物理污染降噪：橡胶吸声材料特性及应用

查看全部 · 发表于 2021-4-25 17:21:03

随着现代科技和工业的发展，噪声污染已经成为世界性难题，吸声降噪逐渐演变为一个有关科技、环境、人类协调发展乃至现代军事等各方面的重要课题，各种各样的吸声材料随之产生，其中最重要的一支就是高分子吸声材料。声波的传播特点决定了高分子材料成为较佳吸声材料的可能性，声波通常以纵波的形式传播能量，当声波入射到高分子材料内部时，其中一部分能量必将用于改变高分子链和侧基的振动而做功，从而达到吸声的目的。声波能量传播受阻是由高分子材料的内耗造成的，即为粘弹性内阻尼特性，尤其是在玻璃化转变区，这种粘弹性阻尼效应更加突出。

提高高分子材料内耗是提高材料吸声性能的一种方法，而目前在这方面应用相对较多的是橡胶材料。

1  橡胶材料吸声原理

橡胶是一种粘弹性高分子材料，内耗相对较大，基体橡胶的相对分子质量分布可调，能适应各种频率声波的吸收。橡胶材料有一定的物理性能，可在不同的环境条件下使用。橡胶材料的吸声率与声波的频率有很大关系，一般规律为：随着声波频率的升高，橡胶材料吸声率增大，当声波频率达到某一临界值时，橡胶材料吸声率出现最大值，此后随着声波频率的继续增大，橡胶材料吸声率反而下降。由于多数SR(如IIR，NBR，CIIR和SBR等)的弹性模量温度系数比NR大，内部摩擦大，容易生热，更有利于吸收声波能量，因此SR胶料的吸声性能比NR胶料好。橡胶材料内耗较大，很大一部分是由基体橡胶微观结构造成的，如IIR中有较多甲基存在，分子堆积较密，使得这些链段移动相对比较困难，内摩擦较大。氰基、氯原子、苯基的存在也有类似作用。

橡胶用作吸声材料仅仅具有较大的损耗因子(tanδ)还不够，还必须确保声波能够射入其内部，以便于吸收声波能量，这其中有个参数起决定作用，即特性阻抗。当平面波入射到各向同性的均匀介质表面时，是入射还是反射，取决于材料的特性阻抗。特性阻抗是表征介质本身性质的一个十分重要的物理量，是判断材料能否作为反声材料或透声材料的主要标志之一。当相邻两种介质的特性阻抗接近或相等时，称为“阻抗匹配”，反之称为“阻抗失配”。只有两种介质的特性阻抗相同或接近时，声波在两介质界面处才不致于发生反射。而橡胶材料的特性阻抗与水接近，而且可以通过改变填料和其它组分来进行调节，这是橡胶材料常用作水声材料的重要原因。

在一般情况下，声波在橡胶材料中的传播速度随橡胶材料的形态不同而异，其大小依次为固体、液体、气体，且随橡胶材料弹性模量的增大而增大。如果在橡胶材料中添加了对模量影响较大的炭黑类配合剂，声波在橡胶材料中的传播速度将增大；如果添加软化剂或增塑剂类配合剂，传播速度将减小。声波在硬度较大的橡胶材料中的传播速率可达1560-1573 m·s-1。此外，声波在橡胶材料中的传播速度随温度的升高而减小，材料伸长率对声波的传播速度影响也很大，但趋势不确定。还同的传播速度过材料吸声性能也有一定的影响。

2  橡胶材料吸声性能的影响因素

尽管橡胶材料的吸声性能相对较好，但是在不同声波频率下其吸声性能有较大差异，通常表现为高频时吸声性能较好，低频时较差。橡胶材料吸声性能的影响因素主要有橡胶分子微观结构、填料和橡胶制品宏观结构3个方面。

2.1  橡胶分子微观结构

据文献报道，某些橡胶本身就具有很好的吸声性能，可以直接应用在设备上，如NBR，IIR和CIIR等，这些橡胶中的氰基、氯原子和甲基都是较大的侧基基团，其存在使得改变分子振动变得困难，因此相应橡胶材料的内耗较大，当一定能量的声波入射到上述橡胶材料内部时，必将做更多的功才能改变分子的振动，从而消耗更多能量，使声波相对衰减较快，从而达到消声的目的。由于橡胶的相对分子质量分布相对较宽，因此其吸声频率带也相对较宽，且其受温度影响小。无论早期还是现在，橡胶材料均为用量相对较大的吸声材料。但是橡胶自身特点，如硬度较高和粘接性较差等，限制了其更广泛的应用，需要通过各种手段进行改善，如加入其它填料改善物理性能等。总之，橡胶本身结构对橡胶材料吸声性能的影响相对较大，因此胶种的选择至关重要。

2.2  填料

在橡胶中加入气泡性的填料会形成均匀空腔，使得入射声波产生谐振并增大材料的有效厚度，减少声波能量的传递。美国SOAB吸声橡胶选用铝粉作为吸声填料混入橡胶中，但铝粉在开炼机混炼时容易飞扬，影响人体健康，且铝粉散布在空气中易着火，生产安全得不到保障，同时价格较高。乔冬平等系统地研究了蛭石粉对橡胶材料吸声性能的影响，提出在20-60Hz时，蛭石粉用量对胶料tanδ没有影响；随着频率的增大，胶料的tanδ随蛭石粉用量的增大而减小；在配方和工艺均保持不变的情况下，蛭石粉用量对橡胶材料吸声性能影响较大，当蛭石粉用量为30-40份时，橡胶吸声材料的综合性能较好。钟爱昇的研究也证实了这点。另外，硫化胶和未硫化胶的吸声性能也存在一定差异，通常是未硫化胶的吸声性能较好，硫化体系影响硫化胶的吸声性能。田斌等研究了硫化体系对SBR吸声材料性能的影响，指出随着硫黄用量的增大，胶料的最低粘度和最高粘度增大，硫化时间和焦烧时间缩短，拉伸强度、拉断伸长率和回弹值减小，定伸应力和硬度有所增大，tanδ最大值变化不大，玻璃化温度和损耗因子曲线吸收面积受到明显影响；硫黄/酚醛树脂并用后，硫化胶拉伸强度和拉断伸长率减小，硬度变化不大，玻璃化温度升高，tanδ最大值减小，损耗因子曲线吸收面积增大。

