多孔吸声材料及其频率变化曲线

1.吸声系数的特征

多孔吸声材料是指从表到里有很多相互串通的微孔的材料，如图4-21所示。根据材料微孔形状的不同，多孔吸声材料可分为纤维型、泡沫型和颗粒型。材料内部有足够多的微孔，而且它们向外敞开，以吸声声能。

图4-22所示为一个典型多孔吸声材料的吸声系数随频率变化的曲线。低频时，吸声系数很低，所以解决低频噪声问题，采用吸声材料是无济于事的。通常，频率大于250Hz以后，吸声材料才有实质性的吸声作用。随着频率的提高，吸声系数增加。但是当增加到某一个频率时，吸声系数达到最高，然后开始随着频率增加而波动，最后趋向一个稳定的值或降低。

图4-21 多孔吸声材料示意图

2.影响吸声系数的因素

影响材料吸声系数的因素有材料结构参数、几何参数和环境因素。材料的结构参数包括流阻、孔隙率和结构因子；几何或者物理参数包括厚度和密度；环境因素包括温度和湿度。

（1）结构参数的影响

①流阻的影响。流阻是指空气质点通过材料空隙的过程中所受到的阻力。当体积速度为U的空气流通过表面积为A的吸声材料时，在材料前后形成一个压力差（Δp）。材料中的这种受阻力现象可以用流阻率（R_f）来描述，表达为

式中，A是物体的表面积。

或者表示为

式中，u为垂直于材料表面的线速度，u=

流阻反映了材料的透气性，流阻越大，材料的透气性越差。图4-23显示了高流阻、中流阻和低流阻三种材料的吸声系数。对于低流阻材料，因为其内摩擦力

图4-22 多孔吸声材料的吸声系数 随频率变化的曲线

图4-23 流阻与吸声系数的关系

和黏性力低，产生的声能损耗也低，所以低频段的吸声系数低，但是到了某个频率，吸声系数迅速上升。对高流阻材料，因为其过高的流阻使空气穿透材料的能力降低，导致吸声性能不好，所以整个频段内的吸声系数都很低。为了达到良好的吸声性能，材料的流阻一定要选择在一个合适的范围，通过增加或者减小材料的体积密度来调整流阻。最佳流阻为100～1000Pa·s/m。

②孔隙率的影响。孔隙率（B）是指材料中空气的体积与整个样件的体积之比，表示为

式中，V_a为空气的体积；V_m为整个样件的体积。

多孔材料的孔隙率一般在70%以上，矿渣棉为80%以上，玻璃棉为95%以上。一般来说，材料孔隙率高、孔隙细小，则吸声性能较好；反之，孔隙过大，则吸声效果较差。(www.xing528.com)

③结构因子的影响。结构因子是指多孔材料内部微观结构对吸声性能影响的因子。理论上，假设多孔材料中的微小间隙沿着毛细管厚度方向纵向排列，但是实际材料的间隙形状和排列非常复杂而没有规律。为了使理论分析与实际测量一致，引入了“结构因子”这个修正系数。多孔材料的结构因子大多数为2～10，也有个别高达25。结构因子对低频吸声基本没有影响。当材料流阻比较小时，可以增大结构因子，使吸声系数在中高频范围内呈现周期性变化。

（2）物理参数的影响

通常，从事声学材料研究和开发的工程师关心材料的结构参数对吸声性能的影响，而汽车NVH工程师更关心物理参数或者几何参数对吸声性能的影响。

①厚度的影响。厚度对吸声系数影响比较大。图4-24所示为不同厚度的同一种材料的吸声系数。厚度增加，吸声系数增加，特别是在中低频段。但是厚度增加到一定值之后，吸声系数的增加量就开始减少。图4-25所示为厚度增加与吸声系数的关系，厚度从20mm增加到40mm，平均吸声系数从0.41增加到0.62，即厚度增加了20mm后，吸声系数增加了0.21。厚度再增加20mm，即从40mm到60mm时，吸声系数从0.62增加到为0.78，即增加了0.16。厚度继续增加到80mm，吸声吸声为0.83，即厚度增加20mm，吸声系数仅提高0.05。

在车身上，声学包装材料的厚度一般不超过30mm。在这个厚度范围内，增加厚度对提高吸声系数是有益的。在设计内饰结构时，要尽可能地给声学材料留下足够大的空间。

②密度的影响

材料的体积密度与材料的纤维、颗粒大小等因素有关，它对吸声系数的影响比较复杂。可以从两个方面来描述密度对吸声系数的影响：一是材料相同但密度不同；二是材料不同但密度相同。

图4-24 不同厚度的同一种材料的吸声系数

图4-25 厚度增加与吸声系数的关系

体积密度增加，材料内部的孔隙率降低，流阻增加，这样低频段的吸声系数提高，但高频段的吸声系数降低。图4-26所示为同样厚度的玻璃棉的吸声系数与密度的关系。密度从10kg/m³增加到20kg/m³后，中低频吸声系数提高，而高频吸声系数降低，共振吸声频率往低频移动。

图4-26 同样厚度玻璃棉的吸声系数与密度的关系

体积密度一样的不同材料，其吸声系数可能不同。一定的体积密度能使某种吸声材料达到最佳的吸声效果，但是对另一种吸声材料的却不一定合适，因此不同的材料有不同的最佳体积密度。图4-27显示了某种吸声材料的最佳体积密度为140160kg/m³，此时的吸声系数最大。

（3）环境因素的影响

①温度的影响。在常温下，环境温度对材料的吸声系数几乎没有影响。当温度变化时，声速和波长也会发生变化，因此吸声系数的频率会漂移，如图4-28所示。温度降低，整个吸声系数曲线往低频方向漂移；温度升高，则往高频方向漂移。

图4-27 体积密度与吸声系数之间的关系

图4-28 温度与吸声系数的关系

②湿度的影响。湿度增加会降低材料的孔隙率，从而降低吸声系数。另外，湿度高还会使材料变质。