Введение

Создание шестого технологического уклада неразрывно связано с влиянием на окружающую среду [1–4]. Повышенный уровень шума по праву называют «чумой XXI века». Окружая человека практически во всех областях жизнедеятельности, акустический шум оказывает постоянное негативное влияние на здоровье человека. Шум представляет собой беспорядочные акустические колебания, характеризующиеся сложной стохастической временно́й и спектральной структурой [5, 6].

Можно выделить два основных способа снижения уровня шума:

– снижение шума в источнике – к данной категории относят оптимизацию конструкции, компоновки или процессов эксплуатации того или иного изделия, что не всегда возможно без ухудшения эксплуатационных характеристик;

– снижение шума на пути распространения от источника шума до человека – к данной группе можно отнести применение звукопоглощающих и звукоизолирующих материалов и конструкций, а также акустическое проектирование помещений, районов и т. д.

Цель данной работы – обзор литературных данных по пористым звукопоглощающим материалам.

Звукопоглощающие материалы

Существуют активные и пассивные звукопоглощающие системы [7]. Активные системы характеризуются использованием внешнего источника энергии для уменьшения уровня звука. В случае пассивных систем ослабление звука происходит без использования дополнительной энергии, благодаря внутренним характеристикам материала. Пассивные системы могут быть разделены на мембранные, резонансные и пористые. На рис. 1 представлены типичные зависимости коэффициента поглощения от частоты для данных систем.

Рис. 1. Типичные зависимости коэффициента поглощения от частоты для мембранных (1), резонансных (2) и пористых (3) звукопоглощающих материалов [7]

Мембранные звукопоглощающие системы представляют собой непористые листы или панели, расположенные на определенном расстоянии от глухой стенки. К преимуществам данных конструкций можно отнести высокую стойкость к воздействию климатических факторов. Основным недостатком данного типа поглотителей является небольшой диапазон эффективного поглощения, как правило, не превышающий двух октав.

Резонансные системы – это системы, основанные на резонаторах, одним из способов формирования которых является использование перфорированных листов с расположенными за ними глухими стенками, в ряде случаев разделенными на ячейки – для снижения перемещения акустической волны вдоль конструкции. Основным отличием таких систем от мембранных является наличие перфорирования в листах, обеспечивающее возможность резонанса при определенных частотах.

Наиболее универсальными и широко применимыми являются системы на основе пористых звукопоглощающих материалов [8, 9]. Они представляют собой твердые вещества с большим количеством пор и каналов. На рис. 2. представлено схематическое изображение пористого материала. В таких материалах присутствуют открытые, закрытые, глухие и сквозные поры, внутренние каналы. Поры влияют на такие характеристики материала, как плотность, механическая прочность, теплопроводность. Закрытые поры в случае жестких стенок менее эффективны для звукопоглощения, чем открытые. Следует также разделять пористость и шероховатость поверхности: неровность считается порой при условии, что ее диаметр меньше ее глубины [8].

Рис. 2. Схематичное изображение твердого пористого материала [8]

Наличие открытой пористости позволяет звуковой волне легче проникать в материал и, распространяясь внутри образца, терять свою энергию на внутренних стенках. Поглощение, вызываемое вязкостью среды, происходит в результате наличия градиента скоростей воздуха вблизи стенок материала. Силы вязкости, вызывающие поглощение звуковой волны, пропорциональны градиенту скорости, а рассеиваемая акустическая мощность, которая определяет поглощенную в единицу времени энергию, также пропорциональна градиенту скорости [10]. При низких частотах основной вклад в поглощение вносит вязкое поглощение на стенках. Однако с ростом частоты вклад вязких потерь в среде, пропорциональный волновому числу, растет. Вклад потерь от теплопроводности, возникающий вследствие неадиабатических температурных изменений при распространении звуковой волны, сопоставим с потерями от вязкости среды.

