无机多孔吸声材料的研究与发展

祝日新，李 晶，毕万利，杨 喜

（1.辽宁科技大学 高温材料与镁资源工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051）

无机多孔吸声材料的研究与发展

祝日新1，李 晶2，毕万利1，杨 喜1

（1.辽宁科技大学 高温材料与镁资源工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051）

本文根据多孔材料的吸声原理，重点介绍了无机类多孔吸声材料的研究现状。针对目前研究中存在的防水性能差，低频吸声系数低等问题进行了分析，并提出了相应的解决方案。介绍了孔隙率、密度、材料厚度等因素对材料吸声性能的影响，并展望了吸声材料的未来发展方向。

无机多孔吸声材料；吸声系数；影响因素

近年来，国家对环保治理力度加大，尤其对噪声污染的治理程度要求越来越高，急需吸收材料降低噪声。降低噪声的最主要方式就是在声音传播过程中进行控制，即采用吸声材料或结构对噪音进行处理［1］。因此，研制出绿色、新型的高效吸声材料将成为人类发展的重要课题。无机多孔吸声材料因为其质轻、多孔、吸声系数高、具有良好的防火阻燃性和稳定的化学性能而得到了更多的研究和关注。本文结合多孔材料的吸声机理，通过对不同种类的无机多孔吸声材料的产生、特点以及相关性能的影响因素等方面文献进行总结，提出了相应的改善材料性能的方法及提高吸声系数的措施。

1 多孔材料的吸声机理及性能评价

1.1 多孔结构的吸声机理

一般的多孔吸声材料内部拥有大量微小的孔隙，它们彼此连通且平均分散在材料内部［2］。当声波入射到材料的表面时，如图1所示，一部分被材料的外表面直接反射出去，而另一部分则进入到材料内经过微孔继续向前传播［3］，此时会使材料的结构单元发生振动，同时引起孔内空气的振动，空气与孔壁之间产生摩擦、黏滞作用［4］，小孔中的空气因受到压缩而导致其周围温度升高，根据热传导的原理将声能逐渐转变为热能后被消耗，进而导致声波衰减，达到吸声的效果。

图1 材料吸声示意图Fig.1 Schematic diagram of sound absorption

1.2 性能评价参数

1.2.1 吸声系数 在声学领域通常采用图2所示的驻波管测得的吸声系数来评价制品吸声性能。吸声系数是指当声波到达材料表面时，声能被吸收的百分含量［5］

图2 驻波管测量设备装置示意图Fig.2 Schematic diagram of standing wave tube measurement equipment

式中：α吸声系数；E0入射声能；Eα被材料吸收的声能；Eγ被材料或结构反射的声能；r反射系数。1.2.2 降噪系数 降噪系数（NRC）是指频率在250，500，1 000，2 000 Hz下吸声系数的平均值［6］。即 NRC=(α250+α500+α1000+α2000)/4。根据《建筑吸声产品的吸声性能分级》（GB/T16731-1997）中规定：将吸声性能按NRC的数值大小进行等级划分，其具体划分结果如表1所示。

表1 材料吸声性能等级与其对应的降噪系数NRC［7］Tab.1 Sound absorption properties of materials and corresponding noise reduction coefficient NRC［7］

1.3 无机多孔吸声材料的分类

按照吸声结构的不同，吸声材料主要包括：多孔吸声、共振吸声和特殊结构吸声材料三类［8］。其中多孔材料的品种规格最多，应用也最为广泛，按照原材料和黏结剂选择的不同，无机多孔吸声材料包括：无机纤维吸声材料、颗粒吸声材料、陶瓷吸声材料、水泥基吸声材料等。

2 无机纤维吸声材料

2.1 吸声材料的特点

早期使用的吸声材料主要为有机纤维制品，这类纤维材料在中高频范围有较好的吸声性能，但是其防火、防潮等性能较差，使用时易受到环境条件的限制。近年来，以无机矿物为基本成分的无机纤维材料逐渐面向市场，因其具有良好的吸声性能及质量轻、不腐蚀等特点逐渐代替了天然材料，在声学中得到了广泛应用。目前该类材料的主要制品为玻璃棉、矿渣棉、岩棉、硅酸铝棉等，其降噪系数NRC高达0.85。

