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可持续发展的生态声学材料（Sustainability2020,12,6540;doi:10.3390/su12166540）
原文作者：Jorge P. Arenas，Institute of Acoustics, University Austral of Chile 智利南方大学声学研究所；Kimihiro Sakagami，Environmental Acoustics Laboratory, Department of Architecture,Kobe University，神户大学建筑系环境声学实验室
译定：ProBiot Acoustics 比翱声学技术有限公司
材料科学、制造工艺、化学和纳米科学方面的技术进步，导致近几十年来创新性工程材料的巨大发展。其中，可持续的声学材料已帮助改善建筑环境中的声学舒适度，并且它们在建筑、汽车、航空航天和建工行业的使用正在迅速增长。这些材料是通过与环境关联的相互作用而制造的，以避免自然资源的消耗或退化，并确保长期的环境质量。本期专刊报道对天然吸音膜和纤维材料的一些研究，这些吸声和纤维材料可以替代传统的声学材料。Sustainable Acoustic Materials，尽管该术语很复杂，并且在文献中可以找到“可持续性”的几种定义，但世界环境与发展委员会在1987年向联合国大会提交的报告指出，应当利用资源和开发技术“在不损害子孙后代满足其自身需求的能力的情况下满足当前的需求”[1]。因此，在建筑环境中使用的每种制造材料都应满足此定义。
公众对环境问题的认识和关注导致了多项倡议的制定，例如在多个国家实践中使用的绿色建筑材料的概念，并已被考虑用于当地的施工方案和建筑法规，有利于环境友好的材料的使用、污染少的流程和产品的可回收。本期特刊旨在报告可持续声学材料（也称为生态材料）领域的最新研究与开发成果。声学材料以多种形式出现，以提供吸音、隔声和减振作用。这些环保材料是通过与环境关联的相互作用而制造的，以避免自然资源的枯竭或退化，并确保长期的环境质量。可持续性生态材料 Sustainable Materials
生态材料是一个广泛的主题，对于什么是生态材料这一问题的答案并不简单。但是，为了评估特定材料的可持续性，考虑几个固有特性是合理的。这些特征包括材料在其整个生命周期中的功能；其性能、可用性和再生时间；其制造过程的环境影响；其生产过程中消耗的净水和能源，所产生的废物，该材料从废物中获取的能量；操作环境，生产和交付人员的安全和健康状况，耐用性和使用寿命等[2]。
选择生态材料时要考虑许多如下标准：资源效率、能源效率和污染预防[3]。准确衡量新开发材料的可持续性特征的一种方法是使用生命周期评估（LCA）。该分析考虑了环境方面以及与产品、过程或服务相关的潜在影响。LCA分析还得出了表示与材料有关的总环境负荷的指标[4]。LCA程序表明，与传统材料相比，生态材料的生产对环境的影响较小。在过去的几十年中，由于材料科学、制造工艺、化学和纳米科学领域的最新技术进步，创新的工程材料得到了巨大的发展。在建筑、汽车、航空航天和建工行业等多个领域，对生态声学材料的兴趣正在迅速增长。在这些部门中，生态材料的例子是采用圆形设计的材料，即将拆卸下来的碎屑或废物转化为可再次用于建筑的新材料。圆形设计不仅具有环境效益，而且还消除了处理这些残渣的昂贵过程并减少了其处置的能源消耗，从而节省了成本。吸音材料 Sound-Absorbing Materials
如今，在建筑环境中也正在考虑声学质量和舒适性。室内和室外空间设计中缺乏声学方面的考虑可能会给这些空间的使用者带来问题，包括听力损失和一些与听力无关的疾病。吸音材料通常用于改善建筑环境中的声学舒适度。这些材料可以吸收声能，以减少封闭空间中的混响和声压级。尽管声学材料可以由单一构成材料制成，但是大多数声学材料被描述为复合材料。复合材料是从至少两种不同材料的组合中获得的，这些材料具有明显不同的物理或化学特性，这些物理或化学特性在组合时可获得与各个组件不同的特性。声学材料使用不同的机制来吸收声音。吸音膜材料利用通常由薄膜或面板支撑的气腔所耗散的能量，该气腔可以填充纤维材料。膜是用于声学目的的相当经典的材料，它们已用于声音反射、吸收和隔离[5,6]。膜可以是不透水的（不渗透的），也可以包含小孔的（通透的）。然而，具有明显的吸声特性的材料通常是多孔的，具有固相和流体相。这些材料包含空腔、通道或空隙，以产生开放的相互连接的孔。入射的声能通过空气分子的热和粘性损失在内部孔壁处转化为热量。一种特定类型的多孔材料是纤维材料。这种材料由连续的细丝组件组成，这些细丝将空气捕获在它们之间。当声波穿过材料时，由于摩擦力[7]，纤维会摩擦在一起并失去能量。过去，基于石棉的材料通常用于声学应用。然而，在有报道将石棉纤维与潜在的人类健康危害联系起来之后，制造业转向生产其他基于矿物的纤维材料，最常见的是由玻璃和岩棉纤维制成。考虑到这些纤维在其制造过程中的高能量需求，以及在使用寿命结束时对其进行安全处置的困难，生态友好的替代材料已成为近期研究的重点[7]。因此，研究生产通常比传统材料更坚固、更轻、更便宜且在环境上更优越的替代材料变得非常重要。可持续性替代 Sustainable Alternatives
为了获得更好的可持续性，已经通过使用再生材料和天然纤维开发了几种声学材料。许多声学材料也是可回收的。由残留物、工厂或制造过程精制而成的生态材料的使用研究受到了广泛关注。这些研究包括对由聚氨酯泡沫、发泡聚苯乙烯、农业残留物、废纸和纸板、轮胎和地毯制成的橡胶以及纺织废料制成的材料的声学特性的研究[4]。这些替代材料中的某些已显示出出色的声学特性，其商业生产可以作为处理这些材料的解决方案，从而防止其进入垃圾填埋场或焚化炉。使用天然材料代替不可降解的合成材料有助于实现更好的可持续性建筑物。这些材料的密集生长还可以帮助减少我们对气候变化的影响。过去，已经开发出许多天然材料，并经过声学测试。它们中的大多数与使用天然纤维作为生产多孔吸声材料的原材料来源有关。与合成纤维相比，这些天然纤维具有许多优势，例如可生物降解性、安全性、重量轻和成本低。关于这个主题已经提出了一些研究[4]。特刊的贡献 Contributions of the Special Issue
