芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能實(shí)驗(yàn)

羅竹輝，賈金榮，周 洲，李 濤，劉 磊

（1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、阻燃性能優(yōu)良、抗沖擊性能好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高速列車等運(yùn)載工具的內(nèi)外飾板中[1–2]，內(nèi)外飾板是運(yùn)載工具阻隔外部噪聲的主要構(gòu)件，隨著運(yùn)載工具速度的不斷提升，外部噪聲也隨之不斷增大，而人們對(duì)內(nèi)部噪聲舒適性的要求卻越來越高[3]，因此，芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能研究成為一個(gè)重要課題。

國內(nèi)外研究人員對(duì)夾芯材料為實(shí)心材料、泡沫材料和鋁蜂窩材料的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行了大量研究[4–8]，在芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能研究方面，Rajaram 等[9]對(duì)用于商用飛機(jī)地板的芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)芯材剪切模量是最大的影響隔聲性能因素。Grosveld 等[10]為了提高芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲量，去除部分芯材以減小板的彎曲剛度，進(jìn)而增大復(fù)合材料的吻合效應(yīng)頻率以提高隔聲性能。

對(duì)于芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，材料和結(jié)構(gòu)不同時(shí)，力學(xué)性能和隔聲性能也會(huì)不同，目前的研究主要集中于力學(xué)性能[11–12]。本文采用消聲室-混響室隔聲性能測試方法，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到其隔聲性能影響因素和影響規(guī)律，以期為芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料隔聲性能的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（為了敘述簡便，后文簡寫為芳綸蜂窩復(fù)合材料）由株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司生產(chǎn)，部分實(shí)驗(yàn)材料實(shí)物如圖1所示。芳綸蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩側(cè)面板與正六邊形芳綸蜂窩芯材組成夾芯結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用芳綸蜂窩復(fù)合材料時(shí)，除面板材料外，一般通過以下設(shè)計(jì)參數(shù)的改變來調(diào)控復(fù)合材料的性能，主要是兩側(cè)面板厚度Tf1和Tf2、芯材厚度Tc、蜂窩孔格正六邊形外接圓直徑d、芯材密度rc（密度通過浸膠過程進(jìn)行控制）。為了研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)芳綸蜂窩復(fù)合材料隔聲性能的影響，設(shè)計(jì)并試制了表1 所示的10 種復(fù)合材料板材試樣，后文“板A”表示表1 中A類板材，依此類推。表中板A為對(duì)比基準(zhǔn)板，其主要參數(shù)如面板厚度和整體厚度等根據(jù)其在高速列車內(nèi)裝地板上應(yīng)用時(shí)的常用尺寸設(shè)計(jì)。試樣為平面板材，長度L和寬度W均為830 mm，蜂窩芯材所用蜂窩紙厚度tc均為0.05 mm，表中同時(shí)給出了應(yīng)用時(shí)受關(guān)注的兩個(gè)重要參數(shù)：整體厚度T和面密度l，表中面密度為實(shí)際測試數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)樣件參數(shù)

圖1 芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板試樣

圖2 芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 31004.1–2014進(jìn)行[13]，在株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司的混響室-消聲室中進(jìn)行測試。圖3 為實(shí)驗(yàn)示意圖，試件安裝在混響室與半消聲室之間的窗口上，試件邊沿與窗口之間用專用測試工裝夾緊，并用膠泥密封?；祉懯覂?nèi)由兩個(gè)無指向性聲源產(chǎn)生擴(kuò)散聲場，半消聲室作為受聲室。在混響室內(nèi)用6個(gè)傳聲器測量混響聲場的平均聲壓級(jí)Lp，在半消聲室內(nèi)用掃描法測量試件表面法向平均聲強(qiáng)級(jí)LIn，由式（1）計(jì)算隔聲量RI。

圖3 混響室-消聲室法隔聲性能測試示意圖

式中：Sm為測量面的總面積；S這被測試件的總面積。

由于不同頻率下復(fù)合材料的隔聲量不同，實(shí)驗(yàn)中測試100 Hz～6 300 Hz 范圍內(nèi)1/3 倍頻程中心頻率點(diǎn)的隔聲量。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)權(quán)隔聲量

材料和構(gòu)件的隔聲性能隨頻率變化，為了從整體上對(duì)不同芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取ISO717–1–2013 定義的計(jì)權(quán)隔聲量Rm作為復(fù)合材料隔聲性能評(píng)價(jià)的單值指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)得到10種復(fù)合材料計(jì)權(quán)隔聲量如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料板計(jì)權(quán)隔聲量