Среди пористых звукопоглощающих материалов можно выделить три основные группы: ячеистые, волокнистые и зернистые [8]. На рис. 3 представлены три основных типа пористых звукопоглощающих материалов, соответствующие микрофотографии, и физические модели, используемые для описания их звукопоглощающих свойств. Волокнистые материалы, как правило, представлены группами волокон, расположенных в продольном, поперечном и вертикальном направлении (например, базальтовая или минеральная вата). В состав зернистых материалов, как правило, входит шарообразный заполнитель с кубической или гексагональной укладкой (например, материалы на основе перлита, вермикулита, гранул вспененного стекла). Ячеистая структура материала представляет собой поры чаще всего сферической формы, разделенные межпоровыми перегородками (открыто- и закрытопористые пенопласты, ячеистый бетон и т. д.). Во всех перечисленных видах материалов звукопоглощающие свойства прежде всего зависят от вида пор на поверхности материала и характера пористости внутри.

Рис. 3. Три основных типа пористых звукопоглощающих материалов и физические модели, используемые для описания их звукопоглощающих свойств [8]

Из теоритических работ известно, что материалы с высокими звукопоглощающими свойствами в широком интервале частот должны обладать полидисперсной пористостью [11, 12]. При этом величина сквозной пористости находится в пределах 70–90%. Более высокий процент сообщающейся пористости снижает эффективность звукопоглощения вследствие уменьшения вязкого трения воздуха в материале. Для волокнистых структур при низких частот эффективными являются материалы с размером пор 350–400 мкм, для высоких частот: 20–50 мкм.

Ограничение верхнего размера пор связано с тем, что увеличение их размера вызывает снижение диссипации акустической энергии по вязкостному механизму, поэтому, независимо от вида материала, максимальные значения коэффициента звукопоглощения при увеличении размера пор уменьшаются.

Пористые звукопоглощающие материалы

С целью сравнения эффективности различных звукопоглощающих матриц проведен анализ научно-технических литературных данных по звукопоглощающим материалам путем сопоставления коэффициентов звукопоглощения при различной толщине материалов. Коэффициент звукопоглощения (КЗП) материала определяется отношением поглощенной энергии звуковой волны к энергии, падающей на поверхность этого материала. В табл. 1 представлены данные по пористым звукопоглощающим материалам, найденным в литературных источниках. Приведены (при наличии в литературном источнике) данные по пористости и сопротивлению образцов воздушному потоку. В работах, рассмотренных в данном обзоре, как правило, представлена графическая информация частотной зависимости коэффициента звукопоглощения. Для возможности сравнения звукопоглощающих характеристик большого количества материалов из приведенных в работах графических данных определялись значения коэффициентов звукопоглощения при четырех частотах: 250, 500, 1000 и 2000 Гц. Эффективный КЗП рассчитывали как среднее значение при четырех частотах. Зависимости коэффициентов звукопоглощения от толщины образца приведены на рис. 4.

Таблица 1

Характеристики пористых звукопоглощающих материалов

Продолжение

* Град. – градиентная структура.

Рис. 4. Зависимость эффективного коэффициента звукопоглощения (а) и коэффициентов звукопоглощения при частоте 250 Гц (б) и 2000 Гц (в) от толщины образца с типом матрицы ячеистым (●), волокнистым (■) и зернистым ()

Рассмотренные материалы разделены на три типа: зернистые, волокнистые и ячеистые (табл. 1). На рис. 4, а представлена зависимость величины КЗП от толщины образца.

Наилучшие звукопоглощающие свойства показали волокнистые материалы. Так, в работе [24] авторы исследовали волокнистые материалы на основе волокон из полиэфира, шерсти и хлопка. Толщина одного слоя материала составила 3,7 мм. В табл. 1 (образец 15) представлены данные для образца, состоящего из четырех слоев. Высокие звукопоглощающие свойства при толщине 22,6 мм представлены также авторами работы [24] для джутового волокна, состоящего из четырех слоев.

Лучшие звукопоглощающие свойства получены авторами работы [20] на образцах стекловаты при толщине 40 мм. В данной работе образцы на основе алюминиевой губки показали несколько худшие характеристики, чем образцы из стекловаты:

Однако образцы на основе алюминия не являются вредными для здоровья человека, в отличие от образцов из стекловаты: они не поглощают влагу, могут нести физические нагрузки, а также использоваться при более высоких температурах эксплуатации.

Для толщины материала 50 мм лучшие характеристики наблюдались для волокнистых нетканых образцов на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ) [29]. Образцы представляют собой многослойные системы, термически скрепленные при продувке горячим воздухом. При толщине 30 мм эти образцы также показывают наилучшие звукопоглощающие свойства. Таким образом, образцы на основе ПЭТФ являются прекрасной альтернативой образцам на основе стекловаты и минеральной акустической ваты.

