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多孔吸聲材料的發展

作者: 時間:2019-05-29 瀏覽量:260
摘要:1?吸聲材料的歷史人類在很早就意識到織物可以有效地阻擋聲音,因此從史前到埃及甚至到羅馬時期人們一直使用織物和蘆葦桿,干草等作為吸聲材料來消除回音和抵擋噪音,使人感到更加舒適。這些材料從本質上來講都是有機纖維材料,它們之間的微小縫隙使它們成為了天然的吸聲材料,直到如今有機纖維吸聲材料仍在發揮著它們的作用。在古代許多國家和民族對聲學的研究頗有建樹,也積累了大量經驗但是對吸聲材料的研究始終有限。對吸聲材料的科學研究是與室內聲學設計理論緊密相聯系的。終于1898年W.C.賽賓創立了混響理論,并指出了吸聲對于房間混響具有決定性的作用,吸聲材料的發展進入了新的紀元。1910年到1915年?,他與公司合作?,先是開發了一種多孔的陶制品?,后來是一種多孔的磚?,使用于紐約的圣托馬斯教堂和河畔教堂。為了“較大限度地使風琴的聲音柔軟和豐富”,他建議在音樂室中用1寸厚的氈子和隔開1/4寸距離的絲板;為吸收低頻?,他建議用極薄的木板內包1寸厚的空間??梢哉f他為現代的室內聲學研究奠定了基礎。我國的聲學在1929年起步,馬大猷教授在1957年創立聲學研究

吸聲材料的歷史

人類在很早就意識到織物可以有效地阻擋聲音,因此從史前到埃及甚至到羅馬時期人們一直使用織物和蘆葦桿,干草等作為吸聲材料來消除回音和抵擋噪音,使人感到更加舒適。這些材料從本質上來講都是有機纖維材料,它們之間的微小縫隙使它們成為了天然的吸聲材料,直到如今有機纖維吸聲材料仍在發揮著它們的作用。

在古代許多國家和民族對聲學的研究頗有建樹,也積累了大量經驗但是對吸聲材料的研究始終有限。對吸聲材料的科學研究是與室內聲學設計理論緊密相聯系的。終于1898W.C.賽賓創立了混響理論,并指出了吸聲對于房間混響具有決定性的作用,吸聲材料的發展進入了新的紀元。

1910年到1915 ,他與公司合作 ,先是開發了一種多孔的陶制品 ,后來是一種多孔的磚 ,使用于紐約的圣托馬斯教堂和河畔教堂。為了“較大限度地使風琴的聲音柔軟和豐富”,他建議在音樂室中用1寸厚的氈子和隔開1/4寸距離的絲板;為吸收低頻 ,他建議用較薄的木板內包1寸厚的空間??梢哉f他為現代的室內聲學研究奠定了基礎。

我國的聲學在1929年起步,馬大猷教授在1957年創立聲學研究室后我國的聲學研究有了實質性的發展。在馬大猷教授帶領下我國提出了微穿孔吸聲體理論,研制了小孔消聲器,有效地降低氣流噪聲。并建立了氣流噪聲的壓力定律。為我國聲學發展奠定了堅實的基礎。

50年代人們開始研究聲音心理學。從1951的哈斯效應,60年代末的雙耳聽聞

效應到70年代提出的明晰度、雙耳關聯系數IACC等概念與指標,這些理論為準確布置吸聲材料提供了可靠的理論支持。這個時期吸聲材料的研究開始深入細致。吸聲材料的研究還涉及到除聲性能外的其它性質。如材料的力學、熱學和光學性質 ,材料的防潮、耐火、維護、施工和藝術效果等因素 ,對吸聲材料的選擇與安裝位置也逐漸準確化。在劇院設計中,觀眾也被作為一個大吸聲體進行了詳細的研究。

根據疏松多孔的材料對聲音的這種特性,人們制造出了吸聲材料,即多孔吸聲材料,多孔材料是當前應用較為廣泛的吸聲材料,它的類型包括無機與有機纖維狀多孔吸聲材料、泡沫狀多孔吸聲材料、顆粒狀多孔吸聲材料等。隨著聲學、技術的發展、創新,聲學工作者的潛心研究以及市場的開發,還會有新的多孔吸聲材料問世。目前,多孔吸聲材料在會議廳、音樂廳、大禮堂、等對聲音要求較高的建筑上,應用的很廣泛。

