声音是人们生活中不可或缺的一部分，但是噪声会给人类带来危害，随着社会经济的不断发展，噪声问题日益突出，人们对环境问题的关注程度越来越高，噪声污染、空气污染和水污染一起被称为当今世界公认的三大污染。噪声控制已成为一个有关高科技、环境以及人类协调发展急需解决的重要课题，利用吸声材料降噪，作为一种有效的被动式吸声降噪方法，得到了广泛研究。商业上多孔铝已经成为普遍应用的材料，将其用于如地铁、隧道及公路等的噪声与振动控制，控制效果好。利用新的原材料制造如镍、钢、钛和铜等多孔材料正在进行^{[1, 2, 3]}。由于公众对环境及低碳概念的建立，环境友好多孔材料的研发也非常活跃，如泡沫玻璃、天然纤维多孔材料等研究^{[4, 5]}。

金属纤维多孔材料作为吸声材料，正在引起广泛关注，它是一类重要的多孔材料，由于具有强度高、耐冲击、易加工、耐高温、抗恶劣工作环境能力强等优点，因此可用于高温、承载、振动等特殊的吸声场所。目前常用的金属纤维材料主要是不锈钢纤维和铝纤维，从20世纪70年代后期出现于国外工业发达国家后，金属纤维的应用也逐步扩展到各个领域。金属纤维应用于吸声隔声领域的研究，国外K. Daneshjou等^[6]做过关于内衬多孔材料的复合板双层圆柱壳体内波传播的研究；国内的李明俊等^[7]做过不锈钢纤维棉、毡吸声性能的探讨。汤慧萍等^[8]也做过关于不锈钢纤维多孔材料吸声性能的研究，主要研究了丝径在50~100 μm范围内的不锈钢纤维材料；孙富贵等^[9]研究了多孔金属材料在高温条件下吸声性能，得到了温度对材料吸声性能的影响规律。王常力等^[10]做过多层结构连续铜纤维材料吸声性能的研究。不锈钢纤维吸声性能的研究十分活跃，为工业应用奠定很好的基础。

本文采用超细不锈钢纤维制备维多孔吸声材料，研究孔隙率、丝径、厚度、后空腔等对吸声系数的影响，从而获得制备具有宽频吸声特性的最佳参数。

选用丝径分别为6 μm、12 μm、22 μm的不锈钢纤维若干，制备实验所需不锈钢纤维多孔材料。将束状的不锈钢纤维剪切成120 mm长的纤维段，纤维段经分散处理后，随机放入模具中，压制成型，退模，得到预压样品；将预压样品放入马沸炉中，在800℃还原性气氛中退火处理；再压制成样品。

采用丹麦B&K公司的4206型双传声器阻抗测量管测量样品的吸声系数。

选择丝径为6 μm 的不锈钢纤维，制备厚度为10 mm，孔隙率分别为0.65、0.75、0.85，样品直径为29 mm的不同样品，后空腔为0。吸声性能测试结果如图 1所示，吸声参数如表 1所示。

图 1 材料孔隙率对吸声系数的影响

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由图 1可以看出，超细不锈钢纤维多孔材料具有很宽的吸声频带。当孔隙率增大时，共振吸声频率逐渐向高频移动，共振吸声系数也随之提高。平均吸声系数提高，起始频率基本没有变化。这是因为当材料的孔隙率升高时，声波进入材料后，引起孔中空气与纤维壁面的摩擦以及超细纤维本身的振动，从而消耗声能。由于超细纤维与空气接触面积很大，因此，出现宽频吸声的特点。

选择丝径为6 μm的不锈钢纤维，孔隙率为0.85，厚度分别为10 mm、15 mm、20 mm，样品直径为29 mm，后空腔为0。吸声系数如图 2所示，吸声参数如表 2所示。