Наибольшие проблемы при создании пористых звукопоглощающих материалов возникают на низких частотах. На рис. 4, б представлены данные по звукопоглощению на частоте 250 Гц. При сравнении значений коэффициента звукопоглощения, представленных на рис. 4, б, в, видно, что толщина образца влияет на звукопоглощающие свойства материала в большей степени при низких частотах, чем при высоких. Так, при частоте 2000 Гц поглощение в интервале значений 0,9–1 может быть получено уже при толщине образца ~20 мм. Однако для частоты 250 Гц увеличение значений происходит по мере роста толщины образцов во всем рассматриваемом диапазоне (КЗП от 0 до 100 мм).

Наибольшее значение КЗП при частоте 250 Гц получено авторами работы [29] на нетканых образцах из ПЭТФ (образец 32, КЗП при частоте 250 Гц составляет 0,7 при толщине 50 мм). В данной работе [29] показано, что увеличение содержания ультратонких волокон в образце улучшает поглощающие свойства в области низких частот.

Относительно высокие значения поглощения при низкой частоте получены авторами работы [28] для волокнистого образца из нержавеющей стали (образец 25) – коэффициент звукопоглощения при частоте 250 Гц составляет 0,41 при толщине 25,7 мм.

Взаимосвязь звукопоглощающих свойств при низких и средних частотах и пористости образцов представлена в работе [19]. На основе образцов из вспененного полиуретана показано, что с увеличением плотности образца улучшаются поглощающие свойства при низких частотах, но ухудшаются при более высоких (1000–2000 Гц). Авторы работы [28] на волокнистых образцах из нержавеющей стали также указывают на улучшение поглощающих свойств при низких частотах с увеличением плотности материала. Следует отметить, что зависимость поглощающих свойств от пористости материала имеет экстремальный характер, поскольку, с одной стороны, с увеличением плотности увеличивается сопротивляемость воздушному потоку, способствующая улучшению звукопоглощающих характеристик образца, а с другой – высокая плотность образца приводит к усилению отражения звуковой волны от поверхности материала.

В работе [32] представлены данные по улучшению звукопоглощающих свойств методом перфорирования пористых образцов на основе базальтовой ваты (рис. 5). Благодаря наличию сквозной микропористости удалось улучшить поглощающие свойства во всем исследуемом диапазоне частот. При этом исходный образец обладал относительно слабыми звукопоглощающими свойствами.

Рис. 5. Пример материала с двойной пористостью – перфорированная базальтовая вата [32]

Среди неволокнистых типов матриц следует выделить вспененный полиуретан [15, 16, 18, 19]. Материалы на его основе обладают высокими звукопоглощающими свойствами. Технология его получения также позволяет использовать его с наполнителями, такими как перлит, вермикулит и другие.

Рассмотренные в данной работе типы матриц представлены в табл. 2.

Таблица 2

Матрицы звукопоглощающих материалов

Относительно невысокие звукопоглощающие характеристики зернистых материалов связаны с тем, что они обладают относительно малой пористостью (50–75%). Однако природа неорганического наполнителя данного типа материалов позволяет использовать их при более высоких температурах, чем, например, изделия на основе органических материалов.

Заключение

На основе анализа научно-технических литературных данных представлены сравнительные характеристики звукопоглощающих материалов с различным типом матриц. Показано, что наилучшими звукопоглощающими свойствами при частотах 250, 500, 1000 и 2000 Гц (рассмотрены в данной статье) обладают волокнистые материалы на основе стекловаты и нетканого материала из ПЭТФ. Толщина образца оказывает существенное влияние на поглощающие характеристики материалов при низких частотах (250 Гц). При высоких частотах (2000 Гц) достичь значений коэффициента звукопоглощения в интервале 0,9–1 можно при толщине образца ~20 мм.

Среди ячеистых материалов наилучшими поглощающими характеристиками обладает вспененный полиуретан, который также может быть использован с различными наполнителями.

Относительно низкая звукопоглощающая способность зернистых материалов объясняется сравнительно низкой пористостью этих материалов.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №15-38-20717 мол_а_вед.