打孔閉孔泡沫鋁的吸聲能力

梁李斯，姚廣春，王 磊，馬 佳，華中勝

打孔閉孔泡沫鋁的吸聲能力

梁李斯，姚廣春，王 磊，馬 佳，華中勝

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110089)

閉孔泡沫鋁板具有一定的吸聲性能，對閉孔泡沫鋁板進(jìn)行打孔處理后，其吸聲效果顯著提高。使用駐波管法測試不同打孔率以及在泡沫鋁板背后設(shè)置不同厚度空腔時吸聲系數(shù)和吸聲頻率的變化。測量結(jié)果表明：以適當(dāng)?shù)拇蚩茁蚀蚩缀?，吸聲系?shù)提高30%左右，打孔率過高，吸聲系數(shù)反而降低；隨著在泡沫鋁吸聲板后設(shè)置的空腔厚度的增加，吸聲峰值向低頻偏移。可通過改變打孔率和背后空腔深度來設(shè)計用于降噪的閉孔泡沫鋁吸聲結(jié)構(gòu)。

吸聲；閉孔泡沫鋁；打孔；空腔

隨著工業(yè)化的推進(jìn)和現(xiàn)代交通運輸業(yè)的發(fā)展，噪聲問題越來越突出，日益嚴(yán)重地影響著我們的生產(chǎn)和生活，噪聲污染、水污染與空氣污染一起被稱為當(dāng)代三大污染[1]。城市環(huán)境噪聲成為亟待解決的環(huán)境問題。

對于噪聲控制的研究，吸聲是一個重要的方法。而吸聲效果的好壞在很大程度上取決于吸聲材料本身。目前，吸聲材料來源廣泛，種類繁多，從傳統(tǒng)的棉麻類有機纖維到新研制的金屬基材料，從使用單純共振吸聲或多孔吸聲材料到將兩種方式相結(jié)合的吸聲結(jié)構(gòu)。隨著研究的進(jìn)展，性能優(yōu)良的吸聲材料不斷出現(xiàn)[2-5]，吸聲結(jié)構(gòu)日益優(yōu)化。泡沫鋁材料作為新興的特殊結(jié)構(gòu)材料用于吸聲領(lǐng)域歷史不長，且主要為滲流鑄造法生產(chǎn)的開孔泡沫鋁，對吸聲性能的研究也主要針對這類泡沫鋁材料[6?8]。對于閉孔泡沫鋁材料研究較少，且不夠深入和系統(tǒng)。本文作者在總結(jié)前人研究結(jié)論和成果的基礎(chǔ)上[9?11]，進(jìn)一步研究閉孔泡沫鋁打孔后背后空腔的深度、打孔率等因素對閉孔泡沫鋁吸聲性能的影響，探尋各因素影響閉孔泡沫鋁吸聲的規(guī)律。

1 實驗

1.1 閉孔泡沫鋁材料制備

圖1所示為熔體發(fā)泡法制作泡沫鋁的工藝流程圖。該方法是將發(fā)泡劑加入到具有一定黏度的熔融金

屬鋁液之中并攪拌均勻；發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生氣體并在鋁液中形成氣泡，阻止氣泡逸出并冷卻含有氣泡的鋁液，即可獲得泡沫鋁[12?14]。熔體發(fā)泡法需要添加鈣、氧化鋁粉等作為增粘劑，發(fā)泡劑一般采用的是金屬氫化物，如 TiH2、ZrH2和 HfH2等，生產(chǎn)出來的泡沫鋁孔洞之間相互獨立，強度較高。本研究所用材料為純鋁基的閉孔泡沫鋁，發(fā)泡工藝采用熔體發(fā)泡法。

圖1 熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁流程圖Fig.1 Flow chart of Al foams made by melt foaming method

