科普| 声学材料的一个世纪（上）
一、引 言
声学是研究声波在不同介质中的传播的物理现象的科学，是物理学的一个重要分支。也有人说声学是物理学的第一学科，如果是从字母顺序来看的话。声学，以及在此基础上孵化的技术、产品就像次声波一样，虽然你并不能完全感受到它的存在，但是却渗透到了我们日常生活的方方面面。
图1. 声学学科与应用领域环状图
我们日常接触到的最平常的声学产品就是手机的扬声器和麦克风，这种最简单直白的信息的采集和传递，就是千千万万个微小的微电子声学元件(MEMS）在手机壳体内部默默地工作。我们习以为常的汽车喇叭、自行车铃铛，这样简简单单的声学产品在某种意义上已经保护了人类上百年。甚至在你家中看不到墙体内部就分布着为数不少的保温材料，但是这些保温材料同样起到了吸收和隔离噪声的作用。
从物理视角来看，声波作为一种弹性波，必须依托介质来进行产生并传播。不管是我们想要消除或者生产声波，还是对其进行人工调控，对传播介质的研究，即对材料的研究，正是声学研究中必不可少的一部分。虽然关于声波在常规介质中的传播的基础研究成果早在19世纪末有基本定论，但是随着工业革命的到来，大机器的运用带来无可避免的噪声问题，人类面对的声学系统的复杂程度成几何级数型上升。而随着20世纪末信息革命的到来，我们观察调控物理环境的能力更是有了质的飞跃。两者的结合，给声学材料的研究带来了突破性和革命性的进展，将对声学材料的研究推进到了一个前人完全无法企及的深度度和广度。哪怕是瑞利爵士 穿越到了我们所在的时空，也需要向我们来了解最新的声学知识。
二、声学材料系统的基本物理模型
题记：
万变不离其宗
——出自《荀子·儒效》
从物理的角度，我们可以把所有声学问题归纳为一个最简约的物理模型。声波由声源（Source）产生，经由介质（Medium），由接收器(Receiver)接收。这里的声源和接收器都可以是包括人在内的生物、包括麦克风在内的一切机器或者不同于传播介质的另一种物质。传播途径即传播介质可以由固体、液体或者气体中一个或多个构成。而我们大家都在中学时学过声音的三要素，即响度（Loudness）、音调(Tone)和音色(Timbre)，转换为我们现在熟悉的物理语言，三者分别对应声波的强度（Amplitude）、频率（Frequency）和频谱（Spectrum）。上述的六大要素一起构成了最简约的声学物理模型。
图2. 左：方波的傅里叶级数展开可视化效果；
右：声波传播的三大要素
声学下属的不同方向，对这六大要素的研究各有偏重，构成这六大要素的材料也各有不同。材料声学，尤其是应用于噪声治理的材料声学，关注对声学材料内部吸声和隔声机理的研究（介质），通过对频谱的控制，探寻对噪声的控制。
在线性的噪声问题中，我们依据能量守恒定律，即针对一个特定频率，声学材料吸收的能量加上其反射的和透射的能量等于系统的总能量，将声学材料这一系统以其系统的总能量为底进行参数化处理，可以给出以下的方程，
1=|A(f)|^2+|R(f)|^2+|T(f)|^2,
其中，A(f)为频率相关的吸声系数，R(f)为频率相关的反射系数，T(f)为与频率相关的透射系数。1）当T(f)=0，|A(f)|^2=1-|R(f)|^(2)；
解1）对应吸声问题。在纯粹的吸声问题中，我们不考虑透射系数即T(f)=0，假设在声学材料后边界条件为绝对刚性。在这一问题下，我们追求不断提高吸声系数，以减小反射的能量。当达到A(f)=0，R(f)=1 时，就达成了狭义上的完美吸声。
图3. 一种实现了狭义完美吸声的声学超构材料
2）当T(f)=1，A(f)=R(f)=0；
解2）对应声学隐身问题。在透明问题中，我们希望在声波不受阻碍地通过声学材料，而不被声学材料中的物体所影响。站在系统外观察者的角度，声学材料和被材料所遮盖的物体并不存在，从而实现了声学隐身(acoustic stealth)。
3）当R(f)=1，A(f)=T(f)=0；
解3）对应完美反射问题。在理想条件下，声学材料能够完全反射入射的声波，而不使能量透过这一系统。一般来说，隔声量与材料的质量成正相关关系，这一关系又被成为质量定律，对传统材料而言只有当材料的面密度无限大时，才能实现完美的隔声。
另，在这一问题中，当我们同时引入T(f)=0作为边界条件时，站在系统外观察者的角度，声波没完全反射，被其所遮盖的物体并不存在，从而实现声学斗篷（acoustic cloaking）的功能。诚然，此处我们只是简单地从能量的观点简要描述声学隐身和声学斗篷的概念。
