指揮控制方艙用吸聲材料發(fā)展現(xiàn)狀

白攀峰， 張曉南， 安立周， 何 山

(陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007)

引 言

在指揮控制方艙使用過程中，噪聲因其獨特的特征會對艙室乘員和內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生很大危害。首先，噪聲會影響乘員的睡眠，干擾乘員的情緒，造成其工作效率低下，甚至影響生理健康，嚴重的可能誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病，造成聽力受損。同時，噪聲還會影響方艙內(nèi)儀器設(shè)備性能發(fā)揮、縮短設(shè)備使用壽命、加速結(jié)構(gòu)老化、降低方艙聲隱身能力等，嚴重削弱其戰(zhàn)斗力發(fā)揮。所以，改善方艙噪聲水平對提高乘員的舒適性、保證艙內(nèi)儀器設(shè)備性能發(fā)揮、提高方艙隱身性能起到了關(guān)鍵作用。

1 方艙噪聲來源及噪聲主要防護手段

方艙噪聲主要來源于三個方面。1) 內(nèi)部聲源，方艙內(nèi)部設(shè)備儀器運行會產(chǎn)生大量工作噪聲；2) 外部聲源，如方艙運載車發(fā)動機、傳動裝置、輪胎等產(chǎn)生的機械噪聲會通過艙壁輻射至方艙內(nèi)部，外部聲源產(chǎn)生的噪聲一般是通過空氣和方艙結(jié)構(gòu)板傳遞至方艙內(nèi)部；3) 結(jié)構(gòu)噪聲，在運載車輛行駛過程中，方艙壁板等因振動會產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)噪聲[1]。在以上三種噪聲共同作用下形成了方艙內(nèi)部復雜的內(nèi)部噪聲場。

為了降低噪聲產(chǎn)生的危害，提升乘員工作、生活質(zhì)量，提高裝備戰(zhàn)斗力，必須在噪聲的產(chǎn)生和傳播環(huán)節(jié)將其遏制。目前常用的防護方式通常是從噪聲源、噪聲傳播路徑和個體防護三個方面著手。1)降低或消除聲源處噪聲。在聲源處降低噪聲的產(chǎn)生是解決噪聲危害最完美的一種方法。由于方艙配套設(shè)備通常是定型裝備，采用替換設(shè)備來降低噪聲源處噪聲，在經(jīng)濟和技術(shù)等層面存在諸多限制，故難以有效控制聲源處噪聲。2)在傳播路徑中控制并衰減噪聲。通過添加吸聲材料等方式，可以在傳播路徑中有效降低噪聲危害。如使用吸音板、隔音材料等在方艙壁適當位置進行改裝。3)個體防護。如果在聲源處和傳播路徑上都無法有效降低噪聲影響，在特殊環(huán)境下可以使用降噪耳機、防護耳罩、隔音頭盔等個體防護裝備來保護乘員身心健康[2-3]。使用吸聲材料在聲波傳播路徑是控制衰減噪聲的有效手段，因此開展新型吸聲材料研究具有很高的學術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

2 吸聲材料研究現(xiàn)狀

2.1 多孔吸聲材料研究現(xiàn)狀

在早期，多孔材料的研究主要集中在材料制備工藝方面，我國從20世紀80年代初開始著手研究泡沫金屬等材料的研制和生產(chǎn)。隨著材料科學技術(shù)的發(fā)展與成熟，各國都開始在提高多孔材料吸聲性能領(lǐng)域投入更多的力量。因此，更多的研究人員開始關(guān)注多孔材料吸聲理論研究，于麗新等人[4]研究了多孔材料的流阻、厚度、孔徑、孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其吸聲性能的影響規(guī)律。

因為多孔材料的吸聲性能由其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定，所以如何設(shè)計材料參數(shù)使其達到最佳的吸聲性能成為當前研究熱點。王月等[5]研究了采用發(fā)泡法制備的泡沫鋁材料吸聲性能隨壓縮率變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通過壓縮加工可顯著改善泡沫鋁的吸聲性能，當壓縮率為40%時,泡沫鋁材料的吸聲性能最好。王建忠等[6]采用燒結(jié)法將不銹鋼纖維制備成具有不同孔隙率的多孔金屬纖維材料，然后使用相同工藝可將不同孔隙率金屬纖維材料燒結(jié)在一起，即可制備出具有多層梯度結(jié)構(gòu)的多孔纖維材料。研究發(fā)現(xiàn)在相同厚度條件下，多層梯度結(jié)構(gòu)多孔材料吸聲系數(shù)遠高于單層結(jié)構(gòu)，當?shù)谝粚涌紫堵蔬h低于第二層時多孔材料在低頻具有較高的吸聲系數(shù)，當制備三層梯度結(jié)構(gòu)時，具有“低孔隙率+中孔隙率+高孔隙率”布局的多孔材料平均吸聲系數(shù)最高。

