞、耳罩、防声蜡棉和防护面具等降低噪声带来的污染。

1.4噪声的危害

噪声所产生的污染给人类带来了很大的危害，主要有：干扰休息和睡眠、影响语言交流、损害听觉神经、引发多种疾病、影响工作效率、对儿童身心健康的危害、对女性生理功能的影响、损害建筑物等。

随着我国的经济的发展，我们不仅要注意环境的污染，噪声的污染对人类的身心健康也存在很大的隐患，我们必须要重视起来，运用现代科学技术和材料来减少噪声的污染。

2 吸声材料 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。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。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。

2.2 多孔吸声材料

吸声材料多为多孔性材料，柔软性材料及膜状材料也具有相同的功能。多孔材料一般具有以下几个特征：

（1） 材料内部具有大量的微孔或间隙，孔隙细小且在材料内部分布均匀。 （2） 材料内部的微孔是相互联通的，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用。 （3） 微孔向外敞开，使声波容易进微孔内，没有敞开微孔而仅有凹凸表面的材料不会有好的吸声性能。

常见的多孔吸声材料一般可分为纤维型、泡沫型和颗粒型三类。

2.2.1纤维吸声材料 （1）无机纤维吸声材料

无机纤维吸声材料是指天然人造的以无机矿物为基本成分的一类纤维材料。主要有石棉纤维、玻璃棉、岩棉和矿渣棉及其制品。其中纤维棉是人类使用历史最悠久多的天然无机材料，但石棉纤维对人体的健康伤害很大，传统的石棉已经纤维已经被淘汰。而玻璃棉、岩棉等人造材料不仅有良好的吸收功能，而且具有轻质、不燃烧、不腐、不易老化、价格低廉等特性，在声学工程中得到了广泛放入应用。

① 玻璃棉

玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。采用石英砂、石灰石、白云石等天然矿石为主要原料，配合一些纯碱、硼砂等化工原料熔成玻璃。在融化状态下，借助外力吹制式甩成絮状细纤维，纤维和纤维之间为立体交叉，互相缠绕在一起，呈现出许多细小的孔隙隙。

玻璃棉分为短棉、超细棉以及中级纤维棉。超细纤维棉是使用最普遍的吸声材料。松散度为18~25kg/m3,每成厚度为25~50mm，吸收性能好，吸声系数可以达到0.7~0.8.

玻璃棉吸声系数

② 岩棉和矿渣棉

岩棉纤维和矿渣棉纤维的生产工艺基本相同，差别在于矿渣棉的熔融温度低，在1360~1400°C。岩棉的熔融温度在1500°C左右。

岩棉是以天然石如玄武石、辉长石、白云石等为主要原料，经高温熔融、纤维制备、集束及成形等工序制成的蓬松状短细纤维 。具有隔热、耐 高温的有点，价格比较低廉。

矿渣棉是工业矿渣如高炉矿渣、铜矿渣、粉煤灰以及采矿渣为主要原料，经高温熔融、纤维化而制成的无机质纤维。质轻、不然、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性强、吸收性能好等优点。所含杂质也较

多、性脆易折断、应用较普遍。但在超温的波长中，基本没有任何吸声作用。

（2）有机纤维吸声材料

早起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、木质纤维板等天然纤维材料。现在有机纤维材料已多为无机合成纤维材料，如涤纶棉。但在超高温波场中，基本上没有任何吸声作用。

2.2.2 泡沫吸声材料

泡沫吸声材料是有表面与内部皆有无数微孔高分子材料制成。主要有泡沫金属、泡沫塑料、泡沫玻璃和聚合物基复合泡沫材料。

（1）泡沫金属

泡沫金属是一种新型多孔材料，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中构成孔隙结构，孔隙率得到90%以上。泡沫金属是把金属的强度大、导热性好、耐高温的特性与阻尼性、隔离性、绝缘性、消声减振性有机的结合在一起，产生优良的吸声性能。目前泡沫金属主要包括Al、Ni、Cu、Mg等，研究最多的是泡沫铝及其合金。

制备方法：直接法，利用发泡剂直接在熔融金属中发泡，或者利用化学反应产生大量气体在制品凝固时减压发泡。间接法：一高分子发泡材料为基材，采用乘积法或喷溅法使之金属化，然后加热脱出基材并烧结。

泡沫金属为刚性结构，加工性能好，能制成各种形式的吸声板；不吸湿且容易清洗，吸声性能不会下降；不会因受震动或风压而发生折损或尘化；能承受高温，不会着火和释放毒气。泡沫金属低、中、高频区均具有良好的吸声性能。现在以应用与空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场等吸声领域。

