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还你一片安静:超会“吸声”的多孔材料
2020年05月25日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:239
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只要生活在人类社会中,就一定饱受过噪音的困扰,单纯马路边的隆轰轰声,就足以让人坐立难安,因此如果要改善生活和工作环境,必须要控制噪音水平,而最有用的手段之一,就是布置可吸收声音的物质,如最常用的多孔材料。

一、多孔材料的定义及吸声原理

多孔材料是含有大量孔隙的材料,由连续的固体相和形成孔隙的流体相所组成。如图所示,其孔结构可以分为闭孔和开孔结构。可以看到,闭孔为固体相所包围,与外面流体介质无连通。

闭孔结构主要影响多孔材料的密度、强度和热导率等宏观性质,但是与外部流体介质的交换和吸收特性无关。开孔结构可以与外部流体介质相互连通,包括半开孔和通孔结构。开孔结构可以与外面流体介质连通和交换,主要影响过滤、催化和吸声等宏观性能。

多孔固体介质的孔结构 

多孔固体介质的孔结构示意图

按照惠更斯原理,当声音由空气中传入多孔材料时,微孔和间隙中的空气是声波传播的介质。当声波垂直入射到多孔材料表面时,一部分由材料表面反射,另外一部分则通过与外界相通的通孔透射到材料内部。进入材料内声波的振动引起通孔内空气的剧烈运动,使其与孔壁摩擦。在摩擦和黏滞力作用下,部分声能转化为热能,从而使声波衰减,使得反射声能减弱以达到吸声效果。另外,空气和孔壁与材料之间的热交换引起热量损失,也造成声能衰减。

因此若想得到高效的吸声效果,多孔吸声材料必须要具有开孔的结构特性,而且孔隙率较大,使得声波易于进入并传播,通过粘滞效应和热效应机理耗散声波能量。

 

二、多孔吸声材料的分类

近几十年,吸声材料的研究和应用逐渐增加,而且种类得到了很大的增长,下面按微观形态进行盘点。

从微观形态角度,传统多孔吸声材料可以划分为:纤维多孔材料、泡沫多孔材料和颗粒多孔材料。这三种多孔材料都具有相互连通的开孔结构,但是微观形态不同,分别为:平行开孔结构、立方体形开孔和颗粒堆积的开孔结构。孔形貌、孔结构因子和孔隙率的不同,都会导致吸声性能有很大差别。

三种多孔吸声材料结构 

三种多孔吸声材料结构示意图

①纤维多孔吸声材料

纤维多孔材料是商业应用最广泛的多孔吸声材料,由大量连续的纤维和纤维之间的空隙组成。在建筑等领域,典型的商业纤维多孔吸声材料为玻璃棉或岩棉,由于轻质、优异的吸声性能和防火特性,得到广泛的应用。但是,玻璃棉或岩棉在运输和使用过程中会产生飞尘污染,损伤人体健康,发展替代性的多孔吸声材料是一个趋势。

②泡沫多孔吸声材料

典型的泡沫多孔吸声材料包括聚氨酯泡沫、泡沫铝、多孔陶瓷和气凝胶,并且只有开孔结构才具有高效的吸声性能。

前,聚氨酯泡沫是最常见的泡沫多孔吸声材料,广泛应用于建筑、汽车和飞机舱内的被动降噪,同时也有隔热和防腐用途。依据软链段和硬链段的比例,聚氨酯泡沫分为硬质泡沫和软质泡沫。硬质泡沫为轻质结构材料,用于航空夹层结构和雷达结构的核心材料等。软质泡沫的开发晚于硬质泡沫,具有吸声、高弹性和阻尼等特性。但同时它也存在耐燃性、耐温性差的缺陷,以及环保和力学性能的问题。

以泡沫铝为典型代表的泡沫金属,是相对较新的多孔材料,日本在1986年采用连续铸造工艺实现了泡沫铝的商业化生产,命名为“ALPORAS”,可能是目前孔结构均匀性最好的泡沫铝。泡沫金属具有轻质、高比刚度、高吸能、耐高温、阻燃和低吸潮特性,但是昂贵的价格和制备工艺不成熟是限制其发展的因素。

 

泡沫铝形貌

多孔陶瓷是优异的耐高温吸声材料,可以在1500℃以上长期使用,而且在高声压级、高速环境下性能稳定,主要应用于航天、火箭喷嘴组件、隔热层,有潜力成为发动机燃烧室的声线。

气凝胶是一种具有纳米级开孔的超轻(约0.003g/cm3)多孔材料,通过超临界干燥工艺除去凝胶液体形成,为目前最优的隔热材料,其中最典型的气凝胶为二氧化硅气凝胶,孔隙率可达75%以上,熔点可达1200℃。但是,昂贵的价格成为限制气凝胶广泛应用的一个问题,目前主要在航天等高技术领域应用。

二氧化硅气凝胶 

二氧化硅气凝胶

③颗粒多孔吸声材料

颗粒多孔材料是由宏观颗粒堆积或连接形成的聚集体,颗粒之间的空隙可以形成开孔结构。颗粒多孔材料的范围非常广泛,可以是自然形成的,如土壤、砂石和积雪等,也可以是人工制备的,如回收的橡胶颗粒、珍珠岩和多孔的沥青混凝土路面等,它们在户外环境降噪中发挥重要作用。

资料来源:

陶聪空心球多孔材料吸声结构设计与声学机理研究,李瑞锋。

分层多孔材料吸声结构的性能分析刘新金,刘建立,徐伯俊,高卫东

粉体圈 小榆 整理

 

 

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