前沿丨声学材料和噪声控制策略的最新进展综述- 大数跨境

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前沿丨声学材料和噪声控制策略的最新进展综述

两江科技评论

2021-08-19

导读：海大学材料科学与工程学院复合材料研究中心Yinping Tao、Musu Ren，英国伦敦大学工程与材料科学学院Han Zhang，英国华威大学制造工程学院Ton Peijs近期发表在《Applied

背景概述

随着交通运输和工业活动的迅速发展，噪声污染已成为人类社会面临的主要环境问题之一。过度暴露于噪音中会危害人类、野生动物及其健康。世界卫生组织（WHO）将65分贝以上的噪声定义为噪声污染。据世卫组织称，长期或过度接触噪音已被证明会导致一系列健康问题，从听力损失、身心压力、注意力不集中、沟通和工作效率低下到睡眠障碍和心血管疾病。因此，开发有效的声学材料或吸声材料对于降低噪声至关重要。虽然“吸声”和“隔音”在日常生活中经常互换使用，但它们本质上是不同的。吸声材料旨在通过减少声音反射并将吸收的能量转化为热量来改善音质，防止空间内的回声和令人不快的混响。它们不会阻挡声音。相反，隔音或隔音材料可防止声波进入或离开空间，起到声源声屏障的作用[1,2]。

吸声材料分为两类：多孔型和谐振腔型。多孔型材料，如聚氨酯泡沫塑料、非织造布和热塑性泡沫塑料，具有相互连接的孔隙，允许声波通过多孔材料传播。声能主要通过振动空气分子和孔隙表面之间的摩擦加热来耗散。此外，在多孔材料内的空气/孔壁界面[3]处存在能量传递。根据孔隙大小，声波可以穿透材料的深度或深度更小。如果孔径合适，声波可以在孔隙内反射多次，因此不会被反射回来，材料会吸收更多的能量。当孔径太小时，进入固体结构的能量传递较少，因此声衰减较小。泡沫等多孔材料具有加工相对简单、成本低和吸声范围宽的优点[4]。然而，由于强烈的阻抗失配，它们通常表现出相对较差的吸声性能，尤其是在低频范围（100-800 Hz）下[5,6]。而谐振腔型材料，如超材料、微穿孔板（MPP）可以用作多孔型材料的贴面，以增强低频吸收能力，也可以用作独立材料。

本期分享上海大学材料科学与工程学院复合材料研究中心Yinping Tao、Musu Ren，英国伦敦大学工程与材料科学学院Han Zhang，英国华威大学制造工程学院Ton Peijs近期发表在《Applied Materials Today》上的论文“Recent progress in acoustic materials and noise control strategies – A review”，可通过阅读原文查看本项综述研究工作。

本项研究工作是基于吸声材料最新发展的一篇综述。第一部分重点介绍与多孔材料相关的基本非声学结构和声学参数。第二部分根据多孔被动吸声材料的技术成熟度和时间顺序对其进行了综述，包括聚氨酯（PU）、纺织吸声材料和热塑性泡沫材料以及MPP，重点介绍了纳米材料在这些系统中的增强作用。由于声学超材料在过去20年中受到了广泛的研究兴趣，本文也对其进行了简要的讨论。介绍了提高每种材料吸声系数（SAC）的各种策略，包括分层和纳米工程结构、分层结构等，并确定了它们的优缺点。第三部分概述了未来有前途的降噪材料和技术，如金属和石墨烯泡沫。此外，还总结了描述声波传播的建模技术。该综述总结了未来吸声材料发展面临的一些关键挑战和未来的研究策略。

导读

噪音污染每天影响数百万人的福祉，并可能导致严重的健康问题，如听力损失、身心和生活压力。为降低车辆、建筑物和公共空间的噪声，开发高效、经济的吸声材料已成为一个重要的研究领域。本文综述了基于工程材料解决方案以及定制的微纳结构的吸声产品的最新发展。此外，还简要介绍了模拟声波在多孔介质中传播的建模技术。综述了聚氨酯泡沫塑料、热塑性泡沫塑料、织物和复合材料等各种材料，总结和比较了从泡沫结构到微孔板的各种设计策略和结构。讨论了不同类型的微填料和纳米填料、分层结构和夹层结构的影响，以及将多种成分与不同长度尺度的结构设计相结合以实现所需声学性能的协同效应。对每种机制进行分析，目的是在现有知识的基础上探索新的战略。识别了机会和障碍，同时回顾了从汽车到建筑环境的工程应用，以及它们所需的性能和功能，以阐明先进声学材料的未来研究方向。

