泡沫金屬材料的降噪特性分析?

李玉娟

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000）

泡沫金屬材料的降噪特性分析?

李玉娟

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000）

研究分析并建立了泡沫金屬材料的吸聲系數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分析了吸聲機(jī)理，并對(duì)影響吸聲性能的參數(shù)進(jìn)行了分析。僅考慮粘滯影響忽略熱傳導(dǎo)影響，并在應(yīng)用細(xì)管中的聲傳播特性和Johnson－Allard等效流體模型的基礎(chǔ)上得到一個(gè)參數(shù)模型。

泡沫金屬；吸聲；波動(dòng)方程

1 引 言

泡沫多孔吸聲材料中主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫陶瓷和泡沫多孔金屬等。泡沫塑料如聚氨酯泡沫塑料，易老化，防火性能也較差。泡沫玻璃雖具有耐老化、不燃和較好的耐候性能，但強(qiáng)度較低，容易損壞。泡沫陶瓷具有保溫、防潮、耐蝕、耐凍、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但其韌度低，質(zhì)量重，運(yùn)輸、安裝不便。泡沫金屬是一種多孔隙、低密度的新型多功能材料，其強(qiáng)度高、防火、抗潮耐高溫，耐候性好，無毒無味、安裝方便，使用壽命長，日后維修可回收利用，不會(huì)形成固體廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。由于泡沫金屬具有非泡沫金屬所沒有的優(yōu)異性，不僅適用于室內(nèi)工程，且還適用于戶外工程的吸聲降噪，在汽車、交通、建筑、電子及航空工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，泡沫金屬這種吸聲材料的結(jié)構(gòu)、聲學(xué)特性及其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)受到越來越廣泛的重視。鑒于泡沫金屬材料在降噪減震方面的優(yōu)點(diǎn)，筆者對(duì)此進(jìn)行了研究與分析，為泡沫金屬材料在減震降噪方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 吸聲原理

泡沫金屬材料具有吸聲作用主要是因?yàn)椋憾嗫着菽牧蟽?nèi)部具有無數(shù)細(xì)微孔隙，孔隙間彼此貫通，且通過表面與外界相通，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，一部分在材料表面反射掉另一部分則透入到材料內(nèi)部向前傳播。在傳播過程中，引起孔隙的空氣運(yùn)動(dòng)，與形成孔隙的固體終于發(fā)生摩擦，由于粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌簟Ｂ暡ㄔ趧傂员诿娣瓷浜?，?jīng)過材料回到其表面時(shí)，一部分聲波投射到空氣中，噪聲擴(kuò)散效果明顯，遠(yuǎn)處接收到的聲壓由于聲波反射后產(chǎn)生較大相位差，造成聲波的破壞干涉，合成聲壓降低；另外一部分又反射回材料內(nèi)部，聲波通過這種反復(fù)傳播，使能量不斷轉(zhuǎn)換耗散，如此反復(fù)，直到平衡，由此使材料“吸收”了部分聲能。

3 多孔金屬材料的聲傳播方程

假設(shè)泡沫材料的理想結(jié)構(gòu)為由許多相互平行的微細(xì)管并聯(lián)而成的，聲波為平面簡諧縱波，入射方向與管軸平行。以微細(xì)管為研究對(duì)象，其內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：p為介質(zhì)中的聲壓；v為介質(zhì)沿軸向的質(zhì)點(diǎn)速度（是微細(xì)管徑向距離r的函數(shù)）；t為時(shí)間；C0為空氣介質(zhì)中的波速。

4 吸聲性能參數(shù)

吸聲系數(shù)和聲阻抗是表示多孔金屬材料吸聲性能的物理參數(shù)。吸聲能力從實(shí)用角度是以吸聲系數(shù)表示。聲波入射到材料表面時(shí)，入射聲能的一部分被反射，一部分被吸收，吸收部分所占的比率用α表示，即吸聲系數(shù)［1］：

用吸聲系數(shù)來解決材料吸聲問題是比較困難的，聲阻抗Za比吸聲系數(shù)α能夠更本質(zhì)地說明材料的吸聲特性，提供更本質(zhì)的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)槲曄禂?shù)只反映入射聲與反射聲間數(shù)量上的關(guān)系，而聲阻抗如電阻抗一樣，只與材料本身特性有關(guān)的量，可表示為：