图 2 厚度对吸声系数的影响

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由图 2和表 2可以看出，当厚度增大时，平均吸声系数先降低后提高，样品3厚度最大，平均吸声系数最大，吸声频带最宽，吸声能力最强。这是因为多孔材料厚度增大时，声波引起孔中空气与纤维壁面的摩擦以及超细纤维本身的振动增加，衰减声能增加，所以厚度增大，吸声系数提高。吸声频带向低频移动。

制备孔隙率为0.85，厚度为10 mm，不锈钢纤维直径分别为6 μm、12 μm、22 μm，直径为29 mm的3个样品，后空腔为0。吸声性能测试结果如图 3所示，吸声参数如表 3所示。

图 3 不锈钢纤维直径(丝径)对吸声性能的影响

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由图 3和表 3可以看出，当不锈钢纤维丝径提高时，平均吸声系数先提高后下降，但下降幅度不大，起始频率向高频移动。1号样品的平均吸声系数最低，吸声性能最差，这是由于丝径为6 μm时，相应的孔径变小，阻止声波进入，因此吸声性能低；2 号样品其丝径为12 μm，孔径合适，声波顺利进入材料被耗散；3号样品丝径为22 μm，孔径较大，声波可以顺利进入材料，但被耗散的声能不及2号样品，在2 700~5 300 Hz有较高的吸声系数，但中低频的吸声效果较2号样品差。总体而言，2号样品的吸声曲线平均吸声系数最大，起始频率低，吸声频带很宽且平滑。

选取材料参数为孔隙率 0.85，厚度为10mm，纤维丝径为22μm，样品直径为29 mm的样品。依次改变后空腔深度为0，10 mm，20 mm，30 mm，吸声性能测试结果如图 4所示，吸声参数如表 4所示。

图 4 后空腔深度对吸声性能的影响

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由图 4和表 4可以看出，当不锈钢纤维材料的后空腔深度增大时，第1共振频率向低频移动，共振吸声系数也随之提高。平均吸声系数提高，起始频率向低频移动。即增加后空腔深度可以显著提高材料的中低频吸声性能，但在中高频时由于出现吸声谷，吸声性能下降。当有后空气层时，提高材料的抗性，与微穿孔板吸声体结构相似。因此在材料背后设置空气层后，可以有效提高中低频吸声性能，但中高频的吸声性能降低。随后空腔深度加大，出现双吸收峰。

实验选取的不锈钢纤维多孔材料参数为：孔隙率0.85，厚度10 mm，纤维直径22 μm。选择的人造纤维毛毡为厚度15 mm的单层毛毡和含有1 mm橡胶夹层的毛毡。吸声性能测试结果如图 5所示，吸声参数如表 5所示。

图 5 与不同毛毡吸声性能的对比

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从图 5和表 5可看出，不锈钢纤维与毛毡都具有很宽的吸声频带。不锈钢纤维平均吸声系数大于人造毛毡。2号毛毡出现双峰吸声，在4 000~6 000 Hz时吸声性能较低。3号毛毡在低于4 000 Hz时，吸声性能低于不锈钢纤维，而在高于4 000 Hz时吸声性能高于不锈钢纤维。 综上分析可知，不锈钢纤维毡的吸声性能较毛毡好，即有更宽的吸声频带和更高的吸声系数，其原因是它较毛毡有更为合理的孔隙率，即毛毡的孔隙率过大，几乎为 96%以上，而不利于吸声。

1) 不锈钢纤维材料越厚，平均吸声系数越大，吸声能力增强且吸声频带拓宽，但仍需与孔隙率配合，一般选择10~20 mm的厚度为宜。

2) 纤维直径越大，其吸声性能越好。在低频阶段的吸声性能较差，而高频吸声性能较好。一般可选12 μm和22 μm的丝径。

3) 最优吸声参数为：孔隙率为0.85，厚度为10 mm，丝径为12 μm，平均吸声系数为0.67，起始频率为512 Hz。

4) 增加后空气层可显著提高不锈钢纤维多孔材料的中低频吸声性能。但后空气层会使吸声曲线出现吸声谷，从而降低吸声性能。