研究创新

•基于工程材料和定制结构的声学材料的最新进展。

•深入讨论材料和结构的吸声机理。

•纳米工程层次结构的噪声控制策略概述。

•声波传播的建模与仿真技术概述。

•声学材料未来研究方向的挑战和机遇。

图文快览

图1：测量材料吸声系数的试验设备布置：（a）阻抗管测量 (b）用恒定气流法测量流阻率。在国际标准化组织ISO 10534-2:1998[16]和ISO 9053-1:2018[19]的许可下，复制了取自ISO 10534-2:1998[16]和ISO 9053-1:2018[19]的数据。这些标准可从任何ISO成员处获得，也可从ISO网站获得，网址如下：www.ISO.org。版权归ISO所有。

图2：a）真空辅助浸渍聚氨酯泡沫的图示(b）基于弹性多孔材料理论（比翱理论）和30 mm厚原始PU50的实验测量（实线）计算的SAC（i）及其在GO浸渍后的变化：（ii）PU50/GO初始浸渍处理后的结果（3.1 wt.%），（iii）两次处理后的结果（5.5 wt.%），（iv）三次处理后的结果（7.2 wt.%），（v）四次处理后的结果（9.3 wt.%），（vi）五次处理后的结果（11.8 wt.%），表明可以精确模拟峰值频率的变化，并表明通过控制GO浸渍过程的数量和数量，可以在特定频率范围内调整吸声性能，使其最大化(c）GO浸渍前后通过PU泡沫的波传播路径示意图。经Elsevier许可，转载自[26]。

图3：原始PU泡沫（a）和PU/GTR泡沫复合材料的SEM图像：（b）10 wt.%未经处理的GTR(c） 10重量百分比的脱胶GTR；GTR粒径对GTR含量为20 wt.%的聚氨酯泡沫泡孔形态的影响：（d）粒径为40目(e）粒度为100目(f）粒度为140目；GTR颗粒尺寸越小，细胞形态越均匀；10mm厚PU/GTR发泡复合材料的SAC：（g）GTR机械力化学预处理（GTR含量为20 wt.%）的效果，表明研磨PU/GTR复合材料的SAC得到改善 (h）脱胶GTR含量的影响，表明随着脱胶GTR含量的增加，SAC得到改善。经John Wiley and Sons公司许可，转载自[53]。

图4：（a）指向对抗性PU/GO吸音器的合成路线示意图；（b）垂直PU/GO泡沫的吸声机理，显示声波通过GO板时的反射和透射；和（c）平行PU/GO泡沫，由于波传播的曲折度增加和对齐GO层的微振动，通过多次散射显示出增强的吸声。经美国化学学会许可，转载自[60]。

图5：聚氨酯泡沫、网状泡沫和波浪状泡沫的形态：（a）半开孔聚氨酯泡沫的SEM图像(b）所述网状泡沫在PU泡沫内具有石墨烯结构(c）石墨烯沿聚氨酯泡沫壁定向的波浪状泡沫(d）聚氨酯泡沫样品压缩试验示意图(e）比较PU泡沫、网状泡沫和波纹泡沫的压缩试验结果，表明波纹泡沫的超弹性最高(f）阻抗管设备布局(g）PU泡沫、网状泡沫和波浪状泡沫的SAC比较。经Elsevier许可，转载自[6]。

图6：2D GO包裹auxetic PU泡沫合成路线示意图(a）商用裸PU泡沫，（b）带机械压缩装置的热压机和（c）冷却后的auxetic PU泡沫。（d）纯PU泡沫、（e）auxetic PU泡沫和（f）auxetic GO包裹PU泡沫的插图。（g）auxetic PU泡沫和（h）auxetic GO基PU泡沫的SEM图像(i）厚度为15mm的所有样品的吸声性能(j）冲击锤试验样品的阻尼比(k）落锤冲击试验的力-位移曲线。经Elsevier许可，转载自[69]。

图7：通过一步成型和热压，制造PU复合夹芯板（a）LPET/FPU和（b）CF-LPET FPU(c） LPET织物重量为200、300和400 gm的CF-LPET/FPU夹层板的吸声曲线−分别为2。对照组为LPET/FPU夹芯板，显示额外的碳纤维织物层增强SAC；经John Wiley and Sons许可，转载自[72](d）拟议的三种复合织物（LPNF/WKSF）制备方法示意图；经约翰·威利父子公司许可，复制自(e）不同结构的柔性夹层复合材料的SAC曲线(f）由LPNF（L）、WKSF（W）和FPF（f）组成的三组FSC示意图(g）L-F、W-L-F和L-W-F结构对FSC吸声的影响，红色箭头指示用于消声的多孔路径和空腔。转载自[75]。