1.2 測試儀器與原理

圖2所示為測試儀器的結(jié)構(gòu)原理。測試儀主要由駐波管、聲源系統(tǒng)、接受系統(tǒng)等部分組成。駐波管為一圓形截面的長管道，管壁由密實堅硬材料制成，內(nèi)表面平滑無縫。駐波管分兩段，一為試件段，裝置試件；另一為測試段，為駐波管主體，進(jìn)行測量。兩段橫截面與壁厚完全相同且同軸連接。駐波管測試的頻率范圍與管的粗細(xì)和長短有關(guān)，因此，若要覆蓋不同頻段，需使用長短、粗細(xì)不同的管。測試頻率滿足下列公式：

圖2 駐波管吸聲測試儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of standing-wave-tube sound absorption tester

式中：f1為測試頻率上限；f2測試頻率下限；c為聲速；l為管長；D為管直徑。

1.3 試驗方案

由于駐波管的測試條件要求，所選試樣的直徑均為99 mm。實驗共作了5組比較，選了2種密度的試樣，一種是低密度(0.30 g/cm3)，另一種是較高密度(0.78 g/cm3)。對這兩類試樣進(jìn)行不同背后空腔深度，不同打孔率的比較，研究吸聲效果受不同因素影響的原理與規(guī)律。

1.4 打孔方式

本實驗對閉孔泡沫鋁進(jìn)行打孔，均使用直徑為 2 mm的鉆頭，因?qū)嶒炇褂玫臉蛹橹睆?9 mm的圓形閉孔泡沫鋁材料，因此按輻射狀分布較為均勻，打孔從圓心向外打在一系列同心圓的圓周上，因為鉆頭直徑不變，孔的大小和形狀相同，若打孔率不同，則打孔個數(shù)隨之改變。對應(yīng)打孔率的打孔個數(shù)根據(jù)公式推導(dǎo)計算如下：

式中：N為打孔個數(shù)；X為打孔率；r為打孔孔半徑；R為樣件半徑。

關(guān)于打孔孔徑的問題，根據(jù)馬大猷[15]對開孔薄板的研究情況，開孔孔徑越大，管內(nèi)流體力阻越??；相反管徑越小，流阻越大，如果管徑小到一定程度，力阻就很大，就可以成為很好的吸聲材料。過大或過小的孔徑都不利于吸聲，考慮吸聲效果和操作的可實現(xiàn)性，選取2 mm的打孔直徑是較適宜的，既能形成一定阻力又能組成亥姆霍茲共振體系，因此，在本實驗中均采用2 mm的打孔孔徑。本實驗中閉孔泡沫鋁所打孔均為通孔。圖3所示為未打孔、打孔3.5%和打孔4%的閉孔泡沫鋁試樣的實物圖。由圖3可看出，未打孔閉孔泡沫鋁的宏觀形貌和閉孔泡沫鋁的大致打孔情況，可看到采取此種打孔方式，孔在閉孔泡沫鋁上均勻分布。

圖3 閉孔泡沫鋁試樣實物圖Fig.3 Photos of closed-cell Al foams using as absorption materials: (a) No perforation; (b) Perforation rate 3.5%; (c)Perforation rate 4.0%

2 結(jié)果與討論

2.1 不同打孔率

圖4(a)所示為密度0.78 g/cm3，厚度15 mm，背后空腔30 mm，打孔率分別為3%、5%、10%的閉孔泡沫鋁吸聲系數(shù)的比較。由圖 4(a)可見，隨著打孔率的增大，吸聲峰值向高頻偏移，但最高吸聲系數(shù)逐漸降低。因此，通過打孔率來調(diào)節(jié)吸聲峰值，將材料用于不同頻率分布的噪聲雖然是一個較好的應(yīng)用方向，但應(yīng)結(jié)合改變孔隙率、厚度及其他條件，不能單純增加打孔率，過高的打孔率不利于吸聲。

