吸声材料研究进展:多孔材料、声学超材料与声学性能测试技术

从聚氨酯泡沫、纤维材料到声学超材料，了解高性能吸声材料的发展趋势，以及如何通过阻抗管测试准确评价材料声学性能。如何准确评价一种声学材料的降噪能力，仅依靠材料结构设计远远不够。吸声系数、声阻抗率、传声损失、气流阻率等关键声学参数，需要通过标准化测试方法进行验证。其中，基于 ASTM E1050、ISO 10534-2 等标准的 阻抗管测试 方法，已成为研究和工程领域评价吸声材料性能的重要手段。

1、研究背景与科学动机

随着交通运输和工业活动的快速扩张，噪声污染已成为人类社会面临的主要环境问题之一。世界卫生组织（WHO）将超过65分贝的噪声定义为噪声污染，长期暴露于此类环境中会导致听力丧失、压力增加、睡眠障碍乃至心血管疾病。因此，开发高效且极具成本效益的声学材料（Acoustic materials）对于车辆、建筑和大型空间的噪声缓解具有至关重要的意义。

在学术界和工程界，需要严格区分“吸声（Sound absorption）”与“隔声（Sound insulation）”的概念。吸声材料旨在通过减少声波反射、将声能转化为热能来改善室内音质并防止回声；而隔声材料则是作为声学屏障，阻止声波进入或离开特定空间。目前的吸声材料主要分为两大类：多孔型（Porous-type）材料（如聚氨酯泡沫、非织造织物和热塑性泡沫）和共振型（Resonator-type）材料（如超材料、微穿孔板）。本综述全面梳理了这几类材料的最新工程解决方案、微纳结构设计以及声学理论建模技术。

2、核心声学与结构参数表征

多孔材料的声学性能高度依赖于其内部的非声学结构参数。文献中系统总结了以下关键指标：

孔隙率（Porosity）与开孔率（Open-cell content）：吸声材料的孔隙率通常接近1。闭孔泡沫可能具有良好的保温性，但吸声性能差；而开孔或半开孔泡沫的吸声性能更佳，尽管其机械完整性相对较弱。
曲折率（Tortuosity）：定义为声波在材料内部实际传播路径的长度与直线距离之比。可以通过电阻率测量或超声波测量来评估，是决定声能耗散的重要指标。
静态气流阻率（Static airflow resistivity）与透气率（Air permeability）：气流阻率是声学性能预测的常用参数，反映了空气穿过多孔介质时的压降与流速之比；透气率则是其倒数，由达西定律定义。
在声学表征方面，吸声系数（SAC）和传声损失（TL）通常遵循 ASTM E1050-12 或 ISO10534 标准，利用阻抗管（Impedance tube）进行测试。

Fig. 1. Test equipment layout for measuring sound absorption coefficient of materials: (a) impedance tube measurement; (b) airflow resistivity measurement by constant airflow means. The figures taken from ISO 10534-2:1998 [16] and ISO 9053-1:2018 [19] are reproduced with the permission of the International Organization for Standardization,ISO. These standards can be obtained from any ISO member and from the website of the ISO Central Secretariat at the following address: www.iso.org. Copyright remains with ISO.

