1 吸聲材料的歷史

人類在很早就意識(shí)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(shí)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(zhì)上來講都是有機(jī)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(jī)纖維吸聲材料仍在發(fā)揮著它們的作用。

在古代許多國(guó)家和民族對(duì)聲學(xué)的研究頗有建樹，也積累了大量經(jīng)驗(yàn)但是對(duì)吸聲材料的研究始終有限。對(duì)吸聲材料的科學(xué)研究是與室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)理論緊密相聯(lián)系的。終于1898年W.C.賽賓創(chuàng)立了混響理論，并指出了吸聲對(duì)于房間混響具有決定性的作用，吸聲材料的發(fā)展進(jìn)入了新的紀(jì)元。

1910年到1915年 ,他與公司合作 ,先是開發(fā)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“最大限度地使風(fēng)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(nèi)包1寸厚的空間?？梢哉f他為現(xiàn)代的室內(nèi)聲學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

我國(guó)的聲學(xué)在1929年起步，馬大猷教授在1957年創(chuàng)立聲學(xué)研究室后我國(guó)的聲學(xué)研究有了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。在馬大猷教授帶領(lǐng)下我國(guó)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(guó)聲學(xué)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

50年代人們開始研究聲音心理學(xué)。從1951的哈斯效應(yīng)，60年代末的雙耳聽聞

效應(yīng)到70年代提出的明晰度、雙耳關(guān)聯(lián)系數(shù)IACC等概念與指標(biāo)，這些理論為精確布置吸聲材料提供了可靠的理論支持。這個(gè)時(shí)期吸聲材料的研究開始深入細(xì)致。吸聲材料的研究還涉及到除聲性能外的其它性質(zhì)。如材料的力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì) ,材料的防潮、耐火、維護(hù)、施工和藝術(shù)效果等因素 ,對(duì)吸聲材料的選擇與安裝位置也逐漸精確化。在劇院設(shè)計(jì)中，觀眾也被作為一個(gè)大吸聲體進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

根據(jù)疏松多孔的材料對(duì)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(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的吸聲材料，它的類型包括無機(jī)與有機(jī)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(xué)、技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新，聲學(xué)工作者的潛心研究以及市場(chǎng)的開發(fā)，還會(huì)有新的多孔吸聲材料問世。目前，多孔吸聲材料在會(huì)議廳、音樂廳、大禮堂、等對(duì)聲音要求較高的建筑上，應(yīng)用的很廣泛。

2 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(luò)和微孔或間隙所組成。多孔吸聲材料內(nèi)部具有大量互相連通的微孔或間隙, 而且孔隙細(xì)小且在材料內(nèi)部均勻分布，向外開敞病深入材料的內(nèi)部。其吸聲機(jī)理是當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí), 一部分在材料表面反射,另一部分則透人到材料內(nèi)部向前傳播,在傳播過程中，引起孔隙中的空氣運(yùn)動(dòng),與形成孔壁的固體孔筋或孔壁發(fā)生摩擦,由于粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng),將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?。聲波在剛性壁面反射?span lang="EN-US">,經(jīng)過材料回到表面時(shí)，一部分聲波透射到空氣中, 一部分又反射回材料內(nèi)部, 聲波通過這種反復(fù)傳播,使能量不斷轉(zhuǎn)換耗散,如此反復(fù),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(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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。

3 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(yīng)用最普遍的吸聲材料，最初這類材料以麻、棉等有機(jī)材料為主，現(xiàn)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(jī)纖維吸聲材料、無機(jī)纖維吸聲材料

3. 1.1 有機(jī)纖維材料

傳統(tǒng)的有機(jī)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(dòng)物纖維和植物纖維。動(dòng)物纖維材料主要有毛氈和純毛地毯，其特點(diǎn)的吸聲性能好，裝修效果華麗，但價(jià)格較貴，很少使用。植物纖維材料, 如甘蔗纖維板、木質(zhì)纖維板、水泥木絲板等有機(jī)天然纖維材料, 以及丙烯腈纖維、聚酯纖維、三聚氰胺等化學(xué)纖維材料, 但這類材料的防火、防腐、防潮等性能較差, 應(yīng)用時(shí)受環(huán)境條件的制約。

3.1.2 無機(jī)纖維材料

無機(jī)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(zhì)輕、不蛀、不腐、不燃、不老化等特點(diǎn),從而逐漸替代了傳統(tǒng)的天然纖維吸聲材料, 在聲學(xué)工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于纖維性脆, 易于折斷, 產(chǎn)生的纖維粉末會(huì)在空中飛揚(yáng), 形成的粉塵會(huì)刺癢皮膚, 污染環(huán)境, 影響呼吸, 這是它在應(yīng)用中的缺點(diǎn)。過去的玻璃纖維和天然纖維與合成有機(jī)纖維相比不易老化的特性曾經(jīng)是玻纖材料性能的一個(gè)優(yōu)點(diǎn), 但是從環(huán)境保護(hù)的角度來看, 材料的不易降解使其最終會(huì)成為固體廢棄物, 對(duì)環(huán)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(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)比較低, 是由于聲波很難到達(dá)孔隙內(nèi)部, 與其內(nèi)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(shù), 來達(dá)到預(yù)計(jì)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(fù)雜的渠道結(jié)構(gòu)以及表面粗糙的內(nèi)部空隙, 導(dǎo)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(zhì)輕、不燃、保溫、隔熱、強(qiáng)度偏低。但顆粒材料吸聲效果相對(duì)較差，所以一般用于對(duì)防潮防火要求較高的場(chǎng)合。

3.4 金屬材料

以金屬粉末為原材料生產(chǎn)的多孔性吸聲材料是近年出現(xiàn)的新型吸聲材料，比如日本生產(chǎn)的卡羅姆金屬吸聲板。它的優(yōu)點(diǎn)是具有金屬的強(qiáng)度，用簡(jiǎn)單的工具就可以進(jìn)行折彎、切割等，同時(shí)，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。

4 未來展望

如今在研究了吸聲材料的表面形狀與吸聲系數(shù)的關(guān)系后，人們發(fā)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?yàn)榱畠r(jià)又開始展現(xiàn)出其強(qiáng)大的生命力，顆粒型的吸聲材料也開始在特殊環(huán)境下發(fā)揮著他的耐用優(yōu)勢(shì)。

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

如高溫、高聲強(qiáng)等環(huán)境下的應(yīng)用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)聲環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，單一的吸聲材料已經(jīng)不能滿足環(huán)保及高效吸聲等要求，吸聲材料的應(yīng)用將愈加廣泛，使用量也將逐年增加，在工業(yè)固體廢棄物中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)吸聲材料的低成本制備和工業(yè)化應(yīng)用。

在未來“環(huán)保”型和“安全”型聲學(xué)材料將會(huì)是發(fā)展重點(diǎn)。生態(tài)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展是新世紀(jì)建筑更新?lián)Q代的側(cè)重點(diǎn)，更是21世紀(jì)全球研究的主課題。生產(chǎn)對(duì)人體無害、能循環(huán)利用、高效的吸聲材料，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，也應(yīng)注重產(chǎn)品的美學(xué)設(shè)計(jì)，使吸聲材料既具有實(shí)用性，又具有觀賞性。