图8：（a）纤维直径取决于二氧化硅纤维板和GW的孔隙率和平均孔径(b）纤维直径取决于通过二氧化硅纤维板和GW的流阻率；使用Delany-Bazley-Miki、刚性框架和软框架模型测量和计算二氧化硅纤维板的正常入射SAC：（c）SF1:0.72µm(d）SF2:1.71µm(e）SF3:2.01µm和（f）SF4:3.44µm。经Elsevier许可，转载自[89]。

图9：NFA的设计、处理和蜂窝架构(a）合成步骤示意图：（1）通过静电纺丝制备柔性PAN/BA-a和SiO2纳米纤维膜(2）通过高速均匀化制备了均匀的纳米纤维分散体(3）通过冷冻干燥纳米纤维分散体制备非交联NFA(4）通过交联处理制备所得纤维NFA(b）具有不同形状的NFA的光学照片(c–e）不同放大倍数下NFA的微观结构，显示分层细胞纤维结构。经Springer Nature许可，转载自[56]。

图10：（a）HVAC装置拟议处理的详细示意图：沿再循环入口通风口、出口通风口和气流路径中的其他位置铺设黄麻毡，并用废棉密封与气流路径无关的空腔(b）在存在汽车内部声景的情况下，偏好HVAC声音的百分比，处理与基线(c）不同HVAC声音的优异分数，表明HVAC处理后车辆内部空间的声音质量更好。经Elsevier许可，转载自[108]。

图11：结合气体反压技术的堆芯反压工艺流程示意图。经Elsevier许可，转载自[127]。

图12：（a）Jahani等人研究中的样本信息总结，包括样本数量、模具打开程度和注射成型声学泡沫的最终厚度(b）使用开模技术在注射成型泡沫内部创建空腔的示意图：i：注射后立即发泡样品；ii：模具打开时裂纹萌生，iii：在型芯中形成的最终型腔(c） PP5样品的照片，显示整体结构的横截面，包括皮肤区域、泡沫区域和内腔(d）（d）未开模（PP1）和（e）开模长度为1.5mm（PP2）的声学泡沫的SEM图像和示意图结构(f）声学泡沫的SAC结果。经Elsevier许可，转载自[8]。

图13：在加载-卸载压缩试验的前10个循环中，平均泡孔尺寸分别为（a）32μm，（b）90μm和（c）182μm的PEBA泡沫的压缩应力-应变曲线(d）8mm厚不同孔径PEBA泡沫的声学性能(e）NRC结果。经Elsevier许可，转载自[127]。

图14：（a）通过PTFE微粒爆炸成核制备高孔密度PP泡沫的示意图；SEM显微照片和孔径分布：（b，b'）发泡纯PP(c、 c'）PP/PTFE（0.5重量%）(d、 d'）PP/PTFE（3.0重量%）(e、 e'）PP/PTFE（重量百分比为5.0%）(e''）发泡PP/PTFE（5.0 wt.%），爆炸的PTFE微粒以粉红色包围(f）发泡PP和PP/PTFE的吸收系数和（g）NRC。均在154°C和20 MPa下制备。经美国化学学会许可，转载自[128]。

图15：不同类型的MPP吸收器：（a）无衬垫的波纹MPP示意图，其中t、L和Hp表示厚度、波纹节距和波纹深度(b）可调吸声频率蜂窝状MPP，带中心对称多边形可调穿孔挡板的空气腔细分，如右图所示(c）MPP阵列示例：FCC夹层结构MPP，带穿孔和结构单元，优化FCC和蜂窝（HC）结构之间的SAC比较，表明HC结构可以实现低频共振或大带宽，而FCC结构满足这两个要求。经Elsevier许可，转载自[140，145，151]。

图16：吸声超材料（AMs）的类型：（a）薄膜超材料，由一个由薄片装饰的弹性膜、一个反射面和一个薄的密封气层及其SAC曲线组成，在152 Hz时显示0.994的峰值吸收(b）由双通道Mie谐振器和具有多个吸收峰的SAC曲线组成的腔基AM(c）与均匀声子晶体（黑圈）相比，梯度指数AM包括随入射波而减少的孔隙及其测量的SAC（蓝色三角形），显示出超过0.56的高SAC值，范围从1350 Hz到6300 Hz。转载自[167]。