图4. 左：隐身概念图；
右：世界首例通过实验验证的声学斗篷
4）当A(f)=1，T(f)=R(f)=0。
解4）对应完美吸声问题。在不假设T(f)=0的情况下，声学材料能够完全反射入射的声波，而不使能量透过这一系统。这样的材料一般需要使用多种不同的声学材料复合而成，是当前声学材料应用的主要发展方向。下面我们将主要讨论不同的声学材料在噪声治理方面应用。
通过对声学材料系统基于能量守恒观点的思辨，我们能够清晰地将声学材料系统中的一般问题作出简单的归纳和总结，并以此为依据从基础科学研究的角度以物理现象为依据对声学材料进行粗略的归类。下面我们会沿着这一思路继续介绍传统声学材料以及在此基础上发展出来的最新研究成果。
图5. 左：多层复合声学材料；
右：通过多层复合实现了完美吸声的一种声学超构材料
三、传统声学材料简介
题记：
大音希声，大象无形
——出自《道德经》
在现代社会的日常生活中，噪声是再寻常不过的事情了。人口高度密集的城市中的喧嚣自不用说，哪怕是农村生活也不能远离噪声的干扰，家电下乡带来生活品质的提高，农村城市化的推进，还有现代化农机的大规模使用，都带来了新的变化。噪声治理已经逐渐成为了声学技术发展中重中之重。
噪声治理工程，也称作声学工程，可以简单地分为新建工程和改造工程两大类。新建工程主要对新建构筑物，可以是建筑和包括各类交通工具在内的大型机械设备，通过分析其内部结构、可能产生噪声的设备、外部声学环境、人员分布等元素，预报构筑物内部各部位的噪声水平，并在此基础上进行降噪措施的规划和设计。其中针对交通工具的声学工程，加入了振动和舒适性的要求，而被称为NVH工程（Noise,Vibration,Harsheness）。而改造工程主要针对既有构筑物，主要是各类建筑物，通过确定主要噪声源，分析其噪声强度与频段，依据国家标准或业主的要求，在不改动建筑原有功能和结构的基础上，增补降噪措施。
在声学工程中，声学材料作为一种被动控制手段，以其普惠实用、长效廉价的优点，占据了噪声治理技术中的主要地位。声学材料主要可以主要分类两大类，即以多孔材料为核心的传统声学材料和以超构材料为核心的新兴声学材料。下面我们先来介绍传统声学材料。
传统声学材料，可以主要分为三种，即多孔材料、微穿孔材料和复合材料。其中复合材料由前两种材料复合而成，我们不再单独介绍。
多孔材料，依据其微结构的不同几何性状，可以细分为纤维材料和泡沫材料；依据其基底材料的不同性质，可以细分为无机多孔材料和有机多孔材料。这两种分类方法的组合，形成了多孔材料细分的四大类。
图6. 传统声学多孔材料分类
纤维类多孔材料
无机纤维材料中最常见的是玻璃棉和岩棉。这类材料是将天然矿石（石英石、石灰石或白云石）或者玻璃加热到熔融状态，借助外力吹制，甩成絮状细纤维，通过进一步的搅拌，纤维和纤维之间形成立体交叉，互相缠绕在一起，呈现出许多细小的间隙，形成纤维状的材料。其化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维，具有体积密度小、保温绝热、吸音性能好、耐腐蚀、化学性能稳定。玻璃棉，价格低廉，生产方便，性价比高，是我国市场上常见的保温隔音材料。以玻璃棉为基底，添加环氧树脂或其他胶结剂而形成的玻璃棉保温隔声板的使用在我国北方地区十分常见。
当然玻璃棉也不是没有缺点。玻璃棉的化学性质虽然十分稳定，但是其物理性质并不是十分稳定。在露天条件下，没有添加胶结剂的絮状玻璃棉很容易因为冷热变化和雨水侵蚀在三到五年内粉化，其内部最重要的多孔结构解体，失去声学性能。而粉化脱落的玻璃棉渣，容易被人体吸入呼吸道，长期接触会导致尘肺等职业病。同样的，玻璃棉上脱落的细小玻璃纤维渣，短期接触有可能会引起皮肤、眼睛、鼻及喉咙轻度过敏。因此，为了提高玻璃棉的使用寿命，减少玻璃纤维对人体的危害。当前销售的散装玻璃棉越来越少，而添加胶结剂的玻璃棉板材和带塑料或玻璃纤维布包装的包装玻璃棉成为了装饰工程的主流。
图7. 无机纤维材料：左：玻璃棉横截面照片；
右：玻璃棉内部结构显微照片
有机纤维材料的形成机制与玻璃棉类似，基底材料由玻璃改为了有机高分子材料，也就是塑料。常见的声学材料中使用的有机纤维材料是以聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，俗称涤纶纤维，搅拌压制而成的。其中使用的纤维可以直接使用塑料原料制成，也可以使用回收的废旧衣物的纤维制成。有机纤维材料具有和纺织布料相同的特性，相较于无机纤维材料，有着优异的力学性能，面密度低、韧性较好，不容易剥落粉化，且易于着色，可以直接作为室内装修的材料暴露在外。