多孔吸聲材料原理

所謂多孔吸聲材料,就是這類材料是由固體筋絡和微孔或間隙所組成。多孔吸聲材料內部具有大量互相連通的微孔或間隙而且孔隙細小且在材料內部均勻分布,向外開敞病深入材料的內部。其吸聲機理是當聲波入射到材料表面時一部分在材料表面反射,另一部分則透人到材料內部向前傳播,在傳播過程中,引起孔隙中的空氣運動,與形成孔壁的固體孔筋或孔壁發生摩擦,由于粘滯性和熱傳導效應,將聲能轉變為熱能耗散掉。聲波在剛性壁面反射后,經過材料回到表面時,一部分聲波透射到空氣中一部分又反射回材料內部聲波通過這種反復傳播,使能量不斷轉換耗散,如此反復,直到平衡,由此使材料吸收部分聲能。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。這就使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能。

多孔吸聲材料的分類

多孔吸聲材料的的吸聲效果較好,是應用較普遍的吸聲材料,起初這類材料以麻、棉等有機材料為主,現在則以玻璃棉、巖棉為主。

3.1 纖維材料

纖維材料按其選材的物理特性和外觀主要分為有機纖維吸聲材料、無機纖維吸聲材料

3. 1.1 有機纖維材料

傳統的有機纖維吸聲材料在中、高頻范圍具有良好的吸聲性能,大概分為動物纖維和植物纖維。動物纖維材料主要有毛氈和純毛地毯,其特點的吸聲性能好,裝修效果華麗,但價格較貴,很少使用。植物纖維材料如甘蔗纖維板、木質纖維板、水泥木絲板等有機天然纖維材料以及丙烯腈纖維、聚酯纖維、三聚氰胺等化學纖維材料但這類材料的防火、防腐、防潮等性能較差應用時受環境條件的制約。

3.1.2 無機纖維材料

無機纖維材料主要有巖棉、玻璃棉、礦渣棉以及硅酸鋁纖維棉等由于具有吸聲性能好、質輕、不蛀、不腐、不燃、不老化等特點,從而逐漸替代了傳統的天然纖維吸聲材料在聲學工程中得到了廣泛應用。但是由于纖維性脆易于折斷產生的纖維粉末會在空中飛揚形成的粉塵會刺癢皮膚污染環境影響呼吸這是它在應用中的缺點。過去的玻璃纖維和天然纖維與合成有機纖維相比不易老化的特性曾經是玻纖材料性能的一個優點但是從環境保護的角度來看材料的不易降解使其會成為固體廢棄物對環境造成二次污染.

3.2 泡沫材料

泡沫材料主要有泡米塑料、聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃和加氣混凝土等。根據泡沫材料孔形式的不同可分為閉孔、開孔和半開孔。微孔間互相封閉的稱為閉孔型泡沫材料互相連通的稱為開孔型泡沫材料既有連通又有封閉的為半開孔型泡沫材料 。

3.2.1 閉孔泡沫材料

閉孔結構的泡沫金屬材料,以閉孔泡沫鋁為代表閉孔泡沫鋁的吸聲系數比較低是由于聲波很難到達孔隙內部與其內部相互作用僅有一些裂縫和微孔本身并不能作良好的吸聲材料。

3.2.2 半開孔泡沫材料

半開孔泡沫鋁可以通過高壓滲流制備在其制備過程中通過控制制備參數來達到預計的孔連接性。

3.2.3 開孔泡沫材料

可以通過控制顆粒的形狀尺寸來控制孔隙率和孔形狀能夠制高孔率材料由于開孔泡沫材料具有復雜的渠道結構以及表面粗糙的內部空隙導致其具有較高流阻所以開孔泡沫鋁的整體吸聲性能要比閉孔的好的多。