图17：（a）经John Wiley and Sons公司许可，取自[168]的金属泡沫的物理性质及其制造方法(b）经Elsevier许可，从[172]复制的混合多孔开孔泡沫铝结构，浸渍有细菌纤维素纳米纤维/GO纳米复合材料及其SAC(c）开孔金属泡沫，具有部分打开的窗口和支柱微观结构及其SAC。经Elsevier许可，转载自[171]。

图18：（a）显示GF/PDMS和GF/CNT/PDMS复合材料制备的示意图(b）拟用吸声机构示意图：① - 声波通过蜂窝GF结构的空隙和孔隙衰减，其中声能由于反射而扭曲传播，并作为热量耗散；② - 通过碳纳米管、石墨烯层和界面之间的界面滑动和摩擦阻尼声波。独立式GF（c）的SEM图像显示了多孔结构中相互连接的石墨烯管和孔隙率为（d）9.3%的GF/PDMS复合材料(e） 51%(f） 91%；在（g）低倍和（h）高倍下，具有2 wt.%CNT和91%孔隙率的GF/CNT/PDMS复合材料的SEM图像(i）多孔性对GF/PDMS复合材料SAC的影响(j）GF/PDMS复合材料与孔隙率为51%的GF/CNT/PDMS复合材料之间的SAC比较。经Elsevier许可，转载自[58]。

图19：（a）穿孔板示意图，显示穿孔直径d、穿孔b和板厚度t之间的距离，以及验证中使用的三个穿孔板吸收器列表，以及附加穿孔参数，即穿孔率ν和刚性壁和板d之间的距离(b）由多孔板和粘热有限元模型所用网格分隔的阻抗管和背腔的示意图(c）三个穿孔板吸收器的垂直入射SAC，表明FEM在预测所分析配置的吸收性能方面的准确性。虚线：Maa模型；dots：数值结果；连续线：测量的实验值(d）PP1在350 Hz时，声音传播速度轴向（左）和横向（右）分量的量级分布的横截面概览，带有流线，显示穿孔板近场中的声场畸变。经Elsevier许可，转载自[180]。

表1：多孔弹性材料振动声学动力学建模技术概述。

图20：乘用车中使用的非织造布插图。经istockphoto.com许可，转载自[208]。

图21：声学材料应用：（a）声学场网站设计的家庭影院的墙壁和天花板上带有声学泡沫板的房间声学；从[211]中摘取，并获得audionicfields.com的许可(b）使用热塑性和穿孔金属板的基础设施应用；左图，经istockphoto.com许可，取自[212]。

总结与展望

本综述讨论了广泛应用于汽车工业、室内、建筑和基础设施的吸声材料，深入讨论了其吸声机理和各种提高吸声性能的策略。影响吸声性能的因素包括泡沫结构参数，如泡孔密度和泡孔形态、开孔含量、织物特性，如纤维类型、尺寸和形状、分层顺序和厚度、织物密度以及结构曲折度和孔隙率。基于对不同多孔材料中声音衰减机制的理解，总结和讨论了多种解决方案，包括使用纳米填料和纳米纤维，创建具有微孔和纳米孔的分层细胞结构，三明治结构，微孔泡沫，微穿孔板设计修改等。表2中列出了各种声学材料在吸声效率、结构强度、易燃性能、环境友好性和制造成本方面的优缺点。此外，多种技术的组合会产生协同效应，通过更广泛的宽带降噪和附加功能提高组件的声学性能。这些策略对于开发下一代吸声材料是有益的和有价值的。

表2.各种声学材料的比较

展望未来，下一代吸声材料仍面临一些挑战：

(1)目前可用的大多数噪音控制材料都不环保或不可回收[8]。未来的发展应侧重于开发具有良好可回收性和可持续性的吸音体。应探索由生物资源和/或回收材料制成或部分由生物资源和/或回收材料组成的吸声器。

(2)制造方法需要具有成本效益，不太复杂，但可持续且环保。需要能够以可重复和可靠的方式调整3D晶胞结构的创新合成和制造方法。对于含有石墨烯等纳米填料的泡沫基复合材料，加工过程中纳米填料分散的困难已得到广泛认可，而纳米填料的均匀分散对于实现最佳性能至关重要[213]、[214]、[215]。此外，按比例增大的困难往往限制了新型金属或石墨烯泡沫作为吸声材料的广泛应用。3D打印等快速原型技术可能是一种潜在的解决方案[216]。

(3)目前在智能吸声器领域缺乏研究工作，智能吸声器可以通过外部激励（如电场或磁场）进行调节。预计并需要在这方面作出更多努力。

参考文献

请通过阅读原文查看本项综述研究工作的全部参考文献。