一種新型多孔玻璃的制備及吸聲性能研究

鄒偉仁, 徐穎, 方慶川, 羅璐, 王常力

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.深圳中雅機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司, 廣東 深圳 518031)

噪聲污染是嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一[1]。近年來(lái),隨著高鐵的快速發(fā)展與機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量急劇增加,交通噪聲問(wèn)題已嚴(yán)重影響人民生活與工作。吸聲材料作為降低噪聲,改善聲環(huán)境的有效措施之一[1-3],目前已被廣泛應(yīng)用到很多實(shí)際工程領(lǐng)域,特別是在開(kāi)闊或者大的封閉環(huán)境內(nèi)。具有寬頻帶及高吸聲系數(shù)的材料主要是各種多孔材料,如礦棉、玻璃纖維氈、有機(jī)纖維氈、金屬纖維氈、泡沫金屬、泡沫塑料和泡沫玻璃等[2-3]。雖然礦棉和玻璃纖維氈具有阻燃、耐腐蝕、抗老化等特點(diǎn),而且具有很好的吸聲性能,但在施工及應(yīng)用時(shí)存在纖維散落,造成環(huán)境二次污染的現(xiàn)象,因而應(yīng)用存在隱患。金屬纖維氈和泡沫金屬具有強(qiáng)度高,耐腐蝕,耐高溫等優(yōu)點(diǎn),但材料的成本較高。有機(jī)泡沫塑料的強(qiáng)度、易燃、易老化和耐腐蝕性較差,應(yīng)用受到限制。

泡沫玻璃不僅具有阻燃、耐腐蝕、抗老化、強(qiáng)度較高、比重小以及成本低等優(yōu)勢(shì)[4],而且避免了纖維氈散落引起的二次污染的缺點(diǎn)。泡沫玻璃的特點(diǎn)是泡孔結(jié)構(gòu)連通性不佳,吸聲效果較差。鐘祥璋[5]發(fā)現(xiàn)泡沫玻璃吸聲性能不是很理想,采用板面鉆孔和邊緣留縫的方法提高吸聲性能;毛東興[6]為了提高泡沫玻璃的吸聲性能,在泡沫玻璃中加工一定深度的小孔以改善吸聲性能。造成玻璃泡孔不連通的主要原因是采用的是高溫發(fā)泡工藝,高溫熔融狀態(tài)下的玻璃熔體粘度較大,不易形成連通孔結(jié)構(gòu),因此,影響泡沫玻璃的吸聲性能。本文采用新的制備工藝——鹽模燒結(jié)法,制成內(nèi)孔連通,高孔隙率的多孔玻璃材料,獲得高吸聲性能的多孔玻璃。

1 樣品制備

鹽模燒結(jié)法制備樣品:選擇一定尺寸玻璃粉、細(xì)硼酸以及不與玻璃粉和硼酸反應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽,將它們混合均勻后裝入模具中壓制成一定厚度的初樣品;然后將初樣品放入馬弗爐中,在一定溫度下燒結(jié),然后冷卻至室溫;最后將無(wú)機(jī)鹽溶出,干燥后得到多孔玻璃材料。采用丹麥B&K公司的4206型雙傳聲器阻抗測(cè)量管測(cè)量樣品的吸聲性能,頻率范圍是50～6 400 Hz。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 孔隙率對(duì)吸聲性能的影響

孔隙率分別為50.4%、56.4%、62.3%、68.2%、74.1%以及80%,選擇無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑范圍為80～90目,即孔徑范圍與無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑基本相同,直徑為29 mm的樣品。后空腔深度為0 mm時(shí),吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示,吸聲參數(shù)如表1所示。測(cè)試采用B&K公司的4206雙傳聲器阻抗管法測(cè)試吸聲系數(shù)。

圖1 孔隙率對(duì)吸聲性能的影響

表1 不同孔隙率材料的吸聲參數(shù)

由圖1可以看出,多孔玻璃材料具有非常寬的吸聲頻帶,吸聲系數(shù)在高于峰值頻率后的波動(dòng)不大,具有優(yōu)異的吸聲性能。

隨孔隙率增大,吸聲系數(shù)曲線呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,即吸收峰略向高頻移動(dòng),從孔隙率為62.3%的2 008 Hz移到孔隙率為80%的2 410 Hz,移動(dòng)頻帶為402 Hz。共振吸聲系數(shù)顯著增大,從孔隙率為50.4%的0.3到孔隙率為80%的1.0?？梢钥闯?孔隙率低于50%時(shí),材料幾乎無(wú)吸聲作用。這是由于材料聲阻過(guò)大,阻礙聲波進(jìn)入材料造成的。當(dāng)孔隙率為80%時(shí),顯示出優(yōu)異的中高頻吸聲性能,即非常寬的吸聲頻帶,吸收峰非常平坦,而且具有很高的吸聲系數(shù)。