3.3 顆粒材料

顆粒材料主要分為砌塊和板材。砌塊主要有礦渣吸聲磚、膨脹珍珠巖吸聲磚、陶土吸聲磚,多用于砌筑截面較大的消聲器 。板材主要有膨脹珍珠巖吸聲裝飾板,其質輕、不燃、保溫、隔熱、強度偏低。但顆粒材料吸聲效果相對較差,所以一般用于對防潮防火要求較高的場合。

3.4 金屬材料

以金屬粉末為原材料生產的多孔性吸聲材料是近年出現的新型吸聲材料,比如日本生產的卡羅姆金屬吸聲板。它的優點是具有金屬的強度,用簡單的工具就可以進行折彎、切割等,同時,還有防火、耐腐蝕、不易損壞、便于安裝施工等。但是這類材料大多較薄,需要借助于背后的空腔。

未來展望

如今在研究了吸聲材料的表面形狀與吸聲系數的關系后,人們發明了楔形的多孔吸聲材料,它可以改善一定波段的聲吸收和透射損失。而纖維吸聲材料因為廉價又開始展現出其強大的生命力,顆粒型的吸聲材料也開始在特殊環境下發揮著他的耐用優勢。

為了代替危害健康的礦物纖維吸聲材料,德國首先研制出了微穿孔板,一種綠色高效的共振吸聲結構,微穿孔板及結構作為無纖維粉塵污染的一種有效吸聲材料在室內建筑與工業界的噪聲控制中,特別是在高溫、高聲強極端惡劣環境或高度清潔要求的特殊環境中有著廣泛的應用前景,所以也將是今后會得到繼續發展的研究方向,特別是擴展吸聲頻寬及低頻噪聲的研究、利用不同材質或微穿孔的衍生結構-柔性管束穿孔板吸聲結構、以及發展微穿孔板及結構在不同環境比

如高溫、高聲強等環境下的應用,有著廣泛的應用前景。

隨著社會進步,人們對聲環境質量的要求越來越高,單一的吸聲材料已經不能滿足環保及高效吸聲等要求,吸聲材料的應用將愈加廣泛,使用量也將逐年增加,在工業固體廢棄物中,應當加強高爐渣、粉煤灰、煤矸石等大宗固體廢棄物制備吸聲材料的研究,進一步探索以鋼渣、尾礦粉、 建筑垃圾等為原料制備吸聲材料的可能性,從而實現吸聲材料的低成本制備和工業化應用。

在未來環保型和安全型聲學材料將會是發展重點。生態環保和可持續發展是新世紀建筑更新換代的側重點,更是21世紀全球研究的主課題。生產對人體無害、能循環利用、高效的吸聲材料,具有良好的應用前景。同時,也應注重產品的美學設計,使吸聲材料既具有實用性,又具有觀賞性。


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多孔吸聲材料的發展
2019-05-29

吸聲材料的歷史

人類在很早就意識到織物可以有效地阻擋聲音,因此從史前到埃及甚至到羅馬時期人們一直使用織物和蘆葦桿,干草等作為吸聲材料來消除回音和抵擋噪音,使人感到更加舒適。這些材料從本質上來講都是有機纖維材料,它們之間的微小縫隙使它們成為了天然的吸聲材料,直到如今有機纖維吸聲材料仍在發揮著它們的作用。

在古代許多國家和民族對聲學的研究頗有建樹,也積累了大量經驗但是對吸聲材料的研究始終有限。對吸聲材料的科學研究是與室內聲學設計理論緊密相聯系的。終于1898W.C.賽賓創立了混響理論,并指出了吸聲對于房間混響具有決定性的作用,吸聲材料的發展進入了新的紀元。

1910年到1915 ,他與公司合作 ,先是開發了一種多孔的陶制品 ,后來是一種多孔的磚 ,使用于紐約的圣托馬斯教堂和河畔教堂。為了“較大限度地使風琴的聲音柔軟和豐富”,他建議在音樂室中用1寸厚的氈子和隔開1/4寸距離的絲板;為吸收低頻 ,他建議用較薄的木板內包1寸厚的空間??梢哉f他為現代的室內聲學研究奠定了基礎。