无机纤维吸声材料在外观上具有与普通纤维相同的形态和结构，但此类材料不适合在比较潮湿的地点使用，其吸水受潮后吸声性能会大幅度下降；另外，该类材料中纤维质地较脆，在施工过程中容易破碎形成粉尘，不仅会对环境造成污染，同时影响工作人员的呼吸。而且无机纤维材料不老化耐久、不易降解、易形成固体的废弃物，会对环境产生二次破坏。为了克服上述缺点，美国一公司曾在20世纪末研发了一种被称为“Miraflex”的玻璃纤维材料［9］，这种材料韧性好，不易折断形成粉尘，可二次回收利用。近年来，Luo等［10］尝试将玄武岩的纤维放入吸声材料中，这对提高多孔材料的吸声效果具有指导意义。

2.2 吸声性能的影响因素

对于该类材料而言，通过改变材料的密度会影响材料吸声性能的大小。当密度增大时，孔隙率会减小，材料比较密实，流阻增大，吸声特性曲线将朝向频率较低的方向移动，使得中、低频的吸声系数增大；反之密度减小时，孔隙率较大，材料比较疏松，吸声特性曲线向高频方向移动，使得高频吸声效果提高，但低频吸声性能下降。因此，对于吸声性能而言制品的密度也存在着最佳值，通过大量的试验证实，常用的无机纤维类制品的最佳密度范围为15～25 kg/m3［11］。

实际生产中也通过加入不同种类的纤维或者向混合材料中引入一些外加剂（如抗水剂），使无机纤维材料的粉尘污染减小同时又具有一定的抗水性，并通过改变纤维的长度、截面形状、密度等因素来提高材料的吸声性能。

3 颗粒吸声材料

颗粒吸声材料是以一定粒径的颗粒材料，通过黏结材料加工而成的多孔吸声材料。由于颗粒之间存在相互贯通的微孔，当声波入射到制品表面时，颗粒间的微孔对空气的运动会产生摩擦、粘滞作用，使其中的部分的声能转变为热能。同时，由于材料之间的热传导也会消耗部分声能，从而达到吸声的效果。张守梅等［12］以明矾石膨胀水泥作为胶凝材料，以珍珠岩、陶粒等作骨料填充，掺加外加剂（如发泡剂、防水剂）等辅助原料，制成平均吸声系数可超过0.6的颗粒类吸声材料。

颗粒类吸声材料一般为无机材料，因此具有良好的防火阻燃性能以及优良的化学稳定性，同时该类材料的生产过程简单，原料取材方便，加工成本较低，影响因素可控，适合大规模的生产使用。

理论上常用孔隙率、流阻、体密、厚度等指标来评定颗粒类材料的吸声性能，但仅通过简单的试验来预测流阻是比较复杂的。因此，在实际测量中可通过转换为衡量材料密度、孔隙率或者更易掌握的厚度来判定吸声性能的高低，对于同种材料，密度越大，孔隙率越小，流阻越大。

孔隙率是指材料中孔隙的体积与材料总体积的比值［13］，一般来说，当厚度相同时，孔隙率越大，材料的吸声系数越大，吸声效果越好。多孔材料的孔隙率一般可达到70%～90%。当孔隙率增大时，孔内的弯曲程度增加，内部连通的孔也越复杂，进入到孔隙中的声波就会发生多次的反射和折射现象，导致孔内空气的不断振动，进而增大了吸声系数。图3反应了骆翔宇［14］等人对不同孔隙率下的颗粒吸声材料吸声系数的影响。通过曲线图可以看出孔隙率的降低对材料高频吸声系数的影响比低频更大，反映出孔隙率对材料的高频吸声变化更加敏感［15］。

同时对于此类材料，颗粒的种类以及级配的选择也会影响材料的吸声系数。如选用陶粒类材料，因为陶粒为呈现多孔状的刚性材料，在声波的作用下，结构自身并不产生振动，其吸声主要是靠空气的黏滞性，对于颗粒级配来说，掺入不同粒径的材料其吸声系数要高于掺入相同粒径的材料，特别是对于刚性颗粒而言，连续级配会明显提高材料的吸声性能，因此合适的级配同样是提高材料吸声性能的保证。

