組合形式對打孔閉孔泡沫鋁板吸聲效果的影響

梁李斯, 姚廣春, 穆永亮, 華中勝

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110089)

組合形式對打孔閉孔泡沫鋁板吸聲效果的影響

梁李斯, 姚廣春, 穆永亮, 華中勝

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110089)

將不同打孔率、厚度、打孔方式的閉孔泡沫鋁板與玻璃棉進行組合，使用駐波管吸聲測試儀進行吸聲系數(shù)測試，研究組合形式對閉孔泡沫鋁板吸聲效果的影響。結果表明，通過對吸聲峰值、降噪系數(shù)、半峰寬值的計算和比較可以看出，吸聲峰值在低頻的試樣在前、峰值在高頻的試樣在后的組合形式有利于吸聲，出現(xiàn)兩個吸聲峰，降噪系數(shù)和半峰寬值也都大大提高；打孔閉孔泡沫鋁板與玻璃棉的組合使峰值略有提高，但性能總體的改變不大，而玻璃棉本身易造成環(huán)境污染，因此，該種組合不適于在吸聲領域應用。

吸聲系數(shù)；泡沫鋁；玻璃棉；打孔；吸聲結構

閉孔泡沫鋁從20世紀50年代研制成功以來，由于其基于鋁又優(yōu)于鋁的各種性能而引起了研究人員的注意[1?3]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，閉孔泡沫鋁的生產(chǎn)工藝得到了進一步的完善[4]，尤其是近幾年實現(xiàn)大量生產(chǎn)之后，閉孔泡沫鋁越來越廣泛地應用于各個領域，如減振、降噪、吸能等[5?7]。閉孔泡沫鋁在吸聲領域常作為聲屏障、消聲器的主體材料[8]。作為金屬吸聲材料，它本身除了較好的吸聲效果外，環(huán)保、耐火、壽命長等優(yōu)點也使得其在吸聲領域獲得了很好的應用前景[9?11]。為了提高吸聲系數(shù)，人們對閉孔泡沫鋁進行打孔、加空腔、背后貼膜、壓縮等一系列處理，對其吸聲效果產(chǎn)生了積極的作用[12?15]，尤其是打孔，可以使吸聲系數(shù)大大提高[16?17]，對于一定密度、一定厚度的泡沫鋁板合適的打孔率在個別頻率段可以使吸聲系數(shù)高達0.95以上。打孔閉孔泡沫鋁材料作為一種特殊的吸聲材料制作成共振吸聲板比普通的共振吸聲板更具吸聲優(yōu)勢，而玻璃棉是一種多孔類吸聲材料，將打孔的閉孔泡沫鋁板與玻璃棉進行組合以研究其吸聲效果。在初步探討打孔率對吸聲系數(shù)大小和吸聲峰值出現(xiàn)頻段的影響之后，本文作者將不同打孔率、厚度、打孔方式的閉孔泡沫鋁吸聲板進行組合，研究組合結構對吸聲的影響，同時，希望得到更寬的吸聲頻段，以取得更好的吸聲效果。

1 實驗

1.1 實驗材料與方法

1.1.1 材料制備工藝

本研究所用閉孔泡沫鋁試樣由東北大學制備，所用生產(chǎn)工藝為熔體轉移發(fā)泡法。采用熔體轉移發(fā)泡法制備閉孔泡沫鋁[18]共有5個步驟：1) 在電爐里熔化鋁以及金屬鈣的混合物；2) 向熔體里加入 TiH2；3) 將熔體轉移到發(fā)泡箱；4) 將發(fā)泡箱放入保溫爐中并在里面發(fā)泡；5) 冷卻。經(jīng)過上述5個過程可以得到閉孔泡沫鋁塊體，若制作成吸聲板需要對塊體再進行切割，按照所需得到不同厚度的閉孔泡沫鋁板。生產(chǎn)過程如圖1所示。

圖1 熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁金屬Fig. 1 Schematic diagrams of melt foaming method process

1.1.2 閉孔泡沫鋁材料的表征

通過阿基米德排水法測閉孔泡沫鋁體積，稱量質(zhì)量后，計算得到其密度，本研究共選兩種密度的材料：0.2 g/cm3和0.3 g/cm3。80%的孔徑為3～5 mm，孔形態(tài)主要以五邊形十二面體和十四面體為主?？追植季鶆?，無連通孔，缺陷少。厚度取兩種：10 mm和15 mm。

