多孔材料的吸聲性能可用吸聲系數(shù)來表征,影響多孔材料吸聲特征的因素主要有材料的厚度、密度、孔隙率、結構因子、空氣流阻和聲波頻率等。其中結構因子反映的是多孔體內部的孔隙狀態(tài)和組織結構,空氣流阻是單位厚度多孔體兩側空氣壓力差和空氣流速之比。
(1)空氣流阻
空氣流阻定義為材料兩面的靜壓差和氣流線速度之比,單位厚度的流阻稱為流阻率,其反映空氣通過多孔材料時的透氣性:流阻越大,材料的透氣性就越小,空氣振動越不易傳入,聲波越不易深入材料內部,吸聲性能隨之下降;但流阻太小則空氣振動容易穿過,使聲能轉化為熱能的效率過低,吸聲性能也會下降??梢姸嗫撞牧洗嬖谝粋€最佳的流阻值,過高和過低的流阻值都難以獲得良好的吸聲性能。開孔泡沫金屬具有復雜的孔隙連接結構以及粗糙的內孔表面,因而流阻較高,吸聲性能相對于閉孔泡沫有很大提高。
(2)入射聲波頻率
聲波是一種依靠空氣振動而向外傳播的波,聲波進入多孔材料的孔隙后引起空氣振動.由于空氣與孔壁的摩擦而造成能量損失。低頻時聲波的波長較大,能量較小,碰到孔壁時發(fā)生反射、折射,若是發(fā)生彈性碰撞則能量損失較??;而高頻時聲波的能量較大,進入多孔體后與孔壁發(fā)生相撞,因其振動幅值大,有可能發(fā)生非彈性碰撞,能量損耗大,加之反射或折射后的聲波仍有較高能量,與孔壁發(fā)生二次或多次非彈性碰撞。再經(jīng)過多次反射、折射之后,損失的能量就可以占到原入射聲波能量的大部分,損失的能量變成熱能而耗散。因此,高頻時多孔材料的吸聲系數(shù)較大。
頻率較低的聲波波長較大,穿透性較好。當ku<0.01(k為波數(shù),a為多孔體中孔和棱的尺度)時,聲波進入多孔體后處于散射中的準均勻態(tài),在孔隙內的散射概率低,多孔體對聲波的阻礙較小,吸收率低。隨著聲波頻率的逐漸增大,多孔體內發(fā)生不規(guī)則散射的概率提高,各散射聲波相互干涉,消耗一定的能量,從而吸收率升高。當入射聲波頻率增大到0.01<ka<0.1時,聲波在遇到多孔體表面棱柱的阻礙后,發(fā)生瑞利散射,其散射波包含P波與S波兩部分。當ka值繼續(xù)增加后,散射波進入材料減少,內部用于內耗散吸收的部分也減少,吸收系數(shù)降低,從而吸收曲線呈現(xiàn)出二次曲線特征,存在一個吸收系數(shù)隨頻率變化的峰值。
大量文獻表明,多孔材料在低頻段的吸聲效果要差于其在高頻段的吸聲效果。如何進一步提高多孔材料低頻段的吸聲效果,如何使多孔材料在整個頻段都具有優(yōu)異的吸聲效果,如何利用最少的材料以及最小的占用空間來達到最佳的吸聲效果,這些問題的研究對多孔材料的吸聲應用有著十分重要的意義。
(3)多孔體的孔隙率和孔徑
結構的本征頻率與外界聲波或振動頻率發(fā)生共振時,聲波或振動會被衰減。結構阻尼衰減的原因是內摩擦導致的振動使機械能轉化為熱能而產(chǎn)生大量的內耗,多孔體隨著孔隙率提高、孔徑減小、比表面增多和應變振幅增大而使內耗增加,其中孔隙率是內耗的主要影響因素。
孔隙率是多孔體中孔隙體積與多孔體表觀總體積之比值,泡沫金屬的吸聲系數(shù)一般隨孔隙率增大而提高。這主要是因為孔隙率較大者孔隙的表面積一般也較多。此外,孔隙率較大者孔隙的曲折度也可能越大,導致其內部通道越復雜。所以,聲音進入后發(fā)生漫反射和折射的機會增多,并且孔隙中的空氣隨之振動而引起與孔壁的摩擦加劇,空氣黏滯阻力加大,于是有更多的聲能轉化為熱能而被耗散。
對于孔隙率相同、孔隙形貌相同、厚度也相同的多孔材料,孔徑越小,高頻吸聲性能越高,低頻吸聲性能則變化不大。孔隙較大時聲波進入后不易發(fā)生二次或多次反復碰撞,因而能量損失較少;孔隙減小則聲波發(fā)生多次碰撞的可能性增大,每次反射、折射都要消耗一定能量,如此反復的結果可消耗更多的入射聲能。因此,高頻時的孔徑尺寸對吸聲性能影響較大。但孔徑太小則聲波不易進入,吸聲性能也會下降。有研究表明,孔徑尺寸在亞毫米量級最好。
有研究發(fā)現(xiàn),泡沫鋁的孔隙率可顯著地影響其吸聲性能,而且孔隙率高的吸聲性能明顯好于孔隙率低的泡沫鋁??讖降拇笮t直接影響泡沫金屬的吸聲系數(shù),孔徑增大時空氣流阻變小,黏滯力和摩擦力的效率也相應變小,相應材料的吸聲系數(shù)降低;孔徑減小時空氣流阻相應增加,所以泡沫金屬的吸聲系數(shù)也相應增加,但孔徑過小則空氣流阻過大,空氣的流通變小就不利于聲波的傳播,黏滯力和摩擦力也相應地變小,最終使得材料的吸聲變得很差??梢?,泡沫金屬存在一個最佳的孔徑使得吸聲系數(shù)最大。