隨著現代科技和工業的發展,噪聲污染已經成為世界性難題,吸聲降噪逐漸演變為一個有關科技、環境、人類協調發展乃至現代軍事等各方面的重要課題,各種各樣的吸聲材料隨之產生,其中最重要的一支就是高分子吸聲材料。聲波的傳播特點決定了高分子材料成為較佳吸聲材料的可能性,聲波通常以縱波的形式傳播能量,當聲波入射到高分子材料內部時,其中一部分能量必將用于改變高分子鏈和側基的振動而做功,從而達到吸聲的目的。聲波能量傳播受阻是由高分子材料的內耗造成的,即為粘彈性內阻尼特性,尤其是在玻璃化轉變區,這種粘彈性阻尼效應更加突出。
提高高分子材料內耗是提高材料吸聲性能的一種方法,而目前在這方面應用相對較多的是橡膠材料。
1 橡膠材料吸聲原理
橡膠是一種粘彈性高分子材料,內耗相對較大,基體橡膠的相對分子質量分布可調,能適應各種頻率聲波的吸收。橡膠材料有一定的物理性能,可在不同的環境條件下使用。橡膠材料的吸聲率與聲波的頻率有很大關系,一般規律為:隨著聲波頻率的升高,橡膠材料吸聲率增大,當聲波頻率達到某一臨界值時,橡膠材料吸聲率出現最大值,此后隨著聲波頻率的繼續增大,橡膠材料吸聲率反而下降。由于多數SR(如IIR,NBR,CIIR和SBR等)的彈性模量溫度系數比NR大,內部摩擦大,容易生熱,更有利于吸收聲波能量,因此SR膠料的吸聲性能比NR膠料好。橡膠材料內耗較大,很大一部分是由基體橡膠微觀結構造成的,如IIR中有較多甲基存在,分子堆積較密,使得這些鏈段移動相對比較困難,內摩擦較大。氰基、氯原子、苯基的存在也有類似作用。
橡膠用作吸聲材料僅僅具有較大的損耗因子(tanδ)還不夠,還必須確保聲波能夠射入其內部,以便于吸收聲波能量,這其中有個參數起決定作用,即特性阻抗。當平面波入射到各向同性的均勻介質表面時,是入射還是反射,取決于材料的特性阻抗。特性阻抗是表征介質本身性質的一個十分重要的物理量,是判斷材料能否作為反聲材料或透聲材料的主要標志之一。當相鄰兩種介質的特性阻抗接近或相等時,稱為“阻抗匹配”,反之稱為“阻抗失配”。只有兩種介質的特性阻抗相同或接近時,聲波在兩介質界面處才不致于發生反射。而橡膠材料的特性阻抗與水接近,而且可以通過改變填料和其它組分來進行調節,這是橡膠材料常用作水聲材料的重要原因。
在一般情況下,聲波在橡膠材料中的傳播速度隨橡膠材料的形態不同而異,其大小依次為固體、液體、氣體,且隨橡膠材料彈性模量的增大而增大。如果在橡膠材料中添加了對模量影響較大的炭黑類配合劑,聲波在橡膠材料中的傳播速度將增大;如果添加軟化劑或增塑劑類配合劑,傳播速度將減小。聲波在硬度較大的橡膠材料中的傳播速率可達1560-1573 m·s-1。此外,聲波在橡膠材料中的傳播速度隨溫度的升高而減小,材料伸長率對聲波的傳播速度影響也很大,但趨勢不確定。還同的傳播速度過材料吸聲性能也有一定的影響。