1.1.3 實驗原理與測試儀器

1) 實驗原理

吸聲材料的吸聲能力，從實用角度，是以吸聲系數(shù)來表示。聲波入射到材料表面時，入射聲能(Ei)的一部分反射(Er)，一部分聲波入射能量中被材料吸收部分所占的比率，表示為[8]

當 Ei=Er時，α=0，表示材料是完全反射的；當Er=0時，α=1， 表示材料是全吸收的。因此，吸聲系數(shù)在0～1之間變化，吸聲系數(shù)越大，材料的吸聲效果越好。

2) 測試儀器

測試儀器為中國科學院聲學研究所的駐波管吸聲系數(shù)測試儀，圖2所示為測試儀器的結構原理，測試儀主要由駐波管、聲源系統(tǒng)、接受系統(tǒng)等部分組成。該儀器所測吸聲系數(shù)為法向入射吸聲系數(shù)。測試的中心頻率為200～2 000 Hz，按照1/3倍頻程分布，依次為 200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600和2 000 Hz。

圖2 駐波管吸聲測試儀結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of standing-wave-tube sound absorption tester

1.2 實驗過程

根據(jù)駐波管的測試條件要求，所選試樣均為直徑99 mm。經(jīng)熔體發(fā)泡法制備的閉孔泡沫鋁材料采用線切割的方法進行加工，根據(jù)測試的需要，分別加工出厚度為10 mm和15 mm的試樣?？偣策M行了兩組比較實驗。選取兩種密度的試樣，一種試樣的密度為0.2 g/cm3，另一種試樣的密度為0.3 g/cm3；打孔孔徑分別為1.5、2.5、3.0和 3.5 mm，打孔率均為2%，背后空腔均為30 mm。一組試樣用于比較峰值出現(xiàn)在不同頻段的試樣組合后的吸聲效果，另一組試樣用于比較背后加玻璃棉后對吸聲效果的影響。

對試樣使用鉆頭進行打孔，打孔的孔排列方式取兩種。一種為正方形排列，一種為正三角形排列，具體的排列形式如圖3所示。根據(jù)打孔率計算孔心距，得到所需的測試樣件。

圖3 泡沫鋁打孔方式示意圖Fig.3 Schematic diagrams of perforation way for closed-cell aluminum foam: (a) Square arranging; (b) Triangle arranging

2 結果與討論

對吸聲系數(shù)峰值、降噪系數(shù)和半峰寬的測試結果進行分析和討論。

1) 吸聲系數(shù)峰值是指吸聲系數(shù)所能取得的最大值，代表了該吸聲材料主要的吸聲頻段。吸聲系數(shù)在式(1)中已經(jīng)列出。

2) 降噪系數(shù)CNR是中心頻率在250、500、1 000和2 000 Hz的吸聲系數(shù)的平均值：

式中：α250、α500、α1000和 α2000分別為材料在 250、500、1 000和2 000 Hz的吸聲系數(shù)值，體現(xiàn)該吸聲材料在整個頻段內(nèi)的吸聲能力，反映出對于一些噪聲頻段較寬的情況該材料是否具有應用價值。

3) 半峰寬是指吸聲系數(shù)降到峰值一半時頻帶的寬度，常用?表示：

式中：?為無量綱的品質(zhì)因數(shù)，與打孔板后空腔深度，共振聲波波長及相對聲阻率等因素有關。

2.1 打孔閉孔泡沫鋁組合

第一組主要為不同打孔孔徑的試樣，先對試樣單獨測試吸聲系數(shù)值，再將試樣進行組合，組合形式為串聯(lián)，組合前吸聲系數(shù)1/3倍頻程分布圖如圖4所示。