聚合物已广泛用于制造吸声材料。普通的石油基聚合物材料当然不能生物降解，但可以持久。但是，非石油基聚合物可以同时使用。大多数商业生产的可持续聚合物是由含淀粉的植物（例如玉米或甘蔗）和种子油（例如大豆或其他植物油）制成的。由非食品原料制成的聚合物，例如树木（木质素）、柳枝和农业废品，受到了广泛的关注。聚乳酸（PLA）尽管目前还不能完全回收利用，但却是最常用的可持续聚合物。许多天然聚合物，例如橡胶、木质素和腐殖质，会通过氧化机制进行生物降解，因此，自然界的许多生物废物无法满足合成聚合物标准委员会目前鼓励的快速矿化标准[8]。然而，由可再生自然资源制成的聚合物不一定具有生态效益。例如，基于纤维素的聚合物比基于石油的聚合物使用更多的不可再生的化石燃料，并且在制造期间产生更多地污染。
生产吸声纤维材料的最有前途的领域之一是使用纳米纤维，其主要由聚合材料制成。在该过程中，使用外部化学或物理方法将聚合物溶液/熔体挤出、拉伸或切成非常细的纤维。在[9]中，作者对用于涂覆三种多孔块状吸声材料的纳米纤维膜进行了表征。纳米纤维膜由可回收聚酰胺6（PA6）和水溶性聚乙烯醇（PVA）使用无针静电纺丝技术制成。将膜收集在高渗透性非织造基底中。所得的非常薄的膜表现出高孔隙率和非常高的流阻率。实验结果表明，掺入纳米纤维层后，块状材料的吸声性能有了显着改善。本期特刊还包括有关渗透吸音膜的两篇文章：渗透膜类型的吸收器主要通过共振吸收低频声音，这种材料也可以用作传统材料的可持续替代品。另一方面，可渗透膜（PMs）是机织和非织造织物以及轻度树脂涂层的织物，用适当的材料制成时具有很高的可回收性。它们通过气流阻力吸收声能，因此它们可以表现出类似于传统多孔和纤维类型的吸声特性。PM主要对中高频有效，但是当优化其流阻率时，它们可以显示出很高的吸声性能。考虑到通常柔软的PM的强度，最好将其用作从天花板悬挂的空间吸收器。丰田章男等在文献[10]中提出了带有PM的三维空间吸声体的吸声特性的数值预测，圆柱形和矩形形式。该方法使用边界元法（BEM），并带有吸声体的镜像。通过提出的方法，可以进行合理准确的预测。三维空间PM吸收器（3D-PMA）的想法后来通过纸折叠技术[11]提出，这为材料增加了更多的美学价值。另一篇论文[12]提出了与PM用作空间吸收器的能力有关的更基本的考虑。本文在混响室内测试了一个平面矩形空间吸收器，它是一个悬垂在天花板上的矩形PM，并在混响室中进行了测试，并将产生的场声吸收系数与理论结果进行了比较[13]，发现测量值高于理论值，这主要归因于该区域的影响。关于基于天然纤维的材料的开发的重要技术关注是其吸声性能的预测。通常，由于大多数天然材料都表现出高度的不均匀性，因此一些研究人员已探索使用基于经验系数的等效流体方法来预测这类纤维的声学性能。这些公式仅要求了解纤维材料的流阻率。但是，每种材料都有其自己的微观结构，因此该方法需要确定每种天然材料的独特经验系数，这通常是通过逆方法[14]或最佳拟合数值程序[15]来确定的。在[16]中，粗提草草纤维的吸声特性被认为是一种环保材料。对源自巴基斯坦、突尼斯和埃及的三种不同类型的纯净、原生和干噪的细茎针草样品的吸声系数和流阻率进行了测量。利用这些结果，作者报告了最合适的系数，可以通过一个简单的经验公式来合理预测吸声性能。据报道，针刺纤维的吸声系数结果与使用相同厚度的传统玻璃纤维材料所获得的结果相当。因此，在吸音材料的制造中，这些天然纤维似乎是合成纤维的可行替代品。Kusno等人的论文提出了另一种用于吸音的天然材料[17]。作者提出使用鸡毛，这是许多生产供人食用的家禽或羽毛枕头的国家的常见副产品。这项工作的独特之处在于，将羽毛仅包装在一个网状容器中，而无需使用粘合剂来巩固羽毛。在阻抗管中进行的测量显示出相当高的吸声系数。作者试图采用传统的Delany–Bazley–Miki（DBM）模型[18]来预测新材料的吸声效果。但是，测得的流阻率异常低，最终，使用DBM模型的预测值远低于测得的值。预测失败的原因仍然是一个悬而未决的问题，需要进一步研究。作者的假设是，较高的吸收率可以用羽毛在其中振动的样品的结构来解释，并且发生了摩擦能量损失，即使这样，贡献也是独特的，因为使用动物来源的天然材料的例子有限。
在未来几年中，环保型声学材料的设计和销售可能会稳定增长。公众意识的提高和对当前工业流程对我们环境的负面影响的关注将为这提供支持。因此，消费者偏爱其生产已考虑到资源和能源的有效利用的生态材料，从而确保了生产过程中的污染预防。预计本期特刊中有关可持续声学材料的研究成果将为此做出贡献。1. World Commission on Environmentand Development. Our Common Future;Oxford University Press:Oxford, UK, 1987.2. Cao, C. Sustainability and lifeassessment of high strength natural fibre composites in construction. In Advanced High Strength Natural FibreComposites in Construction; Fan, M., Fu, F., Eds.;Elsevier: Duxford,Cambridge, UK, 2017; pp. 529–544.3. Ding, G.K.C. Life cycleassessment (LCA) of