吸声材料在汽车消声器中的应用综述

吸声材料在汽车消声器中的应用综述

作者：唐灿、徐晨阳、郑康

在新《噪声法》中明令禁止驾驶拆除或损坏消声器的机动车，事实上随着汽车数量的剧增和噪声污染的加剧，汽车消声器成为众多学者的研究热点。

消声器在降低进气和排气噪声方面起着重要作用，其主要有两个设计参数：传递损失（Transmission Loss, TL）和插入损失（Insertion Loss, IL）。TL是指消声器终端消声时，进入和离开消声器反射波的声功率之差；IL则是指系统外部某一点在安装消声器前后的声压级差。一般来说消声器分为两个不同类别：耗散型消声器（dissipative muffler）和反射型消声器（reflective muffler）。耗散型消声器通常由管道和内衬的吸声材料的腔室组成，使噪声在传播过程中不断被吸收而衰减。耗散型消声器可有效降低中、高频噪声，同时系统压降比较低，但是波长大的声波无法通过而导致衰减效果差，因此不适用于低频噪声。反射式消声器一般由若干不同体积和形状的腔室用管道连接组合而成，通过使声波不断发生反射而衰减。反射型消声器耐高温、耐腐蚀，能在冲击气流环境下工作，同时价格较低保养成本少，但是在部分频域范围，排气声压几乎没有衰减。

在排气系统中使用吸声材料可以将声波的能量转化为热能，并将排气流中的热能储存起来，使用吸收材料会大大增加排气系统在中高频范围内的传输损失，目前存在各种各样的吸声材料。20世纪70年代，公众健康问题使得吸声材料的主要成分从石棉材料转变为新型合成纤维。虽然这些新纤维对人类健康安全得多，但最近，与全球变暖有关的问题可能会增加天然纤维而不是合成纤维的使用。合成材料的生产导致二氧化碳(主要来自发电厂和运输)、甲烷和亚硝酸氧化物的排放，使用纤维材料和不同的泡沫作为吸收材料是更好的选择，这种材料重量轻，非常有效，但有助于降低油耗。Jorge和Crocker还提出，材料科学、化学和纳米技术的最新进展正在改善我们组件中使用的吸收材料的设计和性能。这些进步包括使用天然纤维、生物聚合物、回收和剩余材料以及多孔金属。

图1：三种主要类型的多孔吸收材料。

多孔吸声材料

Porous Absorbing Materials

吸声材料种类繁多；它们提供的吸收性能取决于频率、成分、厚度、表面光洁度和安装方法。然而，具有高吸声系数的材料通常是多孔的。多孔吸收材料是一种包含空腔、通道或空隙的盖子，以便声波能够通过它们进入。

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图2：不同多孔材料的结构：

a） 网状泡沫。b） 部分网状泡沫。c） 矿物棉。d） 玻璃纤维。

基于它们的微观构型，多孔吸收材料可分为多孔材料、纤维材料或粒状材料。这些材料由声波进入的小孔或开口组成。开孔聚氨酯和泡沫是多孔材料的例子。纤维材料通常由天然纤维和合成纤维组成，如玻璃纤维和矿物，有时也可能是粒状的。粒状吸收材料包括一些沥青、多孔混凝土、粒状粘土、砂、砾石和土壤。现有解释多孔吸收材料的声学行为的模型通常是需要推导吸收材料中平面波的特征传播常数G和特征波阻抗Z，作为孔隙度、气流阻力和弯曲度等非声学特性的函数。多孔材料的各种结构如图2所示

多孔纤维吸声材料

Porous Fibrous Materials

多孔纤维吸声材料由一组连续的细丝组成，这些细丝将空气截留在它们之间。纤维也可分为天然纤维或合成纤维（人造）。天然纤维可以是植物（棉花、红麻、大麻、亚麻、木材等）、动物（羊毛、毛毡）或矿物（石棉）。合成纤维可以是纤维素（例如竹纤维）、矿物（玻璃纤维、矿物棉、玻璃棉、石墨、陶瓷等）或聚合物（聚酯、聚丙烯）。合成纤维材料由矿物和聚合物制成，主要用于吸声和隔热。考虑到环保，天然纤维在制造吸声材料中的应用越来越广泛。例如红麻这种天然纤维，与棉花有亲缘关系。它的纤维被用于增强混凝土和其他复合材料，用于建筑应用和汽车工业。更多的天然纤维参见图3。

图3：扫描电子显微镜下的几种天然纤维

泡沫金属、多孔陶瓷和气凝胶吸声材料

Advanced Metal, Ceramic and Gel Foams

泡沫金属具有高刚度、低重量、耐火性和低吸湿的特性。泡沫金属较为昂贵，可以回收利用。它们通常是通过向熔融金属中注入气体（空气、氮气、氩气、二氧化碳或一氧化碳）或添加发泡剂（氢化钛或碳酸钙）制成的。闭孔金属泡沫吸音效果不好，但是能够在恒定的破碎载荷下吸收冲击。

多孔陶瓷（Ceramic foams）具有80-90%的孔隙率，可在1500℃以上的温度下使用。新的陶瓷泡沫由氧化铝制成，孔隙率值可超过94%。这种泡沫吸音量很大。目前，多孔陶瓷广泛应用于航空航天和工业应用，如火箭喷嘴组件、复合材料面板、隔热板元件和飞机消声器的声学衬垫。

气凝胶（Aerogels）是最好的热绝缘体，可以吸收大量的声音。这种材料比普通的玻璃纤维材料好40倍，因为这些材料非常轻，具有高度多孔性和半透明性。气凝胶的典型孔隙率大于75%，熔点为1200℃。然而，气凝胶仍然非常昂贵，这些材料主要用于高科技航空航天任务。

然而随着当前污染加剧，迫切需要更优异的吸声材料来适应恶劣的环境，耐火开孔泡沫（Refractory Open-Cell Foams）是一种非常具有潜力的吸声材料，有望于未来应用在汽车消声器中。耐火泡沫材料具有耐高温、耐氧化的特点，是恶劣环境下降噪的理想材料，当声波垂直传播通过泡沫时具有优异的声音衰减性能。在实验室测试中，泡沫在250Hz时实现了约44dB的降噪，在1000Hz时实现了64dB的降噪。而其中碳化硅泡沫具有低密度、高强度重量比、高孔隙率和机械化学稳定性、能有效去除夹杂物、减少液态金属捕集的气体等特性，是一种很大潜力的材料。

每个人都希望生活环境能够没有烦人的噪音，而汽车噪声是目前噪声污染的主要来源之一，如何降低该噪声备受关注。多年来，多孔吸声材料发展迅速，在汽车消声中具有重要的作用，其他材料例如金属泡沫，陶瓷泡沫和气凝胶等具有高的结构强度和小的结构重量，在航空航天和汽车工业中的使用具有降低燃料消耗和节约能源的效果。但是，实际汽车消声的问题仍然存在，设计一种能够适应更为恶劣环境的吸声材料仍是任重道远，这既是挑战也是期遇，希望未来能有更多性能稳定、适应力强的吸声材料不断涌现，让汽车噪声不再成为人们困扰的问题。

参考文献

Kalita, U. , Pratap, A. , Kumar, S. . (2014). Absorption Materials Used In Muffler A Review.

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