2.2 孔徑對(duì)吸聲性能的影響

選擇采用無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑分別為:180～190目、110～120目、80～90目、60～70目和50～60目。制備厚度為10 mm,孔隙率為77.8%,樣品直徑為29 mm的5個(gè)樣品。后空腔深度為0 mm時(shí),吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示,吸聲參數(shù)如表2所示。

圖2 孔徑對(duì)吸聲性能的影響

表2 不同孔徑材料的吸聲參數(shù)

由圖2可見(jiàn),隨著孔徑的增大,吸聲曲線向高頻移動(dòng),從孔徑為0.08 mm的1 908 Hz移到孔徑為0.33 mm的2 688 Hz,移動(dòng)頻帶寬為780 Hz,平均吸聲系數(shù)先提高而后降低。從曲線1～曲線5的各種孔徑分布,均顯示了中高頻很好的吸聲性能。尤其是孔徑為0.18 mm時(shí),平均吸聲系數(shù)為0.66,吸聲頻帶從2 000～6 400 Hz均有很好的吸聲性能,即曲線3?？讖降倪M(jìn)一步增大,吸收峰向高頻移動(dòng),降低了2 400～2 700 Hz頻帶的吸聲性能。

2.3 多孔玻璃厚度對(duì)吸聲性能的影響

選擇無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑范圍為80～90目,制備孔隙率為77.8%,厚度(mm)分別為5、10、15、20、25、30,直徑為29 mm的6個(gè)樣品。當(dāng)后空腔為0 mm時(shí),吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示,吸聲參數(shù)如表3所示。

圖3 厚度對(duì)吸聲性能的影響

表3 不同厚度材料的吸聲參數(shù)

由圖3可見(jiàn),隨著厚度增加,吸聲曲線明顯向低頻移動(dòng),吸聲系數(shù)增大,起始頻率明顯向低頻移動(dòng),中低頻的吸聲性能顯著提高。如樣品厚度為30 mm,起始頻率為488 Hz,較樣品厚度為5 mm的起始為3 476 Hz向低頻移動(dòng)了2 988 Hz,因此增加厚度可以有效提高多孔玻璃的中低頻吸聲性能。

隨著厚度的增加,多孔玻璃的吸聲曲線并沒(méi)有明顯的多峰吸收,而是非常平穩(wěn)的吸收峰,具有很高吸聲系數(shù),如厚度為30 mm的樣品,平均吸聲系數(shù)為達(dá)0.8。因此,多孔玻璃材料可以實(shí)現(xiàn)非常卓越的吸聲性能。

2.4 后空腔深度對(duì)吸聲性能的影響

2.4.1 樣品厚度為10 mm時(shí)后空腔深度對(duì)吸聲性能的影響

選擇無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑范圍為80～90目,制備孔隙率為77.8%,厚度為10 mm,直徑為29 mm的樣品。改變后空腔深度,吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示,吸聲參數(shù)如表4所示。

圖4 后空腔對(duì)10 mm厚度樣品吸聲性能的影響

表4 10 mm厚度樣品不同后空腔深度的吸聲參數(shù)

從圖4可看出,增加后空腔深度可顯著提高材料的低中頻吸聲性能,吸聲頻帶變寬。當(dāng)有后空氣層時(shí),提高材料的抗性,吸聲系數(shù)大于0.5的吸聲頻帶加寬,但降低了2 000 Hz以上的吸聲性能,即出現(xiàn)單吸收峰。起始吸聲頻率從無(wú)后空腔的2 300 Hz到后空腔為18 mm時(shí)的688 Hz,向低頻移動(dòng)了1 612 Hz,有后空腔時(shí)材料的吸聲性能大大提高,共振吸聲系數(shù)基本不變,平均吸聲系數(shù)為0.72左右。

2.4.2 樣品厚度為30 mm時(shí)后空腔深度對(duì)吸聲性能的影響

選擇無(wú)機(jī)鹽顆粒的粒徑范圍為80～90目,制備孔隙率為79%,厚度為30 mm,直徑為29 mm的樣品。改變后空腔深度,吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示,吸聲參數(shù)如表5所示。