（2） 泡沫塑料

与其他多孔吸声材料相比，泡沫塑料产品有着良好的韧性、延展性及耐热性能，同时其吸声性能也很突出，是一种理想的隔热吸声材料。现在应用比较广泛的泡沫吸声材料主要为聚氨酯泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料（PUF）是一种新型系列化吸声财力哦啊。主链含—NHCOO—重复结构单元的一类聚合物，是已聚醚树脂或聚酯树脂为主要原料，与异氰酸酯定量混合，在发泡剂、催化剂、稳定剂等作用下，进行发泡而制成的一种泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料无臭、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有很高的结构强度和绝缘性。聚氨酯泡沫塑料阻燃性好、松密度轻、耐潮、易于切割和安装方便等特点。但是易于老化、耐火性差、吸水性强等。一般用于机电产品的隔声罩、吸声屏障以及在影剧院、会议厅、电影录音室、电视演播室等音质设计工程中控制混淆时间。

用于泡沫牺牲材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等。

（3） 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以废玻璃及各种富含玻璃相的物质为主要原料，经过粉碎磨细，添加1%-5%发泡剂、改性剂等材料，均匀混合形成配合料，再将其放置在特定模具中经过熔融(650℃-950℃)、发泡、退火，形成一种内部充满均匀气孔的多孔玻璃材料。

由于这种材料内部充满无数个微小均匀的连通或封闭气孔，因而是一种性能良好的节能、保温、隔热、吸音材料。隔热保温泡沫玻璃可以应用在-200 ℃至450 ℃温度范围内的保温和隔热工程上。彩色泡沫玻璃不仅能起到吸声的效果，还能对建筑物起到一定的装饰作用。它不仅可用作室内装饰吸声板，同时还可在室外环境中应用。

当声波入射到吸音泡沫玻璃原表面时，激发孔隙内的空气振动，在受振动空气的粘滞阻力及其与玻璃孔壁摩擦的作用下，使声能转化为热能而迅速衰减，从而降低噪音。主要应用于音乐厅、剧院和电影录音室的吸音处理；用于游泳馆、地铁、地下工程、冷却塔等潮湿环境降噪或露天条件下的道路吸声屏障及消声处理。

（4）复合泡沫吸声材料

将聚氯乙烯（PVC）、增塑剂、发泡剂等原料按照一定比例混合均匀后，加入一定的岩棉，然后在开放式炼塑机上进行混炼，再将炼好的材料放入到模具，在烘烤中升温发泡后得到聚乙烯/岩棉泡沫材料，这是一种既含有机物又含无机物的复合泡沫材料。广泛用于工业和民用建筑领域。在制备过程中用到岩棉，会产生纤维粉尘污染，则不适用于环境洁净度要求较高系统的消声处理。

2.2.3 颗粒型吸声材料

颗粒型吸声材料有膨胀珍珠岩、粉煤灰和矿渣水泥等。由于颗粒表面有许多半开口小孔，构成了空腔共振吸声结构。此外，颗粒之间能形成孔隙，加上一定的厚度，使材料也具有多孔材料的吸声性能。在材料中加入颗粒型吸声材料会提高材料制品的吸声性能。

3 影响多孔吸声材料素 3.1 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

3.2 孔隙率的影响

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。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 。

吸声系数与孔隙率的关系 3.3 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, 声波的能量损失较多, 吸声性能较好。

吸声系数与孔径的关系 3.4 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。

吸声系数与孔径的关系 3.5 背后空腔的影响

材料背后加空腔, 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。

4 多孔吸声材料的开发研究展望

目前。随着人们对噪声污染的关注和重视程度的增加，吸声材料的应用将越加广泛，使用量也将逐年增加，但传统多孔吸声材料如有机和无机纤维材料等存在防火性差、性脆易断等缺陷，金属吸声材料价格昂贵，使用范围受到了很大的限制。泡沫雷无机多孔吸声材料具有吸声系数好、使用频率范围宽、质轻、不腐、防火性能好等优点，成为吸声材料的发展趋势。同时，利用固体废弃物作为吸声材料的制备原料已成为目前广泛的研究热点，将有助于降低材料生产成本，实现固体废弃物资源化利用，避免废弃物堆积填埋或简单处理造成的一系列环境危害，一举多得。

而在今后材料研究方向主要是：（1）生态环保是新世纪对吸声材料最重要的要求，应加强“环保”型和“安全”型的复合吸声材料的研究。随着社会进步，人们对吸声环境质量的要求越来越高，单一的吸声材料已经不能满足环保及高效吸声等要求，生产对人体无害、能循环利用、高效的吸声材料，应具有良好的应用前景；注重产品的美学设计，使吸声材料既具有实用性又具有观赏性。（2）在工业固体废弃物中，应当加强高炉渣、粉煤灰等大宗固体废弃物制备吸声材料的研究，进一步探索以钢渣、尾矿粉、建筑垃圾等为原材料制备吸声材料的可能性，从而实现吸声材料的低成本制备和工业化应用。

参考文献

[1] 李永峰，陈红.现代环境工程材料[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 何冬林等, 多孔吸声材料的研究进展及发展趋势. 材料导报CLDB, 2012(S1). [3]. 周曦亚凡波, 吸声材料研究的进展. 中国陶瓷ZGTC, 2004(05).

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