2.3  橡胶制品结构

钟爱昇研究了耐压低频吸声橡胶制品的材料和结构。结果表明，为了使橡胶制品具有较大的吸声因数而采用尖劈或圆锥状，可使制品的比表面积增大，这样既可充分利用制品的厚度，又可利用反射声波角度等于入射声波角度的特性，使相邻两斜面对反射声波重复吸收。罗东山等研究了橡胶薄片共振结构吸声机理，并研究了薄片厚度对吸声性能的影响，结果表明橡胶薄片共振结构的吸声因数在某一频率下随空气层厚度改变而出现极大值(即吸收峰)。这是由于入射声波频率与橡胶薄片热振结构的共振频率相同，即入射声波的周期性变化与橡胶薄片共振结构的振动“合拍”，声波的振动方向在整个周期与橡胶薄片共振结构的方向一致，使声波传递给橡胶薄片共振的能量最多，且此时的振幅、振速都最大，空气层的压强变化也最大，均有利于损耗声能，因同一试样在不同频率下的吸收峰值不同，随着橡胶薄片厚度的增大，最大吸收峰由高频方向向低频方向移动。橡胶制品的吸声性能可以从两个方面来提高，一是增大有效厚度，使声波在材料中传播更远，从而使能量衰减更多；二是在允许的情况下改变橡胶制品结构，使得声波入射到橡胶内部后产生谐振，将波长较长的横波转变成波长较短的纵波，纵波在橡胶中传播相对困难，更容易转化成热能而损耗掉。基于上述方法设计橡胶制品结构将大幅增大对声波的吸收。

总之，改善橡胶材料的吸声性能主要从增大橡胶材料的内耗和橡胶制品的有效厚度着手。具体方法有尽量增大基体橡胶主链侧基数量和体积以增大橡胶材料的内耗和将材料制备成一定的结构或添加较硬的小球体填料以增大材料的有效厚度等。

3  橡胶吸声材料的应用

3.1  在轮胎减震降噪方面的应用

轮胎与路面接触噪声的产生机理主要是轮胎花纹与路面空隙中空气的泵吸作用。轮胎在路面上滚动时与路面接触部位被压缩变形，轮胎花纹中的空气被部分或全部挤出，形成了局部不稳定的空气体积流；同理，路面空隙中的空气也被不断地抽吸和压入，这种气体涨缩往返的泵吸作用形成了主要的噪声源。另外，轮胎的振动作用使其在凹凸不平的路面上滚动时产生振动激发噪声也是轮胎与路面接触噪声的起源之一。当轮胎与积水路面接触时，还会由于溅水发出频率在1000Hz以上的噪声。

以上均与轮胎胎面花纹的设计密切相关，可以通过合理的设计将橡胶吸声材料用于轮胎，使其在满足轮胎其它性能的同时，具有较大的吸声因数，如此轮胎行驶过程中产生的噪声会部分地被胎面耗散掉。但是，随着吸声性能的提高，胎面胶内耗增大，导致滚动阻力较大，目前对既能降低滚动阻力又能提高吸声性能轮胎的研究还有待于单一步深入和完善。

3.2  在水下消声方面的应用

橡胶材料在水下消声池中应用时，主要做成锥形，以更大限度地吸收水中的噪声。吸声橡胶圆锥是水声工程用消声水池和循环水槽的重要组成部分，主要用于消除水池壁、水面和循环水槽舱壁的水声反射，以便提高测量系统声场的分布均匀性和稳定性，减小声测量的系统误差。目前所知，德国采用石墨填充聚己丁烯制备水声消声材料；日本采用红松木制作吸声尖劈；美国采用铝粉填充IIR制备吸声橡胶圆锥。我国已建成消声水池，但是技术尚不成熟，有待于进一步研究和提高。

3.3  在消声瓦方面的应用

橡胶吸声材料无疑是消声瓦的首选基材，这是因为橡胶的特性阻抗与水非常接近，声波很容易从水进入到橡胶中，同时橡胶吸声材料由于本身的特性，能够将声能等其它形式的能量转化为热能耗散掉，从而达到衰减声波的目的。

目前应用较多的消声瓦基材是IIR，但是IIR的粘接性不好，因此急需改善IIR的粘接性或寻找替代材料。SBR就是其中一种替代材料。虽然SBR的水下吸声因数较小，但可以通过调节橡胶材料的配方和橡胶制品的结构来改善，例如填充能够改善吸声性能的硬脂粒或玻璃微珠等或设计成有一定空隙的半空心体，如此将大大改善吸声性能，满足其在消声瓦方面的应用，目前已有部分SBR应用于消声瓦，而SBR结构变化方面的巨大潜力终将使其替代其它材料成为消声瓦的较佳材料。

4  结语

橡胶吸声材料是吸声材料中的一个重要分支，了解和分析橡胶吸声材料的原理和影响因素对于改善橡胶吸声材料的吸声性能有着重要的作用，随着研究的深入，也必将使其在吸声领域发挥更大的作用。

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