我國的聲學在1929年起步,馬大猷教授在1957年創立聲學研究室后我國的聲學研究有了實質性的發展。在馬大猷教授帶領下我國提出了微穿孔吸聲體理論,研制了小孔消聲器,有效地降低氣流噪聲。并建立了氣流噪聲的壓力定律。為我國聲學發展奠定了堅實的基礎。

50年代人們開始研究聲音心理學。從1951的哈斯效應,60年代末的雙耳聽聞

效應到70年代提出的明晰度、雙耳關聯系數IACC等概念與指標,這些理論為準確布置吸聲材料提供了可靠的理論支持。這個時期吸聲材料的研究開始深入細致。吸聲材料的研究還涉及到除聲性能外的其它性質。如材料的力學、熱學和光學性質 ,材料的防潮、耐火、維護、施工和藝術效果等因素 ,對吸聲材料的選擇與安裝位置也逐漸準確化。在劇院設計中,觀眾也被作為一個大吸聲體進行了詳細的研究。

根據疏松多孔的材料對聲音的這種特性,人們制造出了吸聲材料,即多孔吸聲材料,多孔材料是當前應用較為廣泛的吸聲材料,它的類型包括無機與有機纖維狀多孔吸聲材料、泡沫狀多孔吸聲材料、顆粒狀多孔吸聲材料等。隨著聲學、技術的發展、創新,聲學工作者的潛心研究以及市場的開發,還會有新的多孔吸聲材料問世。目前,多孔吸聲材料在會議廳、音樂廳、大禮堂、等對聲音要求較高的建筑上,應用的很廣泛。

多孔吸聲材料原理

所謂多孔吸聲材料,就是這類材料是由固體筋絡和微孔或間隙所組成。多孔吸聲材料內部具有大量互相連通的微孔或間隙而且孔隙細小且在材料內部均勻分布,向外開敞病深入材料的內部。其吸聲機理是當聲波入射到材料表面時一部分在材料表面反射,另一部分則透人到材料內部向前傳播,在傳播過程中,引起孔隙中的空氣運動,與形成孔壁的固體孔筋或孔壁發生摩擦,由于粘滯性和熱傳導效應,將聲能轉變為熱能耗散掉。聲波在剛性壁面反射后,經過材料回到表面時,一部分聲波透射到空氣中一部分又反射回材料內部聲波通過這種反復傳播,使能量不斷轉換耗散,如此反復,直到平衡,由此使材料吸收部分聲能。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。這就使多孔材料具有良好的高頻吸聲性能。

多孔吸聲材料的分類

多孔吸聲材料的的吸聲效果較好,是應用較普遍的吸聲材料,起初這類材料以麻、棉等有機材料為主,現在則以玻璃棉、巖棉為主。

3.1 纖維材料

纖維材料按其選材的物理特性和外觀主要分為有機纖維吸聲材料、無機纖維吸聲材料

3. 1.1 有機纖維材料

傳統的有機纖維吸聲材料在中、高頻范圍具有良好的吸聲性能,大概分為動物纖維和植物纖維。動物纖維材料主要有毛氈和純毛地毯,其特點的吸聲性能好,裝修效果華麗,但價格較貴,很少使用。植物纖維材料如甘蔗纖維板、木質纖維板、水泥木絲板等有機天然纖維材料以及丙烯腈纖維、聚酯纖維、三聚氰胺等化學纖維材料但這類材料的防火、防腐、防潮等性能較差應用時受環境條件的制約。

3.1.2 無機纖維材料

無機纖維材料主要有巖棉、玻璃棉、礦渣棉以及硅酸鋁纖維棉等由于具有吸聲性能好、質輕、不蛀、不腐、不燃、不老化等特點,從而逐漸替代了傳統的天然纖維吸聲材料在聲學工程中得到了廣泛應用。但是由于纖維性脆易于折斷產生的纖維粉末會在空中飛揚形成的粉塵會刺癢皮膚污染環境影響呼吸這是它在應用中的缺點。過去的玻璃纖維和天然纖維與合成有機纖維相比不易老化的特性曾經是玻纖材料性能的一個優點但是從環境保護的角度來看材料的不易降解使其會成為固體廢棄物對環境造成二次污染.

