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新型环保吸声材料的应用及展望
2015/3/16 16:56:44    来源:中国建筑装饰网

  噪声污染已成为当代世界性问题,在危害人群健康的环境污染中,噪声仅次于空气污染而位列第二。噪声污染对人们的听力、睡眠、生理、心理及周围环境等方面造成很大的影响和危害。

   引言

  噪声污染已成为当代世界性问题,在危害人群健康的环境污染中,噪声仅次于空气污染而位列第二。噪声污染对人们的听力、睡眠、生理、心理及周围环境等方面造成很大的影响和危害。进入本世纪以来,随着我国环保事业的发展以及人们环保意识的增强,人们在工作、学习和生活中,对声环境质量的要求已经越来越高,噪声控制已显得尤为重要,而解决噪声污染问题的主要方法之一就是使用吸声材料。

  所谓吸声材料,就是借自身的多孔性、薄膜作用或共振作用而对入射声能有吸收作用的材料,

  目前,社会对吸声材料的需求量迅猛增长,传统的吸声材料已无法满足人们对环保性、装饰性更多更高要求。因此,研究并开发应用新的环保吸声材料已成为努力的方向。

 

  2 吸声材料的分类和发展

  声波是一种机械波,噪声是声能经过吸声材料进行物理过程的能量转换,按其吸声机理的不同可分为多孔性吸声材料和共振吸声材料。

  多孔性吸声材料主要有玻璃棉、岩棉、泡沫铝、膨胀珍珠岩等;共振吸声材料则是利用共振吸声原理设计的一种无纤维吸声材料,主要有薄板共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构等。

  多孔吸声材料表面和内部有无数的微细孔隙,孔隙相互贯通并与外界相同,因而具有一定的通气性。当声波入射到材料表面时,主要有两种机理引起声波的衰减,首先是由于声波产生的振动引起间隙内的空气运动,造成与孔壁的摩擦,紧靠孔隙和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来,因摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能变为热能消耗掉。其次,小孔中的空气和孔隙与纤维之间的热交换引起的热损耗,也使声能衰减。高频声波孔隙间空气质点的振动速度加快,空气和孔壁的热交换也加快,使得多孔材料具有较好的高频吸声性能。多孔吸声材料是目前应用最广泛的吸声材料。我国目前生产的吸声材料主要有无机纤维材料、泡沫塑料、有机纤维材料、金属吸声材料、水泥吸声制品材料五大类。

  共振吸声材料可分为薄板或薄膜吸声结构,穿孔板吸声结构,微穿孔吸声结构等多种。共振结构是利用共振器的特点,更有效地把声能转化为热能消耗,共振吸声结构可用多种材料制成,如:金属板、塑料板、玻璃等。但是长期以来共振吸声结构在吸声材料领域不能替代纤维吸声材料的原因,主要是共振吸声结构存在一些不足之处,如吸声频带窄,在共振频率附近,吸声系数很高,可接近于1,一旦偏离共振峰,吸声系数迅速下降等,因此,共振吸声结构只适用于吸收较窄频率段的声能。这也是长期以来共振吸声结构在吸声材料领域不能替代纤维类吸声材料的原因。在共振吸声结构中,唯有微穿孔板吸声结构具有较宽频带的吸声效果,一定程度上弥补了共振吸声频带窄的不足。

  微穿孔吸声结构是在普通穿孔板吸声结构的基础上发展起来的,主要特点是穿孔直径在1mm以下,利用穿孔本身的声阻来达到控制吸声材料相对声阻率的目的。它是一种低声质量,高声阻的共振吸声结构,与普通穿孔板相比,微穿孔板吸声结构不仅继承了普通穿孔板在共振频率处吸声系数高的特点,而且他还具有吸声频带较宽的特点。

 

  3 环保声学材料的研究和运用

  根据既需要环保又需要优越的声学性能的需求,声学工程师们投入了大量的精力进行研究,已经有不少品质的吸声材料投入市场使用,下面列举比较有代表性的材料进行介绍。

  3.1 聚酯纤维吸音装饰艺术板

  原料为100%的聚酯纤维吸音装饰艺术板,有多种花纹和颜色可供选择,可满足不同风格和层次的装修要求。在国内装饰材料和声学工程领域,应用比较广泛,但材料的声学性能尤其在中低频段的吸声性能存在一定的差距。

  3.2 聚酯纤维吸音棉

  聚脂纤维吸音棉是为取代玻璃纤维、岩绵、海绵等有害吸音材料而开发的新产品。其环保性能是其最大的优势,检测数据达到国家E1级,评价是能直接和人体接触,是最接近自然而且对人体无害对环境无污染的吸音材料。其防火性能是B1级,属难燃产品。其材料的缺点为吸音性能在多孔纤维吸声材料中是比较差的。