sustainable building materials: An overview. In Eco-E_cient Construction and Building Materials;Pacheco-Torgal, F., Cabeza, L.F., Labrincha, J., de Magalhães,A., Eds.; Woodhead Publishing: Oxford, UK, 2014;pp. 38–62.4. Arenas, J.P.; Asdrubali, F.Eco-materials with noise reduction properties. In Handbook of Ecomaterials; Martinez, L.M.T., Kharissova, O.V.,Kharisov, B.I., Eds.; Springer: Cham, Switzerland, 2019; pp. 3031–3056.5. Brüel, P.V. SoundInsulation and Room Acoustics; Chapman & Hall:London, UK, 1951; Chap. 4.6. Ingard, K.U. Noteson Sound Absorption Technology; INCE: New York, NY,USA, 1996.7. Arenas, J.P.; Crocker, M.J.Recent trends in porous sound-absorbing materials. Sound Vib. 2010, 44, 12–17.8. Chiellini, E.; Solaro, R. BiodegradablePolymers and Plastics; Springer: New York, NY, USA, 2003.9. Ulrich, T.; Arenas, J.P. Soundabsorption of sustainable polymer nanofibrous thin membranes bonded to a bulk porous material. Sustainability 2020, 12,2361. [CrossRef]10. Toyoda, M.; Funahashi, K.;Okuzono, T.; Sakagami, K. Predicted absorption performance of cylindrical and rectangular permeable membrane spacesound absorbers using the three -dimensional boundary element method. Sustainability 2020, 11,2714. [CrossRef]11. Sakagami, K.; Okuzono, T.;Suzuki, H.; Koyanagi, N.; Toyoda, M. Application of paper folding technique to three-dimensional space soundabsorber with permeable membrane: Case studies of trial productions. Int.J. Acoust. Vib. 2020, 25, 243–247.[CrossRef]12. Sakagami, K.; Okuzono, T.;Somatomo, Y.; Funahashi, K.; Toyoda, M. A basic study on a rectangular plane space sound absorber using permeablemembranes. Sustainability 2020, 11,2185. [CrossRef]13. Sakagami, K.; Kiyama, M.;Morimoto, M.; Takahashi, D. Detailed analysis of the acoustic properties of a permeable membrane. Appl.Acoust. 1998, 54, 93–111.[CrossRef]14. Alba, J.; del Rey, R.; Ramis,J.; Arenas, J.P. An inverse method to obtain porosity, fibre diameter anddensity of fibrous sound absorbingmaterials. Arch. Acoust. 2011, 36, 561–574.[CrossRef]15. Berardi, U.; Iannace, G.Acoustic characterization of natural fibers for sound absorption applications.Build. Environ. 2015, 94, 840–852.[CrossRef]16. Arenas, J.P.; del Rey, R.; Alba,J.; Oltra, R. Sound-absorption properties of materials made of Esparto Grass fibers. Sustainability 2020, 12,5533. [CrossRef]17. Kusno, A.; Sakagami, K.;Okuzono, T.; Toyoda, M.; Otsuru, T.; Mulyadi, R.; Kamil, K. A pilot study on
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