3.2 泡沫材料

泡沫材料主要有泡米塑料、聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃和加氣混凝土等。根據泡沫材料孔形式的不同可分為閉孔、開孔和半開孔。微孔間互相封閉的稱為閉孔型泡沫材料互相連通的稱為開孔型泡沫材料既有連通又有封閉的為半開孔型泡沫材料 。

3.2.1 閉孔泡沫材料

閉孔結構的泡沫金屬材料,以閉孔泡沫鋁為代表閉孔泡沫鋁的吸聲系數比較低是由于聲波很難到達孔隙內部與其內部相互作用僅有一些裂縫和微孔本身并不能作良好的吸聲材料。

3.2.2 半開孔泡沫材料

半開孔泡沫鋁可以通過高壓滲流制備在其制備過程中通過控制制備參數來達到預計的孔連接性。

3.2.3 開孔泡沫材料

可以通過控制顆粒的形狀尺寸來控制孔隙率和孔形狀能夠制高孔率材料由于開孔泡沫材料具有復雜的渠道結構以及表面粗糙的內部空隙導致其具有較高流阻所以開孔泡沫鋁的整體吸聲性能要比閉孔的好的多。

3.3 顆粒材料

顆粒材料主要分為砌塊和板材。砌塊主要有礦渣吸聲磚、膨脹珍珠巖吸聲磚、陶土吸聲磚,多用于砌筑截面較大的消聲器 。板材主要有膨脹珍珠巖吸聲裝飾板,其質輕、不燃、保溫、隔熱、強度偏低。但顆粒材料吸聲效果相對較差,所以一般用于對防潮防火要求較高的場合。

3.4 金屬材料

以金屬粉末為原材料生產的多孔性吸聲材料是近年出現的新型吸聲材料,比如日本生產的卡羅姆金屬吸聲板。它的優點是具有金屬的強度,用簡單的工具就可以進行折彎、切割等,同時,還有防火、耐腐蝕、不易損壞、便于安裝施工等。但是這類材料大多較薄,需要借助于背后的空腔。

未來展望

如今在研究了吸聲材料的表面形狀與吸聲系數的關系后,人們發明了楔形的多孔吸聲材料,它可以改善一定波段的聲吸收和透射損失。而纖維吸聲材料因為廉價又開始展現出其強大的生命力,顆粒型的吸聲材料也開始在特殊環境下發揮著他的耐用優勢。

為了代替危害健康的礦物纖維吸聲材料,德國首先研制出了微穿孔板,一種綠色高效的共振吸聲結構,微穿孔板及結構作為無纖維粉塵污染的一種有效吸聲材料在室內建筑與工業界的噪聲控制中,特別是在高溫、高聲強極端惡劣環境或高度清潔要求的特殊環境中有著廣泛的應用前景,所以也將是今后會得到繼續發展的研究方向,特別是擴展吸聲頻寬及低頻噪聲的研究、利用不同材質或微穿孔的衍生結構-柔性管束穿孔板吸聲結構、以及發展微穿孔板及結構在不同環境比

如高溫、高聲強等環境下的應用,有著廣泛的應用前景。

隨著社會進步,人們對聲環境質量的要求越來越高,單一的吸聲材料已經不能滿足環保及高效吸聲等要求,吸聲材料的應用將愈加廣泛,使用量也將逐年增加,在工業固體廢棄物中,應當加強高爐渣、粉煤灰、煤矸石等大宗固體廢棄物制備吸聲材料的研究,進一步探索以鋼渣、尾礦粉、 建筑垃圾等為原料制備吸聲材料的可能性,從而實現吸聲材料的低成本制備和工業化應用。

在未來環保型和安全型聲學材料將會是發展重點。生態環保和可持續發展是新世紀建筑更新換代的側重點,更是21世紀全球研究的主課題。生產對人體無害、能循環利用、高效的吸聲材料,具有良好的應用前景。同時,也應注重產品的美學設計,使吸聲材料既具有實用性,又具有觀賞性。


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