圖4(b)所示為密度0.3 g/cm3，厚度10 mm，背后空腔30 mm，打孔率從0.5%到4%一個系列的閉孔泡沫鋁吸聲系數(shù)比較。由圖4(b)可見，隨著打孔率的增大，吸聲峰值先增大后減小，由低頻向高頻偏移，吸聲峰值除第一峰值外在高頻還出現(xiàn)第二吸收峰，打孔率較高時第一吸收峰峰值下降，第二吸收峰峰值甚至超過第一吸收峰，打孔率為 4%的試樣第一吸收峰已經(jīng)不明顯，第二吸收峰成為它主要的吸聲峰值。打孔率為1%和1.5%的樣件吸聲峰值最高，接近1.0，峰值出現(xiàn)在中頻。閉孔泡沫鋁本身具有一定的吸聲能力，當(dāng)對閉孔泡沫鋁樣件進(jìn)行打孔后，泡沫鋁板與背后空腔形成亥姆霍茲共振器，吸聲機理類似于多孔板的吸聲機理，亥姆霍茲共振器的吸聲特性曲線如圖5所示。比較圖4和5可看出，打孔閉孔泡沫鋁的吸聲特性曲線與亥姆霍茲共振器的吸聲曲線有相似之處。其第一吸收峰對應(yīng)材料的一階共振頻率，是吸聲系數(shù)最大的位置，第二吸收峰對應(yīng)材料的二階共振頻率。由圖4(b)可見，幾種不同打孔率的閉孔泡沫鋁的吸收率均出現(xiàn)在1 600 Hz左右。打孔之后的閉孔泡沫鋁材料因為兼具幾種吸聲作用，其吸聲系數(shù)比未打孔時大大提高，但打孔率也會影響峰值的移動，不同打孔率的吸聲峰值出現(xiàn)在不同的頻率段。由圖4(b)可見，打孔率升高到一定程度會導(dǎo)致吸聲峰值的降低，因此過高的打孔率對吸聲效果并不起到積極作用，這在圖4(b)中得到更好的驗證，如果想要得到較高頻率的吸聲峰值可以考慮改變厚度或背后空腔深度等因素。但密度較低時，如圖4(b)情況，幾種打孔率吸聲峰值均不低于0.6，因此，一般情況下通過改變打孔率對不同頻率分布的噪聲進(jìn)行吸收仍是可行的方法。

圖4 不同打孔率的泡沫鋁吸聲系數(shù)曲線Fig.4 Sound absorption coefficients curves of samples with thickness of 15 mm (a) and 10 mm (b) under different perforation rates

圖5 亥姆霍茲共振器吸聲特征曲線Fig.5 Sound absorption characteristic curve of Helmholtz resonator

2.2 不同背后空腔深度

圖6(a)所示為打孔率1.5%，密度0.30 g/cm3，厚度10 mm，背后空腔分別為5、10、30 mm時的閉孔泡沫鋁吸聲系數(shù)比較。在不同打孔率的測試中發(fā)現(xiàn)，打孔 1.5%是能夠得到較高吸聲率的一個比較好的打孔率，因此選擇在此打孔率下測不同背后空腔深度的吸聲，進(jìn)一步探討吸聲系數(shù)受背后空腔影響的情況，希望得到更明顯的測試效果。由圖 6(a)可見，隨著背后空腔深度的增加，吸聲系數(shù)隨之增加，同時，吸聲峰值向低頻遷移，對于遷移的原因可以有兩種解釋，一是對于多孔材料，背后空腔深度的增加等同于材料本身厚度的增加，由于厚度增加導(dǎo)致吸聲峰值向低頻偏移，故出現(xiàn)如圖 6(a)所示的遷移趨勢；第二種解釋是基于穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的特性，穿孔吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率如式(5)所示，受到聲速、穿孔率、背后空腔深度和穿孔有效長度的影響，前兩個條件在本實驗中都固定不變，頻率隨背后空腔深度和穿孔有效長度增加而減小，穿孔有效長度也受背后空腔的影響，隨著背后空腔深度的增加而增加。因此，共振頻率與背后空腔深度成反比，吸聲峰值出現(xiàn)隨背后空腔深度增加向低頻遷移的趨勢。打孔閉孔泡沫鋁吸聲結(jié)構(gòu)兼具多孔吸聲與共振吸聲的吸聲機理，因此需用兩種理論來解釋其隨空腔深度變化的吸聲系數(shù)變化曲線。兩種作用中，共振頻率的變化應(yīng)是主要的。

