表面結(jié)構(gòu)對多孔玻璃吸聲性能的影響

張旭博，張仁鋒，張婷穎，雷 洋，龔 潔，徐 穎

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

隨著經(jīng)濟水平的快速提高，人們愈來愈追求更加舒適的生活、工作環(huán)境。噪聲污染與空氣污染、水污染并列為世界三大環(huán)境公害[1-2]。多孔性吸聲材料作為一種有效的被動式吸聲降噪材料，得到了廣泛的研究和應(yīng)用[3-4]。按照其內(nèi)部孔形貌可分為隨機多孔以及規(guī)則多孔2類，隨機多孔材料內(nèi)部的孔大小不等且排布不均勻，包括閉孔及通孔泡沫材料、纖維多孔材料、顆粒多孔材料等[5]。泡沫玻璃具有導(dǎo)熱系數(shù)低、強度高、密度小、吸水率低、防潮、防火、吸聲、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗凍性好、易于加工、無毒環(huán)保、壽命長及裝飾性強等特點[6-8]。在如何進一步提高多孔玻璃的吸聲性能方面學(xué)者們做了大量工作。

毛東興通過改變非全通孔型多孔玻璃的穿孔率提高了泡沫玻璃的吸聲性能[9]。鐘祥璋根據(jù)非完全貫通孔多孔玻璃的測量吸聲系數(shù)，采用板面鉆孔和邊緣留縫的方法提高吸聲性能[10]。DELANY等提出了纖維材料特性阻抗和傳播常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是頻率與流阻率比值的冪函數(shù)形式[11]。OISHI等分析了關(guān)于吸聲材料及其制造方法[12]。其他文獻還分析了孔隙形狀對多孔材料吸聲的性能[13]，多孔泡沫金屬材料吸聲的性能[14-16],以及熱效長度和黏帶特征長度對吸聲性能的影響[17]。

以上是關(guān)于非通孔型多孔玻璃或纖維多孔吸聲材料的典型研究。本文以全通孔型多孔玻璃為研究對象，通過在全通孔型多孔玻璃的表面進行二次打孔設(shè)計提高多孔玻璃的吸聲性能，即在一定孔隙率、厚度的全通孔型多孔玻璃基體表面進行二次打孔設(shè)計，優(yōu)選出最佳設(shè)計結(jié)構(gòu)組合。

1 實 驗

1.1 樣品制備

采用鹽模燒結(jié)法制備樣品[18]，樣品制備選擇粒徑為90目的玻璃粉，無機鹽選擇無水硫酸鈉，設(shè)計樣品直徑為29 mm。設(shè)計表面打孔個數(shù)及排列方式如圖1所示。圖1中，在直徑為29 mm的樣品表面設(shè)計10個小孔最優(yōu)，故本文選擇打孔數(shù)目為10個。設(shè)計四因素四水平正交試驗見表1，表1中孔隙率、厚度為多孔玻璃基體的基本參數(shù)，打孔孔徑、打孔孔深為表面二次打孔設(shè)計參數(shù)。

圖1 樣品表面打孔個數(shù)及排列方式Fig.1 Number and arrangement of holeson the sample surface

表1 四因素四水平正交試驗Tab.1 Four factors and four levels orthogonal experiment

1.2 吸聲系數(shù)測量

采用駐波管法(傳遞函數(shù)法)，按照GB/T 18696.2—2002測量材料吸聲系數(shù)。

實驗儀器為丹麥B&K公司的4206型雙傳聲器阻抗管。該阻抗管按1/3倍頻程計算，在50～4 kHz測量誤差小于4%，在5～6.4 kHz范圍內(nèi)測量，誤差小于10%。

多次測量使得連續(xù)3次測量的測量誤差均小于系統(tǒng)誤差，得到多孔玻璃的吸聲性能結(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental results

2 結(jié)果與討論

本文主要討論平均吸聲系數(shù)和起始頻率2個參數(shù)指標(biāo)。平均吸聲系數(shù)為500～6 400 Hz頻帶范圍內(nèi)所有頻率上吸聲系數(shù)的平均，起始頻率是樣品的吸聲系數(shù)大于等于0.2時所對應(yīng)的最小頻率。

2.1 表面結(jié)構(gòu)改變對吸聲性能的影響

表面結(jié)構(gòu)改變對樣品平均吸聲系數(shù)和起始頻率的影響如圖2～3所示。

圖2 表面結(jié)構(gòu)改變對平均吸聲系數(shù)的影響Fig.2 Effect of surface structure change onaverage sound absorption coefficient

