常用室內吸聲材料吸聲性能試驗研究

文/首都經濟貿易大學管理工程學院 李 偉 趙芙蓉

0 引言

吸聲是聲波通過媒質或入射到媒質界面上時聲能的減少過程。按吸聲機理差異，吸聲體可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結構兩大類。通常吸聲材料是指多孔性吸聲材料，多孔性吸聲材料具有良好吸聲性能是因為材料松軟多孔，表面富有細孔，孔孔相連，并深入材料內層，當聲波進入材料孔隙后，能引起孔隙中的空氣和材料的細小纖維振動，由于摩擦和黏滯阻力，將聲能變為熱能消耗。常見多孔性吸聲材料有玻璃棉、礦渣棉、泡沫塑料、海草、毛氈等。

聲學材料的吸聲性能用吸聲系數α表示。不同材料或結構具有不同的吸聲能力，完全反射聲音的材料或結構吸聲系數α=0，完全被吸收而無反射的材料或結構其吸聲系數α=1。所有材料或結構的吸聲系數均在0～1，吸聲系數α越大表明吸聲能力越強，吸聲效果越好。影響多孔性材料吸聲特性的因素有很多，如材料自身的空氣流阻、孔隙率、厚度、密度及空氣流阻影響等。

本研究采用常用的玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種吸聲材料，分別對其吸聲性能進行研究。試驗中采用駐波管法測量材料的垂直入射吸聲系數。駐波管法測試便捷，不需要特殊的實驗室和大面積吸聲材料就能測出準確的數值，有利于理論研究。

1 4種材料的吸聲系數曲線

多孔性吸聲材料的吸聲系數是頻率的函數，不同聲波頻率下吸聲系數不同，玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種材料在不同厚度下吸聲系數對頻率的曲線如圖1所示。

由圖1可知，在低頻段（小于300Hz）吸聲系數一般較低，30mm厚的玻璃棉在300Hz時吸聲系數僅為0.2044，40mm厚的三聚氰胺海綿僅為0.171。隨著聲波頻率提高，吸聲系數逐漸增大，在中頻段（300～1000Hz）吸聲系數隨頻率的增長呈對數形式增長（見圖2）。以玻璃棉為例，25mm厚玻璃棉在中頻段吸聲系數從0.15增長到0.60，趨勢線為α= 0.4229ln（f）- 2.3222。高頻段以上（大于1000Hz）吸聲系數繼續增長，逐漸維持在0.90以上，甚至能穩定在0.98左右，起伏范圍不超過0.10。可見多孔性吸聲材料對高頻聲吸收效果較好，而對低頻聲吸收效果較差。這是由于吸聲材料的孔隙尺寸與高頻聲波的波長相近所致，高頻聲波可使空隙間空氣質點的振動速度加快，空氣與孔壁的熱交換也加快。

圖2 玻璃纖維吸聲棉中頻段吸聲系數及趨勢線

材料中具有許多相互貫通的微小孔隙是多孔性吸聲材料的構造特點。材料的固體部分（如玻璃纖維）在空間組成的骨架稱為筋絡，筋絡使材料具有一定形狀，孔隙就存在于這些筋絡之間。纖維粗細決定材料的密度，纖維越細，材料密度就越小，孔隙率（材料內部除去閉合孔洞外的孔洞容積占材料總體積的百分率）也就越大，吸聲效果越好。例如試驗材料中玻璃纖維吸聲棉的纖維直徑約10μm，密度約為100kg/m3，而聚酯纖維玻璃棉是由超細纖維和短纖維制成，直徑在3～5μm，材料密度降低為約10kg/m3，因此聚酯纖維玻璃棉的孔隙率比玻璃纖維吸聲棉大，同樣面密度條件下，聚酯纖維玻璃棉的吸聲效果更好。

由圖1c，1d可知，聚氨酯海綿和三聚氰胺海綿吸聲系數對頻率的曲線趨勢與玻璃棉、聚酯棉相似，高頻段吸聲系數都非常高，但二者相比，后者吸聲性能更好。40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海綿在1/3倍頻程下吸聲系數對比如圖3所示，由此可看出在160Hz以下，聚氨酯海綿吸聲系數稍大于三聚氰胺海綿，但超過這一頻率后，三聚氰胺海綿的優勢逐漸增加，吸聲系數在中高頻段均比聚氨酯海綿要高，高出部分甚至超過0.2。由此可見三聚氰胺海綿是優異的中高頻吸聲體，原因在于三聚氰胺海綿具有充分開孔的三維網格結構體系，網格長徑比L/D=10～20，使聲波能進入泡沫體深層并轉變為網格的振動能被消耗和吸收，且快速有效地消除反射波。

圖3 40mm厚三聚氰胺和聚氨酯海綿1/3倍頻程吸聲系數

厚度接近時4種材料的吸聲系數對比如圖4所示，由圖可見玻璃棉的吸聲系數最好，其次是三聚氰胺海綿。但在建筑聲學設計過程中，吸聲材料面密度才是衡量其用料經濟程度的直接指標，當吸聲系數確定時，吸聲板面密度越小，說明越節約材料。4種材料在一定厚度下的面密度如表1所示，4種材料在這些面密度時的吸聲系數如圖5所示。可以看出，三聚氰胺海綿面密度為0.47kg/m2，吸聲系數最大，對中頻段也有很好的吸聲效果。為達到同樣的吸聲效果，聚氨酯海綿需100mm的厚度才行。玻璃棉面密度最大，吸聲效果卻不及其他3種材料。