泡沫类多孔材料
有机泡沫吸声材料，来自发泡塑料，如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等，由不同的发泡工艺制程。通过高压发泡机或高速搅拌机将多元醇、多异氰酸酯以及发泡剂和催化剂直接注入封闭的模具中，经过发泡、固化等工艺流程制得吸声性能优良的聚氨酯隔音泡沫塑料，这种方法所制得的聚氨酯泡沫塑料具备良好的吸声性能。
图8. 有机泡沫材料：左：聚氨酯泡沫横截面照片；右：聚氨酯泡沫型材
金属泡沫材料中声学应用方向主要是泡沫铝及其合金材料。泡沫铝具有优异的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。制备泡沫铝的方法有多种，根据制备过程中铝的状态可以分为三大类：液相法、固相法、电沉积法。其中电沉积法制备的泡沫铝具有良好的声学性能。电沉积法是以泡沫塑料为基底，经导电化处理后，电沉积铝制成。用电沉积法生产的泡沫铝具有孔径小，孔隙均匀，孔隙率高等特点，其声学性能和阻尼特性优于其他方法生产的泡沫铝。
图9. 金属泡沫材料：左：通孔型泡沫铝片材；
右：闭孔型泡沫铝板材
用于吸声的泡沫铝直接粘贴到混凝土或钢结构上，或竖在高架桥、轻轨两旁作为大型声屏障，可以减轻城市交通噪声。隔声的泡沫铝可用于工厂机房、机器设备、户外建筑工地的噪声隔离，解决了广泛应用的玻璃棉、石棉等吸声材料的许多局限性。金属泡沫材料相对其他传统吸声材料成本比较贵，且生产加工的工艺也相对复杂，目前还需要研究成本低、简单、可靠和稳定的生产泡沫铝工艺，进一步解决气孔均匀问题优化各种工艺参数和操作条件。
图10. 传统声学材料抗压性能与吸声性能对比
新型多孔材料
传统多孔材料经历了近一个世纪的研究和应用在新时期在出现了很多新的变化。
一个变化是绿色环保型材料逐渐回暖。在声学材料出现的早期，曾经十分流行以木质纤维为基底的有机质纤维多孔材料，但是这种材料易燃易腐化，寿命较短，无法在户外使用，逐渐退出了主流声学材料市场，但是随着环保意识的提升，市场对于绿色环保、可回收再利用的声学材料，尤其是不依赖矿物资源（石油（天然气）、煤炭、矿石）的声学材料的需求不断提升。从上世纪80年代开始，不断有学者提出利用植物纤维，主要是回收木料、秸秆、棕榈、软木制成的多孔材料，配合新出现的防腐和防火等材料化工技术，来生产保温吸声材料。
图11. 木丝纤维板
图12. 纤维素木头研究成果
其中一类材料是复合气凝胶吸声材料。研究人员采用两步酸碱催化溶胶-凝胶反应和冷冻干燥等工艺，开孔泡沫金属的多孔网络内生成二氧化硅气凝胶，又通过试验和模拟仿真验证得到了最佳的气凝胶与泡沫金属配比，综合泡沫金属优越的力学性能和气凝胶的高声阻尼特性，制备了轻质、高强且高效的新型泡沫金属/气凝胶复合吸声材料。这种材料具备更优越的抗压性能和更高效的宽频吸声特性，且其制备工艺更简单、成本更低廉，拥有更高的实用价值和经济效益。
另一类复合材料，针对传统多孔材料中高频性能优越，但实现低频吸声效果所需材料厚度较大的特点，通过在传统多孔材料中打孔或添加硬质共鸣腔来提高多孔材料的低频吸声性能。其中性能较为突出的构型就是添加剖面递减孔的吸声材料。与垂直于材料表面打入直孔的普通做法不同，研究人员在确定材料多孔声学特性基础上，创造性地加入了中心轴线与材料表面呈一定角度的圆锥或圆台孔洞，充分利用材料的厚度空间，增加了孔洞周边中多孔材料的等效厚度。在不改变材料平板外形的基础上，降低了材料面密度的同时提高了吸声性能。
图13. 传统声学材料超结构优化：
左：添加剖面递减孔的吸声材料；
右：剖面递减孔单元体示意图
另外一类材料则与前面讲到的纤维木材反其道而行之，在保留木纤维原有结构的基础上，将其中的木质素用化学方法完全去除，并以较为环保的环氧树脂材料代替，生产出了透明“木头”为代表新型绿色材料，希望有一天我们能看到真正透明的吸声材料。
图14. 透明“木头”
感谢现代工程与应用科学学院黄唯纯博士、解龙翔博士、卢明辉教授供稿。
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来源：南京大学双创办