3、各类声学材料的发展现状与物理机理

该文献详尽梳理了多种代表性声学材料的设计策略与性能演化，重点探讨了纳米填料、多级结构和三明治结构在提升声学性能方面的协同效应。

3.1 聚氨酯（PU）泡沫与夹芯板

PU泡沫因其轻质、阻尼好和吸声频带宽等优点，在汽车降噪中应用广泛。为进一步提升其低频吸声性能，研究者们开发了多种改性策略：

颗粒型微纳填料的引入：加入无机纳米颗粒（如二氧化硅、PZT 压电陶瓷或纳米黏土）、碳纳米填料（如碳纳米管 CNTs、氧化石墨烯 GO）和微米级橡胶粉（如废旧轮胎橡胶 GTR）。填料的加入能改变泡孔尺寸、密度及形态，更重要的是在基体与填料表面引入了大量的界面。当声波传播时，填料振动引起的界面微观滑移能显著增加摩擦热损耗。例如，将具有压电效应的PZT陶瓷加入 PU 中，可在 125-500 Hz 低频段将 SAC 提升235%。
多级孔隙与定向结构（Hierarchical structures）：利用冷冻干燥、浸渍或 3D 打印技术在 PU 泡沫中引入微纳多级孔隙。例如，通过定向冷冻技术制备的 GO/PU 混合气凝胶，由于声波传播的曲折度增加以及 GO 层间的微观振动摩擦，其宽频吸声性能得到大幅增强。

Illustration of vacuum assisted impregnation of GO into PU foam;

负泊松比（Auxetic）PU 泡沫：这种具有超弹性和独特能量吸收特性的超材料泡沫，在受拉伸时横向膨胀。相比常规 PU 泡沫，采用 GO 包裹的负泊松比PU泡沫不仅提升了宽带吸声系数，在抗落锤冲击、阻尼比和能量耗散方面也展现出更优越的性能。
PU 复合夹芯板：以 PU 泡沫为芯层，非织造布或碳纤维织物为面板的三明治结构。多级孔隙与阻抗失配界面的结合使其在中高频段表现出极高的吸声潜能（SAC 可达 0.997）。

3.2 织物与纺织基吸声材料

非织造纺织品因轻质、成本低，广泛用作声学贴片（如 3M Thinsulate）。

纳米纤维与分层结构：静电纺丝技术制备的纳米纤维（如二氧化硅、PAN/BA-a 气凝胶或含 GO 的 PVDF 纳米纤维）因比表面积巨大、流阻率高，在低频降噪中极具潜力。研究发现，当纤维直径降至3 μm 以下时，材料的吸声行为由典型的多孔型转变为多孔-薄板混合型。
天然纤维与纺织废料再利用：基于生物可降解及循环经济的考量，大麻纤维、茶叶废料、废棉、再生 PET 以及工业轮胎橡胶废料通过热压成型等工艺，被成功转化为性能优异且绿色的隔音/吸声板材，尤其在汽车暖通空调（HVAC）等声学包装中取得了实际降噪效果。

Schematic diagrams of synthetic route of 2D GO-wrapped auxetic PU foam. Commercially available bare PU foam.

3.3 热塑性泡沫

相比 PU 泡沫，热塑性泡沫（如 PP、PLA）更易回收且具备更好的机械强度。采用微孔注塑成型（如 MuCell 工艺）并结合超临界二氧化碳（scCO2）物理发泡剂，能够制备孔径在 0.1 至 100 μm 之间的微孔泡沫。为了克服闭孔结构难以吸声的缺陷，通常结合“型腔后退（Core-back）”工艺与气体反压技术以强行打开泡孔结构。例如，具有超高泡孔密度的 PP/PTFE 泡沫，在开模发泡时引发强烈的异相形核，显著缩小了泡孔尺寸，从而在宽频带上改善了吸声系数。

3.4 微穿孔板（MPP）与声学超材料（Metamaterials）

传统的吸声材料通常受制于“质量定律”或“四分之一波长理论”，难以阻挡低频噪声。

微穿孔板（MPP）：其吸声机制基于微穿孔的声质量与背腔空气弹簧构成的亥姆霍兹（Helmholtz）共振效应。为了拓宽 MPP 通常较窄的吸声频带，研究者采用波纹表面、细分背腔（如蜂窝结构）、多层串联/并联或面心立方（FCC）阵列布置等方式，成功实现了低频域内的宽带吸收。
声学超材料：这是一种由亚波长尺度结构周期性或非周期性排列构成的人工材料，能够产生自然界中不存在的等效负质量或负体积模量，从而实现阻抗匹配。薄膜型、空腔型以及折射率梯度型超材料打破了传统材料的物理极限，能够在 100-1000 Hz 的超低频带实现近乎完美的声吸收。

(a) Detailed schematic of the proposed treatment of HVAC unit: lining jute felts along the recirculation inlet vents, outlet vents, and other locations in the airflow path, with cavities unassociated with air flow path sealed with waste cotton.