式中：Ra，Ma，Ca分別為聲阻、聲質(zhì)量及聲容。為了方便分析與計(jì)算，一般用相對(duì)聲阻z來代替聲阻抗，他們的關(guān)系可表示為：

式中：S0，ρ0c0分別為面積和空氣特性阻抗。

從式中可知，聲阻抗實(shí)部主要是聲阻的影響，正虛數(shù)部分為慣性的影響，負(fù)虛數(shù)部分主要是彈性的影響。材料的表面阻抗［2］為：

吸聲系數(shù)的表達(dá)式［2］為：

對(duì)于剛性骨架，基于等效流體法，聲波垂直入射到材料表面時(shí)，推導(dǎo)得吸聲系數(shù)可表示為：

式中：k，l分別為波數(shù)和材料厚度。下列公式可引用參考文獻(xiàn)［3］、［4］：

式中：ε，?，σ及K分別為多孔金屬的比熱比、孔隙率、流阻率和壓縮模量。κ，cv，b分別為熱導(dǎo)系數(shù)，恒容溫度和孔結(jié)構(gòu)因數(shù)。

從式（11）可知，多孔金屬材料的吸聲性能完全可以由其聲學(xué)特性參數(shù)表達(dá)。

根據(jù)式（11）可知，當(dāng)多孔金屬材料的厚度、密度、孔隙率、孔徑大小一定時(shí)，則吸聲降噪特性隨著頻率的增大而效果越好。如果孔隙率增加，孔徑減小也可提高降噪效果。

針對(duì)多孔泡沫金屬材料的聲學(xué)特性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真，在空隙率為80%，孔徑為1 mm，厚度為20 mm靜流阻為68 700 Nm－4s時(shí)吸聲系數(shù)與頻率的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 泡沫金屬材料的吸聲系數(shù)曲線

從圖上可以看出，吸聲系數(shù)隨著頻率的增加而增加。即對(duì)高頻聲音信號(hào)降噪效果好。

5 結(jié) 論

泡沫金屬材料的降噪吸聲頻率特性總的變化趨勢(shì)是吸聲系數(shù)隨頻率的變化而變化，孔徑和孔隙率是影響泡沫金屬吸聲性能的因素而且整體吸聲系數(shù)是隨著孔徑的減少，孔隙率的增大而增大。而流阻率隨著孔徑的增大而減小。當(dāng)孔隙率增加時(shí)密度減小，吸聲系數(shù)增大。多孔金屬材料的厚度對(duì)其吸聲性能有很大影響，整體吸聲系數(shù)隨厚度的增大而增大，同時(shí)吸聲系數(shù)還與熱導(dǎo)系數(shù)和溫度有關(guān)。所以泡沫金屬材料孔隙率增加，孔徑越小，材料厚度越大，則降噪性能越好；而對(duì)于高頻的聲音信號(hào)更能夠起到很好的降噪效果。

［1］ 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2001.

［2］ Allard J F，Champoux Y.New empirical equations for sound propa?gation in rigid fibrous materials［J］.Acoust Soc Am，1992，91（4）：3346－3353.

［3］ Allard J F.Propagation of sound in porous media：Modeling Sound Absorbing Materials［J］.Elsevier applied science，2009（10）：372.

［4］ 馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

Analysis of the Sound Absorbing Porous Metal

LI Yu－juan
（Liaocheng University，Dongchang College，Liaocheng Shandong 266510，China）

In this paper，the relationship between the cofficient of sound absorbing and structure of the porous metal is ana?lyzed and established，and the mechanic of sound absorbing is analyzed，the parameter which influences the sound absorption properties is also analyzed.The viscous effect is only considered without the effect of heat conduction.A parametric model is got on the basis of the application of the tubule acoustic propagation characteristics and Johnson－Allard equivalent fluid model.

porous metal；sound absorbing；wave equation；pore structure

TG14

A

1007－4414（2013）04－0075－02

2013－05－30

李玉娟（1981－），女，山東聊城人，助教，研究方向：機(jī)械振動(dòng)理論、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。