然而，多孔材料普遍存在低頻吸聲性能不佳等問題，為了提升多孔材料在低頻吸聲性能，通常可以采用增加材料厚度或增加背后空腔等手段，但這兩種方法都會極大增加吸聲材料所占的空間尺寸。由于單一材料的吸聲效果有限，在多孔吸聲材料中添加不同的功能填料也成為當前的研究熱點。王擁華等[7]將稻殼加入聚氨酯泡沫材料中，研究結(jié)果表明稻殼的加入顯著提高了聚氨酯泡沫孔徑的均勻性。隨著稻殼含量的增加，噪聲吸收峰不斷向低頻方向移動，說明適量稻殼的加入改善了聚氨酯泡沫材料低頻吸聲性能。鐘愛昇等[8]將蛭石等氣泡材料和金屬鋁顆粒添加到橡膠材料中，研究發(fā)現(xiàn)當聲波作用到橡膠材料時，會引起氣泡和金屬顆粒的振動，這增加了橡膠的弛豫吸聲效果，使得材料吸聲性能產(chǎn)生了質(zhì)的提升。Sedigheh B等將碳納米管作為吸聲填料加入到聚氨酯泡沫材料中，由于碳納米管對材料微觀結(jié)構(gòu)的改性，導致材料的密度、孔隙率、孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都產(chǎn)生了變化，改性后材料在力學性能和吸聲性能方面產(chǎn)生了極大的提升。

2.2 共振性吸聲結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.2.1 薄板吸聲結(jié)構(gòu)

薄板吸聲結(jié)構(gòu)由四周固定的薄板及薄板與墻體之間具有一定厚度的空腔組成。當與共振頻率接近的聲波傳遞到薄板吸聲結(jié)構(gòu)表面時，在聲波作用下薄板產(chǎn)生被迫振動，在此過程中聲能轉(zhuǎn)化為機械能。在振動過程中薄板內(nèi)部的摩擦作用又將機械能轉(zhuǎn)化為熱能。只有在薄板吸聲結(jié)構(gòu)的固有頻率與聲波的頻率一致時才會產(chǎn)生共振，達到吸聲的效果。薄板吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率一般為80 Hz～300 Hz，所以這種結(jié)構(gòu)僅具有低頻吸聲特性。薄板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能受到薄板質(zhì)量、空腔厚度、龍骨結(jié)構(gòu)及安裝方式等因素的影響。

2.2.2 薄膜吸聲結(jié)構(gòu)

薄膜吸聲結(jié)構(gòu)由薄膜材料和薄膜與墻體之間具有一定厚度的空腔組成，其結(jié)構(gòu)與薄板吸聲結(jié)構(gòu)相似。薄膜材料通常選用具有柔軟、有彈性、不透氣等特征的材料，如皮革、塑料薄膜等。當與共振頻率接近的噪聲傳遞至薄膜表面時，薄膜產(chǎn)生共振現(xiàn)象使聲能耗散。薄膜吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率為200 Hz～1 000 Hz，該結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)最大為0.3～0.4。

2.2.3 穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是由具有穿孔結(jié)構(gòu)的薄板及薄板與墻體之間具有一定厚度的空腔組成。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)同樣是依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振吸聲，該結(jié)構(gòu)上的每個小孔與其對應(yīng)的背后空腔可構(gòu)成一個共振器，穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)相當于無數(shù)個亥姆霍茲共振器并聯(lián)將結(jié)構(gòu)。聲波經(jīng)過小孔傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，會導致空腔中空氣產(chǎn)生震動，當聲波與穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)具有相同的共振頻率時，空腔內(nèi)的空氣會產(chǎn)生強烈的共振，從而使聲能轉(zhuǎn)化為熱量迅速衰減，產(chǎn)生良好的吸聲效果。在共振頻率附近該結(jié)構(gòu)具有最大的吸聲系數(shù)，偏離共振峰后吸聲系數(shù)迅速降低，該結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶很窄，只有幾十到幾百赫茲。其吸聲性能主要取決于板厚、孔間距、孔徑、空腔厚度等參數(shù)。

