低頻吸聲材料的研究進(jìn)展*

敖慶波，王建忠，李 燁，馬 軍，吳 琛

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710016)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，以低頻噪聲為主(聲波頻率≤500 Hz)的城市共建和高層住宅中的各類動(dòng)力設(shè)備(水泵、壓縮機(jī)、中央空調(diào)(包括冷卻塔)、通風(fēng)設(shè)備等)噪聲已成為最重要的社會(huì)生活噪聲源。低頻噪聲源既可造成神經(jīng)衰弱、失眠、頭痛等各種神經(jīng)官能癥，又會(huì)使心臟、肺、脾、腎、肝等受到不可逆的損害。除此之外，低頻噪聲還會(huì)對(duì)航空航天、核潛艇、精密武器、裝甲車等國(guó)防現(xiàn)代裝備中的精密儀器產(chǎn)生不良影響，極大地降低裝備的精度和生存能力[1-2]。因此，低頻噪聲已成為威脅人類身體健康和國(guó)防安全的隱形殺手。

目前，主要采用吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)降噪[3-5]。由于低頻噪聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)與低頻聲波的相互作用較弱，使其低頻吸聲性能較差，如厚度為20 mm的梯度結(jié)構(gòu)金屬纖維多孔吸聲材料，當(dāng)聲波頻率為50～500 Hz時(shí)，其平均吸聲系數(shù)僅為0.06[6]，即使材料厚度增加到30 mm，其平均吸聲系數(shù)也僅為0.12[7]。通過(guò)調(diào)控與優(yōu)化吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)改善低頻吸聲性能也不太理想，而且吸聲結(jié)構(gòu)僅在共振頻率處的吸聲系數(shù)較高，其他頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)很低，近乎為0。

近年來(lái)，眾多科研人員通過(guò)調(diào)控多孔材料(金屬纖維/金屬泡沫多孔材料、穿孔板、超材料等)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、降低共振頻率等措施來(lái)提高材料的低頻吸聲系數(shù)，得到了一些規(guī)律性和具有指導(dǎo)性的研究結(jié)果，在一定厚度條件下，設(shè)計(jì)出的新型結(jié)構(gòu)能夠使低頻處的吸聲系數(shù)提高很多。本文就幾種典型的吸聲材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及低頻吸聲性能特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

1 穿孔板復(fù)合材料

穿孔板是由薄板(如鋼板、鋁板、膠合板、塑料板等)按照一定的孔徑和穿孔率打上孔，在其背后留下一定厚度的空腔，形成共振吸聲結(jié)構(gòu)。穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)相當(dāng)于由許多單個(gè)共振器并聯(lián)而成，當(dāng)聲波垂直入射到穿孔板表面時(shí)，孔內(nèi)及周圍的空氣隨聲波一起來(lái)回振動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)“活塞”，它反抗體積速度的變化，穿孔板與壁面間的空氣層相當(dāng)于一個(gè)“彈簧”，它阻止聲壓的變化。此外，由于空氣在穿孔附近來(lái)回振動(dòng)存在摩擦阻尼，也可以消耗聲能[8]。

吸聲特性：當(dāng)入射聲波的頻率接近穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)固有的共振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣的振動(dòng)很強(qiáng)烈，聲能大量損耗，即聲吸收最大。相反，當(dāng)入射聲波的頻率遠(yuǎn)離穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的共振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣的振動(dòng)很弱，因此吸聲的作用很小。

有關(guān)穿孔板的聲學(xué)特性及性能開發(fā)的相關(guān)研究很多，且由于其不怕水和潮氣、防火、清潔、無(wú)污染、耐高溫、耐腐蝕、能承受高速氣流沖擊，且其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用到各個(gè)噪聲防護(hù)領(lǐng)域，但是針對(duì)低頻噪聲治理還存在性能不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，單獨(dú)使用穿孔板是吸收不了低頻噪聲，很多科研人員利用穿孔板和其它材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，利用穿孔板單頻段吸聲性能好的優(yōu)點(diǎn)，研制出部分穿孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)用于低頻噪聲治理：(1)通過(guò)添加空腔(20 mm)，并在微穿孔板前增加復(fù)合阻尼材料，最終得到共振頻率為340 Hz處的吸聲系數(shù)為0.9的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[9]，但是該結(jié)構(gòu)在其他頻率處的吸聲性能很差，即吸聲頻帶較窄。(2)在蜂窩波紋復(fù)合芯體的基礎(chǔ)上，引入穿孔結(jié)構(gòu)，形成穿孔蜂窩波紋復(fù)合芯體[10]，通過(guò)改變穿孔板孔徑大小、穿孔板厚度、復(fù)合芯體厚度等參數(shù)獲得超寬帶低頻吸聲結(jié)構(gòu)，聲波頻率為290～1 000 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)均大于0.5(圖1)，其厚度大于超過(guò)20 mm。(3)研究者[11]還借鑒聲學(xué)超材料的新思路，將微穿孔板結(jié)構(gòu)與空間折疊型超材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種折疊式微穿孔板型元胞結(jié)構(gòu)，在保持低頻特性的同時(shí)，具有更寬的峰值，設(shè)計(jì)了多單元耦合的寬頻吸聲體，其厚度為60 mm，在550～2 500 Hz范圍內(nèi)其平均吸聲系數(shù)高達(dá)90%以上。