圖4 厚度接近時材料的吸聲系數對比

表1 4種吸聲材料的面密度比較

圖5 面密度接近時材料的吸聲系數對比

2 材料厚度對吸聲系數的影響

吸聲材料的吸聲頻率特性也與其厚度有關，且不同材料的厚度變化對吸聲系數的影響基本相同。以聚氨酯海綿為例，如圖6所示，隨著材料增厚，吸聲頻率特性將向低頻方向移動，一定范圍內，厚度增加1倍，中低頻段吸聲系數要增加50%，例如從40mm增厚到70mm，吸聲系數增加0.3～0.4，同時向低頻段拓展了1個倍頻程，即增加材料厚度可提高中低頻吸聲效果。對高頻段，吸聲系數增加量為0.1～0.2，但在材料厚度繼續增加時，吸聲系數不再增加，即這種情況對高頻聲并無多大作用，因為高頻聲在材料表面就已被吸收。根據這一特性，在吸聲及消聲設計中，需考慮對低頻的吸聲或消聲要求確定材料厚度。若是噪聲聲波頻率高，則材料厚度可填的薄些，反之噪聲頻率低則要填厚一些。

3 材料含水率對吸聲系數的影響

多孔性材料吸濕或吸水也會影響其吸聲性能。以玻璃纖維吸聲棉為例，如圖7所示，含水率對吸濕性材料的吸聲系數有較大影響。當含水率為重量的5%時，對吸聲系數影響不大，曲線基本與不含水時的吸聲系數一致；當含水率增大到20%時，低頻段吸聲系數將有所升高，中高頻的吸聲系數將降低并伴有上下波動；當含水率增大到50%時，材料基本失去對高頻聲的吸收能力，中低頻段的吸聲系數會下降到0.5以下。這是由于多孔性材料在吸濕后，材料孔隙率減低，時間久了還會使材料變質，從而影響其聲學性能。因此玻璃纖維材料不適合在高濕條件下直接使用。

圖6 聚氨酯海綿1/3倍頻程吸聲系數變化趨勢

圖7 玻璃纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數

聚酯纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數變化如圖8所示，吸水的情況對聚酯纖維吸聲棉吸聲系數有一定影響，含水率會造成高頻段材料吸聲系數不穩定，隨著含水率增大，波動會更明顯，相比干燥條件下吸聲系數會下降0.1左右，但從整體吸聲系數而言，影響較小。聚氨酯海綿和三聚氰胺海綿的多孔網狀結構也使材料易吸濕并表現出親水性，長期放置于潮濕空氣中將表現出吸濕性，影響吸聲降噪效果，工藝上通過對材料進行改進，而使材料變成憎水性質，例如可將三聚氰胺泡沫浸入0.2%左右的某種聚硅醚乳液中，并通過干燥和230℃高溫退火后可將親水性的泡沫改性為憎水性同時降低游離甲醛含量。

圖8 聚酯纖維吸聲棉不同含水率下吸聲系數

4 結語

本研究利用駐波管測量技術，針對玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉、聚氨酯海綿、三聚氰胺海綿4種多孔性吸聲材料的吸聲系數分別進行測量，并探討厚度及含水率對材料吸聲性能的影響。通過試驗得出以下結論。

1）4種吸聲材料均具有較高的中高頻吸聲系數，同為質輕多孔的吸聲材料，吸聲系數有所區別，源于材料不同的面密度。三聚氰胺海綿面密度最小，玻璃纖維吸聲棉面密度最大，但三聚氰胺海綿的吸聲系數最高，是優異的中高頻吸聲體。

2）多孔性吸聲材料吸聲系數隨聲音頻率的升高而增加，在高頻段趨近穩定。一般低頻段吸聲系數較小，中頻段呈對數增長，高頻段吸聲系數能達0.8以上，因此多孔性吸聲材料對中高頻具有很好的吸聲性能。

3）厚度的增加會引起材料吸聲系數的增加，一定范圍內，厚度增加1倍，材料中低頻段吸聲系數要增加50%，即增加材料的厚度可提高中低頻吸聲效果，高頻段增加0.1～0.2；厚度繼續增加時，吸聲系數不再增加。因此要依據對低頻的吸聲或消聲要求確定材料厚度。

4）含水率對吸濕性材料吸聲性能的影響較大，會造成吸聲系數的波動及減小，含水率達到50%時，吸聲系數下降至0.5以下，失去大部分吸聲性能；對耐濕性材料而言，含水率影響較小。

5）4種材料中三聚氰胺海綿具有良好的吸聲性能，特別是中高頻的吸聲系數明顯高于玻璃纖維吸聲棉、聚酯纖維吸聲棉及聚氨酯海綿。