由圖4 可知，從計(jì)權(quán)隔聲量這一單值評(píng)價(jià)指標(biāo)來看，改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)均會(huì)對(duì)計(jì)權(quán)隔聲量產(chǎn)生一定的影響。除面板厚度改變會(huì)引起面密度較大改變，進(jìn)而顯著影響復(fù)合材料的計(jì)權(quán)隔聲量外，其余設(shè)計(jì)參數(shù)的改變所導(dǎo)致的計(jì)權(quán)隔聲量的改變均在1 dB左右。

計(jì)權(quán)隔聲量的改變通常是重量改變引起的，對(duì)于一般材料而言，面密度越大，隔聲量也越大。根據(jù)質(zhì)量定律，聲波垂直入射時(shí)，單層均質(zhì)的隔聲量R0可用式（2）進(jìn)行計(jì)算[14]。

當(dāng)聲波自0～90°無規(guī)入射時(shí)，隔聲量Rr為

芳綸蜂窩復(fù)合材料計(jì)權(quán)隔聲量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同等面密度均質(zhì)材料計(jì)權(quán)隔聲量計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示。由圖可知，計(jì)權(quán)隔聲量與面密度并非呈完全的線性關(guān)系，其中板C、板D 和板F 的計(jì)權(quán)隔聲量實(shí)驗(yàn)值大于計(jì)算值，表明這幾種板材的隔聲效率是較高的。從輕量化的角度出發(fā)，希望計(jì)權(quán)隔聲量測試值與質(zhì)量定律計(jì)算值相比越大越好。

圖5 計(jì)權(quán)隔聲量與面密度關(guān)系

計(jì)權(quán)隔聲量僅考慮了100 Hz～3 150 Hz 之內(nèi)1/3倍頻程中心頻率的隔聲量，這個(gè)頻率段是大部分板材的質(zhì)量控制區(qū)，面密度對(duì)該指標(biāo)的影響權(quán)重會(huì)更大，另外，芳綸蜂窩復(fù)合材料應(yīng)用在不同場合時(shí)，其噪聲源的頻率特性是不同的，所以計(jì)權(quán)隔聲量不能全面衡量芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲特性，通常需要結(jié)合隔聲量頻率特性曲線進(jìn)行全面考量，相關(guān)分析見后文。

2.2 不同面板材質(zhì)對(duì)隔聲性能的影響

相同厚度的前提下，面板的材質(zhì)不同，意味著面板的密度、彈性模量等材料屬性不同，通過對(duì)比其隔聲曲線，可以分析面板材料屬性對(duì)板材隔聲性能的影響。選取常用面板材質(zhì)為：玻璃鋼（本文所用為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料）和鋁板，面密度分別為5.23 kg/m2和6.68 kg/m2。兩者隔聲性能曲線如圖6 所示，由圖可知，雖然后者的面密度遠(yuǎn)大于前者，但在400 Hz～1 600 Hz 中頻區(qū)域的隔聲量基本相當(dāng)，僅在1 600 Hz 以上的高頻區(qū)域和160 Hz 以下的剛度控制區(qū)有優(yōu)勢(shì)。如果在使用時(shí)關(guān)注中頻區(qū)域的隔聲性能，玻璃鋼材質(zhì)面板的芳綸蜂窩復(fù)合材料更有優(yōu)勢(shì)一些，當(dāng)然在實(shí)際使用時(shí)，需要綜合考慮其它方面的性能。

圖6 不同面板材質(zhì)復(fù)合材料板的隔聲性能曲線

2.3 不同面板厚度對(duì)隔聲性能的影響

選用同一種玻璃鋼面板制備的芳綸蜂窩復(fù)合材料，僅改變面板的厚度，兩側(cè)面板厚度分別為1 mm和1 mm、1 mm 和2 mm 以及2 mm 和2 mm，通過測試得到隔聲曲線如圖7 所示?？梢钥闯觯姘搴穸仍黾?，隔聲量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)全面提高，這主要是由于面板厚度增厚導(dǎo)致整體重量顯著提高所帶來的結(jié)果。在應(yīng)用時(shí)，為了提高芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲量，最簡單的方法是加厚面板，但也會(huì)增加重量和成本，為了提高隔聲性能和隔聲效率，需要綜合考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖7 不同面板厚度復(fù)合材料板的隔聲性能曲線