2.2.4 微穿孔板

馬大酞教授在20世紀60年代率先提出了微穿孔板結(jié)構(gòu)，并奠定了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，為吸聲材料發(fā)展做出了巨大貢獻。由于該結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)簡單、無污染、耐腐蝕、易清潔等優(yōu)勢，很快便取得了廣泛的應(yīng)用，被認為是下一代吸聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。微穿孔板厚度要求小于1 mm，孔徑為絲米級，穿孔率在1%～5%。其結(jié)構(gòu)布局和吸聲機理與穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)相似，但是因為微孔對其內(nèi)部存在黏滯作用，聲能耗散更快，因此其比穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)更大、吸聲頻帶也更寬?？梢酝ㄟ^調(diào)整穿孔率、孔徑、孔間距和空腔厚度的不同組合，制做出滿足不同需求的吸聲材料。

通過幾種共振性吸聲材料的對比我們發(fā)現(xiàn)，薄板吸聲結(jié)構(gòu)和薄膜吸聲結(jié)構(gòu)僅具有低頻吸聲性能，且吸聲性能不佳，穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)吸聲頻帶較窄，由于微穿孔板優(yōu)異的性能，引起了各國的科學家研究和開發(fā)熱情。Desmond Danie等[9]使用混合、鉆孔、熱壓等傳統(tǒng)加工方法，利用紅麻纖維和聚乳酸成功制備了可降解復合微穿孔板，研究發(fā)現(xiàn)聲共振頻率取決于樣品后的空腔厚度，且空腔厚度還會改變樣本的吸聲系數(shù)峰值，且材料孔隙率隨著纖維成分增加而增大。趙小丹等在微穿孔板的空腔內(nèi)布置了并聯(lián)機械阻抗結(jié)構(gòu)形成復合吸聲結(jié)構(gòu)，通過實驗測量了復合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)并建立了相應(yīng)的計算模型，實驗結(jié)果表明復合結(jié)構(gòu)在中高頻下保持了微穿孔板的吸聲性能，且在低頻區(qū)出現(xiàn)了三個明顯的吸聲峰，從而拓寬了材料在低頻范圍的吸聲范圍。Iman FALSAFI等將微穿孔板背后空腔分為幾個不同深度的獨立部分。這種多深度空腔比單一深度空腔吸聲頻帶更寬，然后基于馬大酞吸聲理論和等效電路模型對其吸聲性能進行模擬并優(yōu)化，得到了最佳的腔體結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)果顯示通過增加空腔中的隔板數(shù)量，可以獲得較寬的吸收范圍，但會犧牲掉吸聲系數(shù)峰值。

2.3 復合吸聲結(jié)構(gòu)

2.3.1 微穿孔板與多孔材料復合

Pritesh V Bansod等通過將纖維材料與微穿孔板組成復合結(jié)構(gòu)，在不增加材料厚度的情況下來改善纖維材料的低頻吸聲性能，采用傳遞矩陣法建立了復合吸聲材料的吸聲模型并對其吸聲性能進行了分析，得到微穿孔板的放置位置是結(jié)構(gòu)吸聲性能最重要因素。通過阻抗管法對復合結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，當微穿孔板在聲波入射測時，復合結(jié)構(gòu)在中頻區(qū)段的吸聲效果較好，吸收峰在500 Hz左右；當微穿孔板的位置在纖維材料后面時，復合結(jié)構(gòu)對高頻區(qū)的吸聲性能得到改善。劉正清等[10]使用3D打印技術(shù)由聚合物材料制作了具有不同孔隙率的泡沫金屬、微穿孔板復合結(jié)構(gòu)，并利用傳遞矩陣法對材料吸聲系數(shù)測試結(jié)果進行了理論驗證，通過調(diào)整材料穿孔率可制得具有高吸收峰的復合結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果為制造用于聲學應(yīng)用的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)提供了一種新的方法。

張燕等[11]研究了金屬纖維材料、微穿孔板復合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)復合吸聲結(jié)構(gòu)在低頻段吸聲性能得到明顯改善，吸聲頻帶明顯拓寬了。