图3 吸声系数随孔隙率的变化图［14］Fig.3 Variation of sound absorptioncoefficient with porosity［14］

4 陶瓷吸声材料

陶瓷吸声材料一般以陶瓷制品废料或黏土经过烧结后形成的陶瓷材料为基本原料，这种材料的开口孔隙率高，具有较好的吸声能力，当声波进入到陶瓷内部后，会引起孔隙内空气的振动，与孔壁产生粘滞、摩擦的作用，通过热传导效应将声能转化为热能而被消散，进而产生吸声的效果［16］。同时它的尺寸稳定、不需要护面层，具有良好的抗腐蚀性、抗热性和耐水性，吸声构造简单，易于安装。与颗粒类吸声制品相比，陶瓷吸声板的强度较高，材料密度较大，在运输以及施工安装的过程中不易破损，折断。日本曾开发出一种采用陶土与火山灰为主要原料，在高温下（1 280℃）烧制而成的具有高吸声性能的瓷砖［17］，这类瓷砖不仅拥有较高的吸声效果，同时还具备优良的防火性和耐水性。

但此类材料因为在成型过程中需要经过高温烧制，因此生产过程中的能源消耗大，生产成本高，实际使用过程中可考虑与其它材料复合使用（或仅作为填充材料使用），将陶瓷类吸声材料的优良性能引入到其他材料中，填补其他材料在性能上的不足。

5 水泥基吸声材料

水泥基吸声材料具有吸声系数高、频带宽等特点，施工过程中不会因纤维的折断产生的粉尘造成环境的污染，也不会影响工作人员的呼吸，是一种高效的吸声材料，与有机材料相比，其刚性较好，特别适用于防火性能要求高的声学工程。

余海燕等［18］研究了水泥基膨珠岩板制品的密度、吸声结构以及颗粒级配等对吸声性能的影响，研制出了吸声效果好、耐久性能优异，施工便利的珍珠岩板材；黄学辉等［19］以低碱水泥为胶凝材料、以膨胀珍珠岩为骨料，配以起到增强效果的聚丙烯纤维作为辅助原料，制成一种新型的吸声材料，并探讨了珍珠岩的掺量、水灰比等因素对吸声性能的影响。国外某企业将膨胀珍珠岩作为原料加入到含有少量无机纤维的水泥料浆中，从图4可看出，膨胀珍珠岩颗粒表面粗糙，内部结构多孔［20］，经过多次试验后发现其内部孔隙越多，吸声性能越好。

图4 珍珠岩吸声材料料浆的SEM图［20］Fig.4 SEM diagram of perlite sound absorption material slurry［20］

由于多孔材料的吸声特性，在该类材料中往往会向其中加入适量的纤维，当其均匀分布在材料中时，声波进入后能引起纤维的振动，纤维的弹性变形会消耗声能，从而提高了材料的吸声系数。同时，加入纤维后，当其充分分散被水泥砂浆包裹时会形成界面粘结强度，能够将外荷载及时地分散到骨料和水泥砂浆中，使得复合材料内的应力更加平均，避免出现应力集中的现象。这样就避免了因为提高强度而过多加入胶凝材料后堵塞连通通道而影响吸声性能的现象。但此时纤维的掺量要适中，若掺量过大则会使其分散性变差，出现聚团的现象，反而对强度增长不利，因此，在实际使用中要合理控制纤维的掺量。

多孔材料的低频吸声系数一般都比较低，吸声系数主要受到吸声制品的密度、孔隙率、厚度等方面的影响。唐慧华［21］研究了水泥基材料的吸声系数与厚度的变化关系，当制品的孔隙率一定而增加厚度时，声波经过孔隙的通道加长，进入微孔中的声波能量经过反复损耗后通过材料内部而到达外表面，从图5可以看出，此时吸声系数的峰值将向着频率较低的方向偏移，这有助于提高材料在较低频率下的吸声系数，但对高频的吸声系数的影响很小。但当厚度增加到一定程度后，材料的吸声系数的峰值相前移动，吸声系数的提高幅度减缓，吸声系数的增大并不明显。