表5 30 mm厚度樣品不同后空腔深度的吸聲參數(shù)

圖5 后空腔對(duì)30 mm厚度樣品吸聲性能的影響

從圖5可以看出,隨著后空腔深度的增加,吸聲曲線向低頻移動(dòng)。起始吸聲頻率從無(wú)后空腔的612 Hz到后空腔為18 mm時(shí)的368 Hz,向低頻移動(dòng)了244 Hz,材料的低性能有所提高,共振吸聲系數(shù)稍有降低,總的吸收峰變化不大,仍然是很平穩(wěn)的高吸收峰,平均吸聲系數(shù)為0.78。

圖4和圖5進(jìn)行比較可以看出,后空腔深度對(duì)較薄材料的影響很顯著,即隨后空腔深度增加,吸收峰向低頻移動(dòng)幅度較大,有利于改善中低頻的吸聲性能,這是由于較薄的材料,聲阻較小,聲波比較容易穿過(guò)進(jìn)入后空腔,從而使后空腔起到了對(duì)聲波的進(jìn)一步衰減,正是由于后空腔的作用,使得3 000 Hz以上頻率的吸聲性能下降。對(duì)較厚的材料影響不大,即隨著后空腔深度的增加,吸收峰向低頻移動(dòng)的幅度小,但對(duì)低頻的改善也是較為有利的。由于較厚的材料的聲阻較大,聲波不容易穿過(guò),在材料內(nèi)部消耗了大部分,進(jìn)入后空腔的較少,因此后空腔的作用不及較薄材料的顯著。

2.5 多孔玻璃與玻璃棉的吸聲性能對(duì)比

選擇厚度(mm)分別為5、10、15、20、25、30,直徑為29 mm的6個(gè)玻璃棉樣品。當(dāng)后空腔為0 mm時(shí),吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示,吸聲參數(shù)如表6所示。

圖6 不同厚度玻璃棉的吸聲系數(shù)

表6 不同厚度玻璃棉的吸聲參數(shù)

由圖6所示,隨玻璃棉厚度的增加,在0～1 600 Hz范圍內(nèi)其吸聲系數(shù)增大,吸聲頻帶擴(kuò)寬。對(duì)比圖3與圖6可以看出,當(dāng)材料厚度相同時(shí),多孔玻璃呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的吸聲性能,即更寬的吸聲頻帶和高的吸聲系數(shù),起始頻率更低,如厚度為30 mm的樣品,多孔玻璃的起始頻率為488 Hz,而玻璃棉為1 584 Hz。

3 結(jié) 論

1) 孔隙率對(duì)多孔玻璃吸聲性能的影響十分顯著,高孔隙率有利于提高材料的吸聲性能,如孔隙率在74%～80%時(shí),可以獲得較高的吸聲系數(shù),而且吸聲頻帶向高頻移動(dòng)較少;

2) 孔徑對(duì)多孔玻璃吸聲的影響存在最佳的值,當(dāng)孔隙率為77.8%時(shí),孔徑為0.18 mm左右,吸聲性能可以獲得最佳值,即較其它孔徑具有高的吸聲系數(shù),起始吸聲頻率向高頻移動(dòng)較少;

3) 材料厚度對(duì)多孔玻璃吸聲性能的影響非常大,當(dāng)孔隙率為77.8%,孔徑為0.18 mm,隨著厚度的增加,吸收峰顯著向低頻移動(dòng),厚度為30 mm時(shí),得到具有平均吸聲系數(shù)為0.8,吸聲系數(shù)大于0.5的起始頻率為488 Hz的超寬頻帶吸聲性能材料,吸聲曲線為平坦的高吸聲曲線;

4) 后空腔深度的增加有利于提高材料中低頻吸聲性能,吸聲曲線向低頻移動(dòng)。對(duì)較薄材料影響顯著,對(duì)中低頻吸聲性能的改善十分有利,但會(huì)出現(xiàn)單峰吸收而影響大于3 000 Hz頻帶的吸聲性能。對(duì)較厚材料的影響不大,但對(duì)低頻的改善也是較為有利的,吸聲曲線形狀變化很小,仍然具有超寬頻帶和高的吸聲性能。

5) 與玻璃棉吸聲性能比較,多孔玻璃具有更加優(yōu)異的吸聲性能。

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