式中：fn為穿孔結(jié)構(gòu)共振頻率；c0為聲速；σ為穿孔率；l為穿孔有效長度；D為空腔深度。

為了驗證圖 6(a)的測試效果，使其結(jié)論具有廣泛性，另選用3%的打孔率，同條件下進(jìn)行測試。圖6(b)所示為打孔率3%，密度0.30 g/cm3，厚度10 mm，背后空腔分別為5、10、30 mm時的閉孔泡沫鋁吸聲系數(shù)比較。由于圖6(b)所選試樣的密度較大，孔隙率相對較低吸聲系數(shù)值整體低于圖 6(a)中的測試樣品的；由于打孔率較高，同樣背后空腔深度吸聲峰值出現(xiàn)的位置偏高頻，但變化規(guī)律是一致的，隨背后空腔深度的增加吸聲峰值仍向低頻遷移。

圖6 不同背后空腔深度吸聲系數(shù)Fig.6 Sound absorption coefficients of Al foams with different cavity thicknesses: (a) Perforation rate 1.5%; (b)Perforation rate 3.0%

3 結(jié)論

1) 閉孔泡沫鋁經(jīng)打孔后吸聲系數(shù)值明顯增加，整體吸聲效果好于未打孔的。打孔之后的閉孔泡沫鋁材料吸聲效果受打孔率和背后空腔深度的影響很大。

2) 隨著打孔率的升高，吸聲峰值向高頻偏移，但過高的打孔率導(dǎo)致吸聲峰值降低，峰值出現(xiàn)的位置應(yīng)與材料的基頻對應(yīng)，第二吸收峰對應(yīng)二階共振頻率。

3) 打孔后的材料吸聲峰值隨背后空腔深度的增加而向低頻偏移，主要是由于空腔深度的變化引起了共振頻率的變化。

4) 打孔之后閉孔泡沫鋁材料吸聲性能得到提高，具有更好的應(yīng)用前景，在實際應(yīng)用中可以考慮改變打孔率和背后空腔深度，同時結(jié)合孔隙率和厚度的變化以適應(yīng)針對不同頻率分布類型噪聲的降噪使用。

隨著水庫大壩的不斷隆起，下游河道開始日漸干涸。一只只烏龜蜷縮在龜裂、僵硬的土地上艱難爬行、奄奄一息。忽然，一只野鶴翩躚而至，用細(xì)長的喙叼起一只烏龜向上游飛去，奮力飛躍大壩，將烏龜扔到水中。隨后，更多的野鶴飛來，紛紛叼起烏龜，將它們叼到上游的水域中。烏龜?shù)镁攘?，在水中歡快地游動，野鶴們在水面上盤弋低旋，鳴叫聲此起彼伏。一陣陣聲情并茂的天簌交匯之后，群群野鶴才向南方飛去。這是一場動物之間的傳奇盛舉，它為我的家鄉(xiāng)九臺，播下了善良和愛的神奇。

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Sound absorption of perforated closed-cell aluminum foam

LIANG Li-si, YAO Guang-chun, WANG Lei, MA Jia, HUA Zhong-sheng
(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110089 China)

The closed-cell aluminum foam panels have certain sound absorption properties, which are significantly increased by perforating the aluminum foam panels. The sound absorption properties were studied from the perforation rate, cavity thickness with standing waves tube. The results show that the sound absorption coefficient of closed-cell aluminum foam increases by 30% after being perforated. However, when the perforation rate exceeds a certain value, the sound absorption coefficient decreases. Moreover, the highest sound absorption coefficient shows the trend of traveling to low-frequency region with increasing the cavity thickness.

sound absorption; closed-cell aluminum foam; perforation; cavity

TG146.2

A

1004-0609(2010)12-2372-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2008AA032512)；國家自然科學(xué)基金資助項目(50774021)

2009-12-03；

2010-04-20

姚廣春，教授，博士；E-mail：gcyao@mail.neu.edu.cn

(編輯 李艷紅)