圖3 表面結(jié)構(gòu)改變對起始頻率的影響Fig.3 Effect of surface structure changeon starting frequency

從圖2可以看出，所有的實驗組樣品表面結(jié)構(gòu)改變后，樣品的平均吸聲系數(shù)都有不同程度的提高。其中4#實驗組樣品表面結(jié)構(gòu)改變后平均吸聲系數(shù)提高最多，增加了0.32，比原來提高了82.05%；13#實驗組樣品表面結(jié)構(gòu)改變后平均吸聲系數(shù)在整個實驗中提高最少，增加了0.02，比原來提高了3.77%，厚度是影響表面結(jié)構(gòu)改變前后樣品吸聲性能最顯著的因素。樣品的厚度越厚，平均吸聲系數(shù)提高越多。

從圖3可以看出，樣品表面結(jié)構(gòu)改變后和表面結(jié)構(gòu)改變前的起始頻率相差不大。因為厚度是影響樣品起始頻率最為顯著的因素，表面結(jié)構(gòu)改變并未影響樣品的厚度。

2.2 表面結(jié)構(gòu)各因素對吸聲系數(shù)的影響

通過方差分析法和因素水平表計算可知，影響表面結(jié)構(gòu)改變后平均吸聲系數(shù)最為顯著的是全通孔型多孔玻璃樣品的厚度。顯著影響因素為全通孔型多孔玻璃樣品的孔隙率，一般影響因素是改變表面結(jié)構(gòu)的打孔孔徑以及打孔孔深。

表面結(jié)構(gòu)各因素對吸聲系數(shù)的影響如圖4～7所示。

圖4 孔隙率對平均吸聲系數(shù)的影響圖Fig.4 Effect of porosity on the average sound absorption coefficient

圖5 厚度對平均吸聲系數(shù)的影響Fig.5 Effect of thickness on average sound absorption coefficient

從圖4可以看出，孔隙率在0.64～0.68范圍內(nèi)，平均吸聲系數(shù)略有下降，降低了0.03?？紫堵试酱螅瑯悠返钠骄曄禂?shù)越高；從圖5可以看出，樣品厚度越厚，表面改變后樣品的平均吸聲系數(shù)越高。當(dāng)聲波導(dǎo)入到孔材料時，多孔材料微孔的數(shù)量、微孔通道的復(fù)雜程度直接影響多孔材料對聲能量的消耗，即材料的吸聲量。任意孔隙率的樣品厚度越厚，微孔通道越復(fù)雜。所以相同孔隙率條件下，樣品的厚度越厚，樣品的平均吸聲系數(shù)越大。

從圖6～7可以看出，打孔深度越深，樣品的平均吸聲系數(shù)越高。打孔孔徑相對于打孔孔深來說為更一般的影響因素。不同孔徑的平均吸聲系數(shù)的最大變化值只有0.045。

圖6 孔深對平均吸聲系數(shù)的影響Fig.6 Effect of hole depth on average sound absorption coefficient

圖7 孔徑對平均吸聲系數(shù)的影響Fig.7 Effect of aperture on average sound absorption coefficient

2.3 實驗驗證

從上述分析可知，如果表面改變后需要較高平均吸聲系數(shù)，可選擇在孔隙率為0.76，厚度為20 mm的樣品基體上，進行打孔孔深為0.5倍的樣品厚度，孔徑2.2 mm的多孔玻璃表面結(jié)構(gòu)設(shè)計最佳。此時，打孔前平均吸聲系數(shù)0.621，打孔后平均吸聲系數(shù)0.824，提高了24.6%，打孔前后起始頻率分別為296、400 Hz。

表面結(jié)構(gòu)改變后樣品的起始頻率略有增加，吸聲曲線向右移動，驗證組樣品打孔前后吸聲曲線如圖8所示。從圖8可以看出，分析預(yù)測與實驗驗證結(jié)果相一致。

圖8 驗證組樣品打孔前后吸聲曲線Fig.8 Graph of sound absorption before and after punching of verification group samples

3 結(jié) 論

1) 表面結(jié)構(gòu)改變提高了全通孔型多孔玻璃的吸聲系數(shù)，但對起始頻率影響較小。

2) 厚度越厚樣品的平均吸聲系數(shù)越高，起始頻率越低，擴寬了吸聲頻帶；孔隙率越高，打孔深度越深，表面結(jié)構(gòu)改變后樣品的平均吸聲系數(shù)越高，起始頻率也隨著孔隙率的增大而升高。打孔孔徑相對于打孔深度、孔隙率、厚度等因素是影響表面結(jié)構(gòu)改變后樣品吸聲性能的一般因素。