橡胶的隔音与降噪功能原理

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橡胶材料的吸音功能

橡胶材料是分子量大于１００００的高分子聚合物，当声波在橡胶中传播时具有高黏弹性和阻尼性能，声波引起大分子链的热运动，这反过来可以衰减入射声波。橡胶传播中声波的能量损失有３种方式：①分子驰豫吸收，当声波在介质中传播时，声波的传播周期和介质分子的振动不同步，并且相应产生的几个周期差是由声能的损失引起的；②热传导吸收，由于介质密度不同，介质温度之间存在温度梯度，导致相邻颗粒之间的热交换，随着机械能的消耗，声波不断地转换成热量，这一过程主要发生在介质的界面；③黏滞吸收，声波在介质中传播，已经发现纯橡胶材料的吸声系数在１００～５５００Ｈｚ内小于０．２，且已知纯橡胶材料的吸声性能不好，需要改进橡胶材料的组成或结构以增强其吸声性能。徐波等发现发泡剂种类及用量对橡胶吸声性能产生积极影响，当发泡剂用量为１２份时，胶料在中低频区域具有较好的吸声性能；在橡胶混合物中加入铝粉可以改善橡胶材料的松弛吸收效果。Ｐｈｉｌｉｐ等发现通过在橡胶粉中添加碳纤维晶须，能够在７～１２ｋＨｚ范围内降噪１７～２４ｄＢ；同时，橡胶的吸声系数与声波的频率有着直接联系，橡胶种类不同对吸声系数的影响也不同。由于合成橡胶弹性模量的温度系数大于天然橡胶，且内部摩擦大且容易产生热量，导致合成橡胶的吸音性能优于天然橡胶。

橡胶材料阻尼减振降噪原理

振动在汽车运行过程中是无法避免的，而噪声伴随着振动产生。因此降噪与减振有着直接联系。材料的阻尼对减振降噪产生直接的影响。阻尼是指材料耗散振动能量的能力，将因振动产生的噪音能量转化为热能或者其他可以消耗的能量，就可以有效降低振动和噪声的产生。

对于橡胶沥青路面而言，其路面材料中的橡胶颗粒、沥青属于优良的阻尼材料，因而路面的减振降噪性能良好。通过阻尼措施降低噪音的关键是降低结构的振动强度。当汽车轮胎振动时，振动能量传递到路面结构中的阻尼材料，引起阻尼材料内部的相互位移和摩擦。由于阻尼材料的内部摩擦和内部损失，汽车轮胎的大部分振动能量被转换成热能耗散。车体和轮胎的振动减弱，振动时间减少，实现了减振和降噪的目标。具有橡胶颗粒的路面在轮胎负载的作用下将经历更多变形。在变形过程中部分振动能量会被存储在橡胶分子链中，另一部分则因沥青分子的内摩擦而损耗掉。当车轮负荷消失时，路面会反弹，从而释放并消耗存储的能量。

根据振动理论，轮胎和路面均有一定阻尼，其力学模型如图７所示，为便于分析，可将该系统简化为图８物理模型。当轮胎在道路上行驶时，在轮胎／道路系统的阻尼和刚度的共同作用下，将在竖直方向上产生一维阻尼振动。橡胶沥青混合料可视为阻尼结构，其振动阻尼性能可通过测量计算定量分析。结构振动发出的固体噪声的大小和固体振动速度成比例。研究发现，橡胶沥青路面可以将道路车辆的振动降低到１／１０，从而可以降低２０ｄＢ的噪音声压。高明星指出轮胎／橡胶颗粒路面系统的振动和降噪性能与路面中的橡胶颗粒有显著的关系。通过增加橡胶颗粒的数量，从而增加路面的阻尼和减振指数，导致动态模量减小，相位角增大，从而提高路面的减振和降噪能力。曹卫东等通过对骨架密实性橡胶路面进行的研究也得到了类似的结论。通过调整橡胶颗粒的掺量和粒径等参数，能够抑制轮胎发生共振现象，进而减少噪声辐射的产生。朱晶比较了不同添加方式的废橡胶的ＳＭＡ路面降噪特性，发现ＳＭＡ路面具有较好的减振效果；并且发现橡胶颗粒使汽车和轮胎的振动衰减，且振幅值越大，减振效果越明显。同时，橡胶沥青的弹性模量大于一般沥青混合料的弹性模量，提高了橡胶沥青路面的阻尼效果，达到了降低交通噪声的目的。

橡胶颗粒沥青路面吸声降噪机理

根据声学原理，吸声结构主要有共振吸声模型和瑞利模型２种。这２种结构都依赖于间隙中气体分子之间的黏性阻力来消耗声波的振动，从而达到吸声的目的。共振吸声结构具有窄的吸声带，通常集中在腔体共振频率附近，瑞利吸声结构具有较宽的声音频率。橡胶沥青路面具有良好的吸音和降噪性能，这是由于路面结构加入橡胶颗粒使得其具备良好的弹性变形能力。同时，沥青混合物的空隙率也随之增加，路面结构具有更多的内部连通空隙，并且路面的表面纹理相对发达。当声波到达材料表面时，大部分声波通过混合物中的微小间隙传递到内部。受到空气和空隙壁之间的摩擦、空气分子间的黏滞力以及空隙内空气媒介的涨缩，由于摩擦与黏滞阻尼的作用，使得部分声波被转换成热能耗散。此外，橡胶沥青混合料表面丰富的纹理结构也使得气流在内部向四周扩散。它可以消散声能，还可以减少路面和轮胎之间的“泵送效应”，从而达到抑制噪声的效果。

橡胶沥青混合料路面中不同尺寸的空隙可以形成一系列不同的亥姆霍兹共振器，其可以吸收不同频率的交通噪声。当进入孔的声波频率与谐振器的共同频率相同时，进出孔的气流速度和摩擦损失最大化，吸收的声能效率实现最佳。研究指出，橡胶沥青路面可以显著提高２５０～１０００Ｈｚ的中频声范围内（交通噪声的主要频率范围）的吸声系数，当橡胶颗粒掺量在５％范围内，该频段的吸声系数随着橡胶颗粒掺量的增加而增加。并且橡胶沥青连续级配路面的吸声降噪效果要好于间断级配路面。

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