2.4 不同蜂窩孔格直徑對(duì)隔聲性能的影響

對(duì)于面板為1 mm厚玻璃鋼、芯材厚度為16 mm的芳綸蜂窩復(fù)合材料，蜂窩孔格外接圓直徑分別為3.2 mm、4.8 mm、9.5 mm 時(shí)隔聲性能曲線如圖8所示。

由圖8 可知，蜂窩孔格直徑為9.5 mm 的芳綸蜂窩復(fù)合材料，雖然面密度最小，但在全頻范圍內(nèi)，尤其在1 600 Hz 以上的高頻范圍內(nèi)，隔聲量均大于孔格尺寸更小的復(fù)合材料。這是由于蜂窩芯將兩側(cè)面板連接在一起，形成了聲橋，孔格直徑越大，聲橋越少，聲波傳遞越弱，隔聲量反而越大。

圖8 不同蜂窩孔格直徑復(fù)合材料板的隔聲性能曲線

蜂窩孔格直徑為3.2 mm 的復(fù)合材料的聲橋要多于蜂窩孔格尺寸為4.8 mm的復(fù)合材料，但隔聲量卻比4.8 mm的要大，這與上述分析不符。其中原因是：兩者面密度均為5.23 kg/m2意味著孔格直徑為3.2 mm 的蜂窩浸膠量少，蜂窩剛度小，聲橋的聲傳遞效率低，故出現(xiàn)聲橋多但隔聲量卻還要大的情況。

綜合分析以上兩種情況，可知蜂窩芯材對(duì)整體蜂窩復(fù)合材料的隔聲性能起著重要作用，在滿足剛度要求下，宜選用蜂窩孔格較大的板材。

2.5 不同芯材厚度對(duì)隔聲性能的影響

面板為1 mm 厚玻璃鋼，芯材厚度分別為16 mm、22 mm 和28 mm，該芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲性能曲線如圖9 所示?？梢钥闯?，在400 Hz 以下的剛度控制區(qū)，芯材越厚，板材剛度越大，隔聲量越大。芯材厚度為22 mm與28 mm的芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲曲線在質(zhì)量控制區(qū)基本相同，在2 000 Hz 以上的吻合效應(yīng)區(qū)，芯材厚度為28 mm 的芳綸蜂窩復(fù)合材料的隔聲量較其他兩種厚度的都要大。

圖9 不同蜂窩芯材厚度復(fù)合材料板的隔聲性能曲線

2.6 不同芯材密度對(duì)隔聲性能的影響

對(duì)于面板為1 mm 厚玻璃鋼、芯材厚度為16 mm、蜂窩孔格直徑為4.8 mm的芳綸蜂窩復(fù)合材料，通過控制其浸膠量多少，可以調(diào)控其蜂窩芯材密度，密度分別為48 kg/m3、80 kg/m3和128 kg/m3的芳綸蜂窩復(fù)合材料隔聲性能曲線如圖10所示。

圖10 不同芯材密度復(fù)合材料板的隔聲性能曲線

由圖10可知，隔聲量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)隨著面密度的增加整體往上平移。芯材密度為128 kg/m3的芳綸蜂窩復(fù)合材料，相對(duì)于其他兩種密度較小的復(fù)合材料，隔聲量在1 600 Hz以上有較大的提高。

3 結(jié) 語

（1）芳綸蜂窩復(fù)合材料設(shè)計(jì)參數(shù)均在一定程度上影響其計(jì)權(quán)隔聲量，除面板厚度外，其它設(shè)計(jì)參數(shù)改變所導(dǎo)致的計(jì)權(quán)隔聲量改變均在1 dB左右，計(jì)權(quán)隔聲量并非與重量呈線性關(guān)系，在重量改變較小的情況下，蜂窩孔格直徑、芯材厚度對(duì)隔聲頻率特性曲線影響較大。

（2）面板材質(zhì)、面板厚度和芯材密度主要通過重量影響隔聲性能，重量越大，整個(gè)頻率段上特別是在高頻段的隔聲量越大。

（3）蜂窩孔格直徑對(duì)隔聲性能的影響較為復(fù)雜，直徑為9.5 mm 時(shí)隔聲性能最好，在1 600 Hz 以上頻率段尤為明顯，主要原因是蜂窩孔格直徑影響聲橋的密度和剛度。

（4）芯材厚度主要影響400 Hz以下頻率段的隔聲性能，在此頻率段芯材越厚，隔聲量越大。