图5 不同厚度试块的吸声系数值Fig.5 Sound absorption coefficient of different thickness samples

因此，在工程实践中，应综合考量各方面因素，找出对多孔制品吸声性能最优的厚度值。尤其对于水泥基吸声材料而言，不仅仅要衡量其吸声效果，还要兼顾其抗压强度的大小，这时水灰比的控制就显得尤为重要，水灰比过大，浆体更易成型，但其致密程度下降，强度降低；若水灰比过小，则混合物的和易性较差，成型困难。因此要相保证水泥基吸声材料的强度应合理控制水灰比的范围。

6 无机多孔吸声材料的研究进展

刘莲香等［22］共同研发，采用水泥、陶粒、珍珠岩、粉煤灰等为主要原料，加入造孔剂和防水剂等辅助原料，利用普通混凝土的成型方式制成一种新型的无机多孔吸声材料。并通过试验得出吸声系数与材料厚度的关系——即低频吸声系数随材料厚度的增加而增加，但在1.00～1.85 kHz范围内的吸声系数达到峰值。

宦文娟等［23］研究了不同种类的集料对水泥基吸声材料吸声性能的影响，同时研究了水泥、纤维、引气剂的掺量等因素对该类材料吸声系数的影响规律。朱洪波等［24］以水泥、聚苯颗粒、聚丙烯纤维为原材料，采用压缩工艺制备出高效吸声材料。

很多外国研究者较为看重废旧物的二次回收利用方面的研究。Sun等［25］对废旧的电路板中的非金属颗粒进行回收，制成平均吸声系数达到0.4的多孔吸声复合材料。Morgan等［26］以破碎后的废旧橡胶为原料，以混凝土的成型方式施工，研制出一种适用于道路两侧声屏障的水泥基多孔吸声材料。Vikrant等［27］研究一种道路用水泥基陶粒吸声材料，并对0～4 kHz频率的吸声性能进行测试监测，结果指出当陶粒的掺量达到40%时其吸声性能最优。

纵观国内外吸声材料的发展，在无机吸声材料应朝着多组分、多结构的复合型材料的方向发展，同时综合考量吸声频带、吸声系数、材料强度以及耐久性等各因素之间的关系，找出最适宜的生产方案。

7 结论

本文主要介绍了4种传统的无机多孔吸声材料，并结合国内外的研究成果及发展现状针对各类材料的吸声原理以及性能特点进行了阐述。无机纤维材料对中高频的吸声系数较好，且具有质量轻、不易腐蚀等特点，但材质较脆、易折断，容易产生粉尘污染，受潮后吸声性能下降严重，适用范围受到很大的限制。颗粒类吸声材料由于具有良好的防火阻燃性能以及优良的化学稳定性而适合大规模的生产；与之相比的陶瓷吸声材料因为具有较高的强度而受到市场的欢迎，但在成型过程中需要经过高温烧制，能源消耗较大，生产成本较高；水泥基吸声材料吸声系数高、频带宽、施工过程中不会产生粉尘污染，与有机材料相比，刚性较好，特别适用于防火性能要求高的声学工程。

无机吸声材料的密度减小时，孔隙率较大，吸声特性曲线向高频方向移动，高频吸声效果提高。而当制品的厚度增加时，吸声系数的峰值向频率较低的方向偏移，提高材料在较低频率下的吸声系数。

为了进一步提高无机多孔吸声材料的综合性能，单一的吸声材料或结构往往无法达到要求，应该走复合材料的发展道路，如在水泥基颗粒材料中加入适量的纤维，使声波进入后能引起纤维的振动，或者纤维自身的弹性变形来消耗部分声能，实现宽频段噪声的高效吸收。并在材料配制中掺入适当的防水剂，提高材料的抗水性能等。除此之外，降低生产成本，使生产工艺合理化、效率高效化、产品性能全面化也是未来的发展方向。

［1］邢拓，李贤徽，盖晓玲.多孔吸声材料的研究现状及展望［J］.噪声与振动控制，2014，34（S1）：45-48.

［2］周晓杰.陶粒吸声材料制作工艺及其力学性能的实验研究［D］.桂林：桂林理工大学，2012.

［3］郭凯.利用淤污泥集料制备高速公路声屏障降噪材料的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［4］汪永清，施群，汪锦明，等.多孔吸音陶瓷的制备［J］.硅酸盐通报，2010，29（3）：608-611.

［5］王刚.吸声材料的声学性能和数值模拟研究［D］.兰州：兰州理工大学，2012.