圖1 穿孔蜂窩波紋復(fù)合芯體示意圖[10]Fig 1 Schematic of perforated honeycomb-corrugation hybrid (PHCH) metamaterial

2 金屬泡沫材料

金屬泡沫材料是一種在基體中分布有孔隙的多孔金屬材料。泡沫金屬具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐高溫和潮濕及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。金屬泡沫材料在中高頻的吸聲性能較好，在低頻處的吸聲性能較差。制備金屬泡沫的方法有電沉積法、掛漿高溫真空燒結(jié)法、粉末冶金造孔劑法等[12]，所涉及的材質(zhì)分別為銅、不銹鋼、鋁、鎳等等。

金屬泡沫材料作為吸聲材料，中低頻(200～1 000 Hz)的吸聲系數(shù)均達(dá)不到0.2[13]，通過(guò)增加背后的空腔，可以明顯提高金屬泡沫材料在低頻處的吸聲系數(shù)，如彭康[14]等人研究了通過(guò)添加空腔改善電沉積法制備的泡沫銅低頻條件下的吸聲性能，結(jié)果表明添加空腔可以明顯提高泡沫銅低于1800 Hz的頻率下的吸聲系數(shù)，10 mm的泡沫銅吸聲系數(shù)從0.125通過(guò)添加10 mm空腔后，吸聲系數(shù)增加到0.3，添加20 mm時(shí)，吸聲系數(shù)增加到0.485。

在泡沫金屬材料前面添加穿孔板對(duì)提高金屬泡沫吸聲性能作用不大，在金屬泡沫前后均添加穿孔板可以明顯提高泡沫金屬材料在低頻處的吸聲性能，但隨著金屬泡沫厚度的增加，提高低頻吸聲性能的效果越來(lái)越弱[15]。

段翠云等人[16-17]制備的孔隙率為89%，厚度為2.3 cm，平均孔徑為0.57 cm的泡沫鎳，5層泡沫鎳加5 cm厚空腔在1 000～1 600 Hz范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)最高可達(dá)0.4左右，且雙層泡沫鎳與相同的5 cm空腔，附加穿孔薄板后的復(fù)合結(jié)構(gòu)在1 000 Hz的頻率處的吸聲系數(shù)達(dá)0.68。

圖2 泡沫鎳的微觀照片F(xiàn)ig 2 SEM images of nickel foam

3 聲學(xué)超材料

超材料由于其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，逐漸成為聲學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。聲學(xué)超材料目前研究較多的結(jié)構(gòu)：利用3D打印技術(shù)制備具有不同微孔結(jié)構(gòu)的材料，金屬片狀結(jié)構(gòu)與薄膜結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用的復(fù)合材料，與穿孔板結(jié)合設(shè)計(jì)復(fù)雜通道的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

利用3D打印技術(shù)制備的孔徑為190 μm的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)超材料(孔徑為粘滯邊界層厚度2倍)，該材料在500 Hz處的吸聲系數(shù)達(dá)到0.6以上(材料厚度50 mm)[18]。北京理工大學(xué)[19]利用3D打印技術(shù)制備了由兩個(gè)串聯(lián)軸向耦合管組成的聲學(xué)超材料，通過(guò)設(shè)計(jì)耦合管的幾何參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出頻率為36 ～100 Hz范圍內(nèi)吸聲系數(shù)大于0.8的超材料(材料厚度為20 mm)，其波長(zhǎng)與厚度之比高達(dá)38.5倍。Alexandre Leblanc[20]等人利用3D打印技術(shù)制備了膜振動(dòng)材料，膜尺寸為50 mm，中心小板質(zhì)量為1.5 g(小板半徑為10 mm，高度為4 mm)，其聲傳遞損失值在180 Hz處出現(xiàn)最大值，約為22.5 dB，但其他頻率處損失值很小。

Jun Mei 等人[21]提出聲學(xué)“暗”材料，用設(shè)計(jì)的剛性平板裝飾彈性薄膜，所制備的超材料在170 Hz時(shí)可以吸收86%的聲波，材料厚度為28 mm。

在膜振動(dòng)材料研究方面提出來(lái)磁力負(fù)剛度的解決方法，具有磁力負(fù)剛度機(jī)制的薄膜復(fù)合材料共振頻率顯著下降，可以用較小的背腔實(shí)現(xiàn)低頻吸聲[22]。負(fù)剛度的實(shí)現(xiàn)是在背腔中心加入磁鐵，薄膜中心粘接輕質(zhì)圓形小鐵片。利用磁鐵對(duì)小鐵片的磁力吸附作用來(lái)減弱背腔的剛度，解決輕薄薄膜結(jié)構(gòu)低頻吸聲差的問(wèn)題。由薄膜和剛性背腔組成吸聲結(jié)構(gòu)，背腔深度從20 mm增加到50 mm的過(guò)程中，共振峰值從800 Hz移動(dòng)到600 Hz，400 Hz，吸聲系數(shù)約為0.9。