圖4中各試樣的工藝參數(shù)如下：

試樣A厚度10 mm，打孔孔徑3 mm，打孔率2%，孔正方形排列，背后空腔30 mm；

試樣B厚度10 mm，打孔孔徑2.5 mm，打孔率2%，孔正方形排列，背后空腔30 mm；

試樣C厚度15 mm，打孔孔徑 1.5 mm、2.5 mm，打孔率兩種孔徑各占 1%，孔三角形排列，背后空腔30 mm；

試樣D厚度10 mm，打孔孔徑3.5 mm，打孔率2%，孔正方形排列，背后空腔30 mm。

打孔后的閉孔泡沫鋁板背后加空腔的結構主要依靠共振吸聲，該結構仿照亥姆霍茲共振器的吸聲機理，亥姆霍茲共振器與共振吸聲結構的示意圖如圖5所示。亥姆霍茲共振器由幾個聲學作用不同的聲學元件組成，開口管及管內(nèi)附近空氣隨聲波振動，相當于一個聲質(zhì)量元件?？涨粌?nèi)的壓力隨空氣的脹縮而變化，是一個聲順元件?？涨粌?nèi)的空氣在一定程度上隨聲波而振動，也具有一定的聲質(zhì)量。空氣在開口壁面的振動摩擦，由于粘滯阻尼和導熱作用，會使聲能損耗，它的聲學作用是一個聲阻。當入射聲波頻率接近共振器固有頻率時，孔頸的空氣柱產(chǎn)生強烈振動，在振動過程中，由于克服摩擦阻力而消耗聲能。反之，當入射聲波頻率遠離共振器固有頻率時，共振器振動很弱，聲吸收作用很小，因此，共振器吸聲系數(shù)隨頻率變化，最高吸聲系數(shù)出現(xiàn)在共振頻率處。共振吸聲結構模仿亥姆霍茲共振器的吸聲機理，相當于一系列并聯(lián)的亥姆霍茲共振器，其吸聲規(guī)律與亥姆霍茲共振器相似。

組合前單測試樣的吸聲峰值、降噪系數(shù)、半峰寬值、峰值所在中心頻率列于表1。由表1可見，這組試樣吸聲峰值相差不大，試樣C和D的降噪系數(shù)值高于試樣A和B的，半峰寬值則是試樣B的遠高于另外3個試樣的。由此可見，試樣B的吸聲峰覆蓋的頻段更寬，更具實際應用價值。由于選擇峰值所在中心頻率不同的試樣進行組合，因此吸聲峰值所在中心頻率決定于測試樣件的共振頻率。關于穿孔板的共振頻率有如下計算公式：

圖4 不同打孔孔徑試樣組合前吸聲系數(shù)1/3倍頻程分布圖Fig.4 1/3 octave spectrograms of sound absorption coefficient of samples perforated with different hole diameters: (a) Sample A; (b)Sample B; (c) Sample C; (d) Sample D

圖5 單個共振器及共振吸聲結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of single resonator (a) and resonant absorption structure (b)

式中：L為板后空氣層厚度；t為板的厚度；d為孔徑；c為聲速；P為穿孔率。

從表1中可看出，除試樣B外，其他3個試樣的峰值頻率均為500 Hz，因此，將試樣B與其他3個試樣分別組合后再次進行吸聲系數(shù)的測量。

表1 組合前單個試樣的吸聲峰值、降噪系數(shù)、半峰寬值和峰值所在中心頻率Table 1 Maximum of sound absorption coefficient, noise reduction coefficient, half-peak breadth and mid-frequency of single specimen

幾組試樣的組合方式為串聯(lián)，即一前一后，試樣之間加30 mm空腔、試樣與后壁間加30 mm空腔。組合之后吸聲結構形式如圖6所示。

圖6 組合吸聲結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of composite sound absorption structure

組合結構的吸聲系數(shù)測試結果如圖7所示，其吸聲峰值、降噪系數(shù)、半峰寬值列于表2。由圖7和表2可見，幾組測試結果均出現(xiàn)雙峰圖像，比單測的吸聲峰值有所提高，尤其是組合A+B，其兩個峰值分別為0.97和 0.993，峰寬大大增加，降噪系數(shù)也高達0.67，說明整個頻段內(nèi)吸聲系數(shù)值均較高。兩個試樣單測時均有自己的共振頻率，吸聲峰值出現(xiàn)在共振頻率處，組合之后在各自的共振頻率處出現(xiàn)峰值，但彼此之間有一定的影響，因此，峰值不嚴格出現(xiàn)在單測時的共振頻率位置，而吸聲峰值本身也有所提高。對比組合A+B和B+A可以看出，雖然是相同的兩個試樣，但前后位置不同測試結果大不相同。組合 A+B的各項性能均有較大提高，而組合 B+A就差得多，連第二峰也不明顯。因此，測試時將單測峰值在低頻的試樣置于前，將單測峰值在高頻的試樣置于后是有利于吸聲的組合形式。

2.2 打孔閉孔泡沫鋁與玻璃棉組合

將打孔閉孔泡沫鋁板與玻璃棉進行組合，所選閉孔泡沫鋁板密度為0.3 g/cm3，厚度為10 mm，打孔率為2%，孔徑為3.5 mm，孔排列方式為正三角形。首先測試未加玻璃棉時的吸聲系數(shù)，然后在泡沫鋁板背后加10、20、30和40 mm的玻璃棉，玻璃棉緊貼閉孔泡沫鋁板放置，分別測量吸聲系數(shù)。