  3.3 三聚氰胺海绵

  三聚氰胺,又名密胺泡沫,其特点是吸声基材与传统的海绵或泡沫塑料的材质相类似,材料的吸声性能、保温性能、物理性能和防火性能均优于海绵或泡沫塑料。产品可以用于墙面装修、吊顶装修、暖通系统、试验室系统的吸声使用,也可制成各种不同形状的空间吸声体,使用范围比较广泛。缺点是在紫外线照射下有变色现象,且价格较高,表面的积灰,难以清洗。

  3.4 PET纤维棉

  高性能聚酯纤维保温是由100%的高性能聚酯纤维经热压、粘结等工序制成的优质保温、吸音毡。现已大量应用在火车、汽车、工业设备、音箱、空调、家庭装修、大型建筑物、热水器等的保温隔热及吸音、降噪上。该产品符合欧美多国的防火要求。另外,高性能保温、吸音棉质量比较轻、易操作,无毒,不含甲醛,是玻璃棉、岩棉等传统保温、降噪材料的理想替代品,但其声学性能相对稍差。

  3.5 芳纶吸声材料

  芳纶吸声材料是国内采用间位芳纶(1313)纤维为军工领域研究开发的一种新型吸声产品。其除具有良好的吸声性能外,还有防火、耐高温、高强度、绝缘好、耐辐射、化学性能稳定等理化特性,材料能直接和人体接触,无任何污染。经过在南京大学声学研究所采用同等厚度的几种材料声学性能对比测试发现:材料吸声性能优于离心玻璃棉、三聚氰胺海绵、聚脂纤维吸音棉,尤其在低频段更佳,而容重仅为离心玻璃棉的1/4。

  3.6 微穿孔板共振吸声结构

  在声学泰斗马大猷教授的微穿孔板共振吸声理论指导下,仅几年产品的开发取得了长足的进步,下面重点介绍其材料的研究和运用情况。

 

  4 超微孔吸声材料的研究和运用现状

  根据声学泰斗马大猷院士的微穿孔板共振吸声理论,经过多年来的努力攻关,已成功大批量加工出超微孔(直径从Φ0.05 mm~Φ0.3 mm大小不等),在吸声材料选取和微穿孔加工技术上均取得了重大突破,由各种超微孔基材采用不同方式的组合成为系列化的产品,如超微孔透明吸声膜与结构、超微孔透明吸声板与结构、金属超微孔吸声方通、金属超微孔蜂窝吸声板,其材料最大的优点就是使用性能稳定,不会产生二次污染,材料能重复利用,是集装饰、吸声、环保为一体的新型吸声环保材料。

  4.1 超微孔透明吸声膜

  超微孔透明吸声膜材质为聚碳酸酯,具有优良的声学性能和物理性能,对100~50000Hz频率段噪声的平均吸声系数不低于0.80,在共振频率处,其吸声系数最高达到1.05;其材料透明度达到90%,燃烧性能达到难燃B1级,轻质环保,无二次污染

  由同济大学声学研究所设计的帝斯曼(上海)公司的多功能厅大量采用了用透明吸声膜组成的空间吸声体取得了很好的声学装饰效果。

图1 帝斯曼(上海)公司的多功能厅建声项目竣工图片

  4.2高强超微孔透明吸声板构件

  高强超微孔透明吸声板构件是由双层高强透明超微孔吸声板组成共振吸声结构,吸声构件分别在中科院声学所、清华大学建筑声学实验室、中国建材质量检测中心进行了声学检测,从测量数据来看,在500Hz频率时,吸声系数为1.03,其降噪吸声系数NRC达到0.79。

  材料的物理性能在保持超微孔透明吸声膜的基础上,材料的物理强度更高,已在国家重点体育场馆-国家网球馆得到了充分的运用。

图2 国家网球馆建声项目竣工图片

  4.3 金属超微孔蜂窝吸声板

  利用金属超微孔板和蜂窝结构复合成为金属超微孔蜂窝吸声板,面板选用优质铝板为基材,面板厚度为0.5mm~0.8mm,芯材为六角形铝蜂窝芯,面板上分布孔径为0.2mm的超微孔,利用蜂窝芯材网格细化超微孔背后空腔分割,形成了一个个亥姆霍兹共振吸声结构,有效提高了吸声构件的声学性能。

  蜂窝板固有的高强度和装饰性能,表面采用氟碳辊涂,颜色可以任意选择,很好的解决了室内声学装修材料需要良好声学性能和表面强度的难题。经权威部门检测:平均吸声系数达到0.98,防火等级达到A2级。