圖3 磁力負(fù)剛度薄膜吸聲結(jié)構(gòu)Fig 3 Membrane-type absorber with magnetic negative stiffness

非對(duì)稱超材料的研制，是利用降低共振帶寬使吸聲共振頻率向低頻移動(dòng)。西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)的非對(duì)稱聲學(xué)超材料：由四個(gè)相同大小的單元組成，每個(gè)單元有兩個(gè)不同的質(zhì)量塊[23]，共計(jì)8個(gè)，質(zhì)量塊的密度從1 000～7 870 kg/m3不等。其中硅膠薄膜的厚度為0.2 mm，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了195～800 Hz的頻率范圍內(nèi)吸聲系數(shù)均在0.3～0.45范圍內(nèi)波動(dòng)。

軍械工程學(xué)院[24]利用PET薄膜、硅橡膠薄膜和金屬片復(fù)合制備的鑲嵌薄膜結(jié)構(gòu)，其中寬為2 mm的條形薄膜上鑲嵌由半徑為8 mm 的半圓金屬片與尺寸為18 mm×15 mm 的硅橡膠薄膜組成的結(jié)構(gòu)單元，厚度為1 mm的金屬片形態(tài)各異的分布在矩形薄膜上。300～850 Hz的頻率范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)均在0.5以上。

聲學(xué)超材料不僅結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，且制備出的樣品低頻處的吸聲性能也表現(xiàn)較好。但由于聲學(xué)超材料的制作技術(shù)和材料本身的可加工性、使用壽命，以及批量生產(chǎn)的需求，使其大多限于實(shí)驗(yàn)研究中。

4 金屬纖維多孔復(fù)合材料

金屬纖維多孔材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類具有廣闊應(yīng)用前景的吸聲材料，其內(nèi)部纖維呈雜亂無(wú)章排列，且具有大量連通的孔隙(圖4)，此獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的吸聲性能，可用于高溫、承載、振動(dòng)等特殊的吸聲場(chǎng)所。

目前，科研人員[25-34]主要針對(duì)金屬纖維多孔材料的孔隙率、厚度、纖維直徑、纖維材質(zhì)、空腔厚度、聲壓級(jí)、環(huán)境溫度等因素對(duì)其吸聲性能的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為了進(jìn)一步提高金屬纖維多孔材料的吸聲性能，西北有色金屬研究院設(shè)計(jì)并制備出了2種梯度孔結(jié)構(gòu)金屬纖維多孔材料(絲經(jīng)梯度孔結(jié)構(gòu)和孔隙率梯度孔結(jié)構(gòu))，并通過(guò)優(yōu)化聲學(xué)界面數(shù)量、排列方式使多孔材料的吸聲性能獲得顯著提升，在聲波頻率為1500 ～ 6400 Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)均大于0.90，最高可達(dá)0.998(材料厚度為75 mm)[33-37]。

圖4 金屬纖維束照片與金屬纖維多孔材料的微觀照片F(xiàn)ig 4 The photo of the metal fiber bundle and SEM image of metal fiber porous materials

金屬纖維多孔材料是在苛刻環(huán)境下做噪聲控制的優(yōu)選材料，鑒于超材料的膜振動(dòng)設(shè)計(jì)思路，結(jié)合金屬纖維多孔材料優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性，開發(fā)出一種金屬纖維復(fù)合膜材料，研究了金屬薄膜和金屬纖維多孔材料的排列方式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合膜材料吸聲性能的影響規(guī)律。厚度為4.2 mm的金屬纖維復(fù)合膜材料在500～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為0.23，與穿孔板結(jié)合后的金屬纖維復(fù)合膜材料在500～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為0.39[38]。

5 結(jié) 論

近年來(lái)很多應(yīng)用領(lǐng)域如航天器、大飛機(jī)、潛艇等現(xiàn)代裝備都希望所用材料在解決低頻噪聲的同時(shí)，還能節(jié)約大量空間，這就是所謂限域空間的噪聲控制，實(shí)現(xiàn)利用小尺寸結(jié)構(gòu)高效調(diào)控低頻聲波是聲學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)和急需解決的科學(xué)難題，也是設(shè)計(jì)現(xiàn)代裝備長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。

很多材料雖然可設(shè)計(jì)性很強(qiáng)，但是在尺寸限定后就無(wú)法發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ錂C(jī)械加工性、使用壽命和批量生產(chǎn)要求嚴(yán)格，這使很多材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證到實(shí)際生產(chǎn)一個(gè)完整的工序。金屬纖維多孔材料通過(guò)結(jié)合微穿孔板、金屬薄膜制備的復(fù)合材料，不僅聲學(xué)性能滿足應(yīng)用要求，其可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)一整套工序，由于其具有金屬本身特性，其適應(yīng)環(huán)境性和使用壽命均可達(dá)到要求，所以金屬纖維多孔復(fù)合材料在低頻噪聲治理領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景。