3.5 特种金属与石墨烯泡沫

金属泡沫（如开孔铝泡沫）在高强度、耐高温和抗冲击方面具有独特优势，常用于基础设施降噪。而石墨烯泡沫（GF）则展现了令人瞩目的多功能性。例如，结合 PDMS 和 CNT 的 GF 不仅由于多孔迷宫式的声波反射及石墨烯片层间的滑动摩擦耗散声能，其轻量化特性及优异的电磁屏蔽、阻燃性能更是无可匹敌。

4、声学建模与仿真技术

声学材料的开发离不开高效的预测模型。由于多孔介质包含弹性固体骨架及孔隙流体，能量耗散机制极为复杂（包括流体的黏性阻尼与热耗散，以及骨架的结构阻尼）。
综述总结了从宏观唯象到微观本构的建模技术：

经验模型：如基于流阻率的 Delany-Bazley 模型、Miki 模型等，形式简单但多局限于高频预测。
微结构与半唯象模型：如 Johnson-Champoux-Allard (JCA) 模型、Limp 模型以及刚性骨架模型（Rigid Frame Models），引入了动态曲折率、黏性与热特征长度等高级参数，极大提升了中低频的预测准确性。
CAE 数值仿真：借助有限元方法（FEM）或有限传递矩阵法（FTMM），结合 COMSOL、VA-One 等商业软件，能精确分析多层结构、复杂边界及声-固耦合效应（Fluid-structure interactions）。

5、实际应用与工程转化

各种高性能声学材料在以下领域具有广阔的工程应用前景：

汽车工业（Automotive）：如非织造布、热塑性泡沫及声学超材料被广泛布置于车门饰板、顶棚、仪表盘缓冲垫及轮罩内，以降低路噪和发动机轰鸣，提升座舱语音清晰度。
建筑与室内声学（Interior）：如聚氨酯泡沫贴片、三聚氰胺泡沫、MPP 面板等用于办公场所、录音棚和影剧院的墙壁、天花板，用于抑制混响时间并改善室内声场分布。
基础设施（Infrastructure）：穿孔金属板及热塑性发泡隔音屏障被大量运用于高速公路及高铁沿线，实现全天候的交通噪声阻隔与吸收。

6、研究亮点与未来展望

本综述的核心亮点在于系统性地串联了从传统的“海绵与织物”到前沿的“多级纳米网络与声学超材料”的发展脉络，并深刻剖析了纳米填料微观界面滑移、负泊松比超弹性结构、以及双层阻抗失配效应等声学耗散机制的物理本质。

未来挑战与发展展望：

可持续性与循环经济：目前的声学材料（如传统 PU）大多面临难降解、难回收的问题。未来亟需开发基于生物基树脂、天然纤维及完全可回收的绿色声学材料。
可控且低成本的先进制造技术：尽管石墨烯泡沫及多级复合纳米材料性能卓越，但其高昂的成本与纳米填料的分散难题限制了其规模化。3D 打印等快速成型技术将为复杂亚波长声学超材料的精准、低成本制造提供破局之道。
智能自适应声学材料的开发：目前针对能够响应外部电场或磁场刺激（Stimuli-responsive）、实现主动吸声频率动态调节（Tuneable）的“智能声学超材料”研究仍显匮乏，这也是下一代主动噪声控制（ANC）与被动隔声材料相融合的前沿方向。

Y. Tao, M. Ren, H. Zhang, and T. Peijs, “Recent progress in acoustic materials and noise control strategies – A review,” Applied Materials Today, vol. 24, p. 101141, Sep. 2021.

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