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。