图3 航天某院净化吸声项目现场竣工图片

图4 南京德盈国际广场建声项目竣工图片

  4.4 金属超微孔吸声方通

  目前,大型公共建筑如火车站候车室与站台、地铁站、机场候车厅、会展中心、图书馆、体育场馆等等场所普遍使用的条形天花、铝方通、铝挂片等材料作为吊顶材料,传统的吊顶装饰材料如条形天花、铝合金方通、铝合金挂片,无论从材料的装饰性能和安装工艺等方面均比较成熟,这些室内的装饰材料对大型公共建筑的装饰效果起到了至关重要的作用,但也存在着这些材料没有吸声功能,无法同时满足室内降低噪声和混响的需求。如果在传统的条形天花、铝合金方通上加工超微孔,利用微穿孔板共振吸声原理,可以很好的保持原有材料的装饰效果,同时增加了较好的吸声性能。就可成为一种比较完美的声学装饰材料。

图5 马鞍山会展中心建声项目竣工图片

图6 马鞍山体育中心体育馆建声项目竣工图片

  4.5 超微孔吸声材料的特点

  ① 声学性能优异,尤其在低频段均具有良好的吸声性能;由于利用微孔共振吸声,基材采用非金属或金属材料,产品性能稳定,且不附加任何多孔纤维材料,不会产生传统多孔吸声材料的二次污染,材料能净化吸声。

  ② 外观美观;无论是金属蜂窝超微孔吸声板、金属超微孔吸声方通、高强超微孔吸声板均以成熟的建筑装饰材料为基准,同时附加了声学功能,是装饰材料和声学材料的优化结合;

  ③ 使用性能稳定;马大猷院士关于微孔共振吸声理论的发明,最根本的问题是解决了多孔吸声材料使用环境受限制,使用性能不稳定的弊端;

  ④ 采用了聚碳酸酯材料(简称PC)和铝合金材料,可以实现材料的多次重复利用,符合资源可持续利用的要求。

  ⑤ 具有防潮、耐腐蚀、防紫外线、防火阻燃、无二次污染等特点。其中,金属超微穿孔铝蜂窝吸声板与金属超微孔吸声方通防火性能达到A级;

  ⑥ 透明超微穿孔吸声膜和超微穿孔阳光板具有较高的透明度,又能体现良好美学效应,特别适合一些已建的原有建筑但又不能改变其设计风格的场所;

  ⑦ 金属超微孔蜂窝吸声板由于内部有铝合金蜂窝芯基材,材料的强度比铝合金单板的强度更高,同时有一定的保温隔热功能,同时材料表面的平整度优于单板的平整度,这也是大型建筑用铝合金蜂窝板作为外墙材料的主要原因;

  ⑧ 高强超微孔吸声板是由PC阳光板基材组成,基材的强度上较膜的强度更优;

  ⑨ 金属超微孔吸声方通的外形与现有装饰材料铝合金方管相同,具备铝合金方管所有的装饰特点,同时具有较好的吸声效果,是一举两得的声学装饰材料;

  ⑩ 该系列产品不仅具有优良的降噪性能,更能用于声学装饰,体现了良好的美学效应。非金属吸声产品有透明、亚光、磨砂或其它客户需要的颜色等,金属吸声产品采用氟碳喷涂或树脂喷涂,颜色种类可以根据用户的要求任意选择,是一种理想的装饰吸声材料。

  4.6 超微孔吸声材料的适用场合和运用形状

  超微孔吸声材料适用于体育馆、影剧院、录音室、录音棚、播音室、试音室、商务办公场所、电视台、电台、多功能厅、会议室、演播厅、音乐厅、大礼堂、大型娱乐城、酒店、KTV、高级别墅、净化厂房、火车站等吸声降噪要求较高的场所,具有特别优越的效果,尤其适用于净化要求较高又需要吸声降噪的场合。

  超微孔吸声材料推出后得到了较好的运用,如帝斯曼(上海)公司、航天多个净化吸声厂房、北京轨道交通指挥中心二期、国家网球馆新馆、南京德盈国际广场、辽宁科技馆、马鞍山体育中心和会展中心、安庆体育中心和水上运动中心、丹阳全民健身中心等多个项目的使用,已得到了业内专家和客户的认可。

 

  5 结论

  吸声材料的研究与应用对于噪声污染的治理具有十分重要的意义。传统的吸声材料——玻璃纤维因其存在着诸多缺陷,如降噪系数低、使用寿命短、易潮解和不环保、容易造成二次污染等问题,其运用受到限制, 已经淡出市场而为新型吸声材料所替代。超微孔吸声材料可以在较宽的频带内有良好的吸声效果,完全可以替代以离心玻璃棉为代表的传统多孔吸声材料等,这种同时具备环保、可重复利用、装饰功能、优越声学性能的吸声材料将会越来越多地得到市场的认可。

 

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