2.3.2 多層微穿孔板結(jié)構(gòu)復合

Hyun-Sil Kim等建立了一個可預測由多層彈性微穿孔薄板、剛性微穿孔板組成的復合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)模型，并研究了板厚、孔徑、穿孔率、空腔深度和阻尼等參數(shù)對吸聲性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)對于單層微穿孔結(jié)構(gòu)，當穿孔率很小時，柔性微穿孔板結(jié)構(gòu)的彈性行為和共振效能導致其吸聲性能明顯高于剛性微穿孔板結(jié)構(gòu)，并給出了雙彈性和三彈性微穿孔板在最優(yōu)化設(shè)計中的參數(shù)選擇準則。錢于杰等[12]針對吸聲結(jié)構(gòu)頻帶較窄的問題，提出了一種將微穿孔板串并聯(lián)耦合的復合微穿孔板結(jié)構(gòu)，建立了復合微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)的理論模型，并通過實驗驗證了理論預測結(jié)果的正確性。實驗結(jié)果表明，該串并聯(lián)耦合復合結(jié)構(gòu)具有吸收頻帶較寬的特點，為提高微穿孔板吸收材料的吸收性能提供了一種新的方法。譚偉紅等[13]通過將經(jīng)典板類吸聲方程與聲波方程耦合得到聲學-振動模型，并將該模型用于開發(fā)雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，獲得了更高的吸聲系數(shù)和更寬的頻帶。

2.3.3 多層多孔材料復合

寧景峰等提出了一種帶空腔的多層多孔金屬吸聲結(jié)構(gòu)，采用Johnson-Allard模型研究了多孔材料吸聲特性，實驗結(jié)果表明帶有氣隙的多層多孔金屬材料在低頻范圍內(nèi)有較寬的吸聲頻帶，表現(xiàn)出良好的吸聲性能。羅善德等[14]建立了一種基于剛性壁的多層多孔材料復合吸聲結(jié)構(gòu)的表面阻抗和吸收系數(shù)吸聲模型，通過實驗驗證了三種不同多孔材料的布置順序及其厚度對材料性能的影響。實驗結(jié)果表明厚度相同情況下，多層結(jié)構(gòu)的吸聲性能優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)，最外層材料到最內(nèi)層材料按照流阻率依次降低的排列順序，結(jié)構(gòu)具有較好的吸聲系數(shù)。翟彤[15]等采用二次發(fā)泡工藝制備了由硬質(zhì)泡沫、半硬質(zhì)泡沫、軟質(zhì)泡沫組成的多層聚氨酯泡沫復合材料，并運用理論公式研究了材料的吸聲性能和吸聲機理。實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)吸聲性能得到了明顯的提升，且驗證了多層材料吸聲系數(shù)計算公式的實用性，對今后實驗研究起到了指導作用。

2.4 其他吸聲材料

2.4.1 空間吸聲體

空間吸聲體是一種懸置于空間上部的吸聲構(gòu)件，具有用料少、布置方便、吸聲性能高等優(yōu)點。空間吸聲體通常由骨架、護面層和吸聲填料構(gòu)成，其形狀多樣，有方塊狀、板狀、球狀、柱狀、錐狀等，其中尤以板狀應(yīng)用最廣泛，結(jié)構(gòu)最簡單?？臻g吸聲體的獨特之處在于它并非與墻面等壁面組合成吸聲結(jié)構(gòu)，而是一個獨立的系統(tǒng)。Oslan等[16]采用聲學類比電路圖的方法從吸聲機理方面對空間吸聲體進行了深入研究，假如吸聲體材料聲阻抗選擇恰當，由于材料的暴露表面增大和聲波衍射影響,其吸聲系數(shù)會大于1。趙松齡教授等[17]對空間吸聲體的吸聲機理進行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)了提高材料吸聲性能的方法和規(guī)律[18]，為空間吸聲體設(shè)計提供了技術(shù)指導，促進了其廣泛應(yīng)用。

2.4.2 吸聲尖劈

吸聲尖劈是一種用于建造消聲室的特殊吸聲體，為了減少入射聲波的反射，使吸聲材料和空氣的聲阻抗相匹配，將其設(shè)計為尖劈狀。吸聲尖劈由劈部和基部兩部分組成，其基部和劈部的長度比應(yīng)控制在1∶4左右為最佳。吸聲尖劈的設(shè)計高度為噪聲聲波波長一半時吸聲效果最好，高達0.98[19]。目前最常用的尖劈材料是玻璃棉。

3 結(jié)語

本文針對方艙噪聲產(chǎn)生原因、降噪措施進行了分析，并詳細地分析了多孔吸聲材料、共振性吸聲材料、復合吸聲材料研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，對方艙降噪方案起到了重要的指導作用。