圖7 組合后吸聲系數(shù)1/3倍頻程圖Fig.7 1/3 octave spectrograms of sound absorption coefficient of composite sample: (a) Composite A+B; (b) Composite C+B; (C)Composite B+A; (d) Composite B+D

表2 組合后試樣的吸聲峰值、降噪系數(shù)和半峰寬值Table 2 Maximum of sound absorption coefficient, noise reduction coefficient and half-peak breadth of composite sample

打孔閉孔泡沫鋁板背后加不同厚度玻璃棉的吸聲系數(shù)如圖8所示，吸聲峰值、降噪系數(shù)、半峰寬值列于表3。由圖8和表3可見，吸聲峰值與降噪系數(shù)隨玻璃棉厚度的增加均逐漸增大，而半峰寬值隨玻璃棉厚度增加而減小，但變化值不大。 根據(jù)前人的經(jīng)驗，當穿孔板后空氣層填入疏松吸聲材料時，空腔內(nèi)的聲質(zhì)量和聲順都增加，穿孔的末端阻抗也增加，即空腔的有效深度增大，穿孔的有效長度也增加，與未填材料時相比，共振頻率向低頻方向移動，移動量通常在一個倍頻程以內(nèi)，同時吸聲系數(shù)有所提高。從圖8可以看出，在該組測試中，隨所加玻璃棉厚度的增加，吸聲峰呈向低頻遷移的趨勢，峰值逐漸增大，低頻吸聲系數(shù)整體都得到提高。整個吸聲系數(shù)的變化都是在原打孔閉孔泡沫鋁板的基礎上發(fā)生的，相當于提高了原板的吸聲性能，但如果考慮實用性，因玻璃棉存在環(huán)境污染問題，而該種組合吸聲性能的優(yōu)勢不夠大，不足以彌補這一缺點。因此，還是吸聲峰值在不同頻段的組合用于吸聲更具有應用前景。

圖8 打孔閉孔泡沫鋁與玻璃棉組合的吸聲系數(shù)1/3倍頻程分布圖Fig.8 1/3 octave spectrogram of sound absorption coefficient of combination of closed-cell aluminum foam perforated and glass wool

3 結論

1) 將吸聲峰值出現(xiàn)在不同頻段的試樣進行組合時，以峰值出現(xiàn)在低頻的試樣置于前、峰值在高頻的試樣置于后的組合形式所得吸聲效果較好。

2) 將打孔閉孔泡沫鋁板與玻璃棉進行組合時，隨所加玻璃棉厚度的增加，吸聲峰呈向低頻遷移的趨勢，峰值逐漸增大，低頻吸聲系數(shù)整體都得到提高。

3) 打孔泡沫鋁板與玻璃棉組合雖然也可以使吸聲系數(shù)得到一定提高，但提高幅度較少，而玻璃棉本身又具有環(huán)境污染等問題，因此，該種組合形式用于吸聲優(yōu)勢不明顯。

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Effect of combining form on sound absorption of closed-cell aluminum foam perforated

LIANG Li-si, YAO Guang-chun, MU Yong-liang, HUA Zhong-sheng
(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110089, China)

The closed-cell aluminum foams with various specimen thicknesses, perforation ways and perforation rates were grouped with glass wool. The sound absorption coefficient was measured by standing-wave method, and the effect of combining form on the sound adsorption of closed-cell aluminum foam perforated was studied. The results show that,being evaluated by the maximum of sound absorption coefficient, noise reduction coefficient and half-peak breadth, the specimens with the maximum of sound absorption coefficient at low frequency should be put before the specimens with the maximum of sound absorption coefficient at high frequency, which shows two peaks of sound adsorption, and greatly increases the noise reduction coefficient and half-peak breadth. The maximum of sound absorption coefficient increases slightly in a combination of closed-cell aluminum foam perforated and glass wool. However, the glass wool is apt to cause environmental pollution. Thus, the combination is unsuitable for sound absorption.

sound absorption coefficient; aluminum foam; glass wool; perforation; sound absorption structure

TG146.2

A

1004-0609(2011)09-2132-07

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2008AA03Z512)；國家自然科學基金資助項目(50774021)

2010-08-25；

2010-11-22

姚廣春，教授，博士；電話：024-83686462；E-mail: gcyao@mail.neu.edu.cn

(編輯 何學鋒)