［6］周晓杰.陶粒吸声材料制作工艺及其力学性能的实验研究［D］.桂林：桂林理工大学，2012.

［7］GB/T16731-1997，建筑吸声产品的吸声性能分级［S］.

［8］高俊宏.微穿孔板吸声结构及其并联结构的计算机模拟分析［D］.太原：太原理工大学，2008.

［9］段翠云，崔光，刘培生.多孔吸声材料的研究现状与展望［J］.金属功能材料，2012，18（1）：60-61.

［10］LUO X，XU J Y，BAI E L，et al.Study on the effect of basalt fiber on the energy absorption characteristics of porous material［J］.Construction and Building Materials，2014，68（68）：384-390.

［11］周曦亚，凡波.吸声材料研究的进展［J］.中国陶瓷，2004，40（5）：26-29.

［12］张守梅，曾令可，张明，等.地铁多孔吸音材料的研制［J］.新型建筑材料，2003（5）：60-63.

［13］杨杰.高等学校多功能演播厅声环境研究［D］.湖南：湖南大学，2013.

［14］LUO X Y，LI W F，JIN X L，et al.Effects of porosity and pore size on sound absorption characteristic of ceramsite porous material［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2011，39（1）：158-163.

［15］NEITHALATH N.Development and characterization of acoustically efficient cementitious materials［D］.West Lafayette：Purdue University，2004.

［16］李艳.道路交通噪声污染防治措施及评价研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

［17］张守梅，曾令可，黄其秀，等.环保吸声材料的发展动态及展望［J］.陶瓷学报，2002，23（1）：56-61.

［18］余海燕，王武祥，姚燕.水泥基木梗复合吸声材料的研究［J］.新型建筑材料，2006（4）：17-19.

［19］黄学辉，曹雪枫，吴少鹏，等聚丙烯纤维增强的水泥基吸声材料的研制［J］武汉理工大学学报，2004，28（4）：530-532.

［20］年洪恩，李金洪，刘同义矿棉吸声板的生产发展现状和展望［J］.新型建材与施工技术，2006（2）：15-17.

［21］唐慧华粒径与厚度对陶粒混凝土吸声性的影响［J］.四川建材，2014，40（2）：43-44.

［22］刘莲香，曾令可，候来广，等利用陶粒制备地铁吸音材料［J］砖瓦，2005（6）：55-57.

［23］宦文娟，张云升，李刚轻质多孔水泥基吸声材料的设计、制备与性能研究［J］混凝土与水泥制品，2013（10）：9-14.

［24］朱洪波，张浩立，柳献，等多孔性水泥—聚苯颗粒材料的吸声性能研究［J］材料科学与工艺，2014，22（3）：23-27.

［25］SUN Z X，SHEN Z G，ZHANG X J，et al.Novel recycling of nonmetal particles from waste printed wiring boards to produce porous composite for sound absorbing application［J］.Environmental Technology，2013，35（10）：1269-1276.

［26］MORGAN P A，WATTS G R.A novel approach to the acoustic characterisation of porous road surfaces［J］.Applied Acoustics，2003，64（12）：1171-1186.

［27］VIKRANT T，ARUN S.Acoustic properties of cenosphere reinforced cement and asphalt concrete［J］.Applied Acoustics，2004，65（3）：263-275.

Study on inorganic porous sound absorption materials

ZHU Rixin1，LI Jing2，BI Wanli1，YANG Xi1

（1.School of High Temperature Materials and Magnesium Resource Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

Based on the principle of sound absorption of porous materials，the research status of various kinds of porous sound absorbing materials is introduced.The solutions are proposed by analyzing the problems of the poor waterproof performance and low frequency sound absorption coefficient.The effects of porosity，density and material thickness on the sound absorption properties of the materials are introduced.A prospect for the development of the sound absorption materials are made．

inorganic porous sound absorption material；sound absorption coefficient；influencing factors

April 13，2017）

TB321

A

1674-1048（2017）03-0194-06

10.13988/j.ustl.2017.03.008

2017-04-13。

国家自然科学基金（51402143）；辽宁省自然基金（601009802）。

祝日新（1992—），女，辽宁鞍山人。

李晶（1964—），女，辽宁鞍山人，副教授。