微納米多孔梯度材料隔聲性能試驗(yàn)研究

楊 坤，張 航，龐福振

(1.海軍研究院，北京 100161；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，艦船輻射噪聲得到了較好的治理，但隨著國外探測水平的提高和我國艦船減振降噪技術(shù)的發(fā)展，過去不太關(guān)注的空氣傳遞噪聲逐漸成為重要的治理噪聲對(duì)象，但傳統(tǒng)減隔振措施等對(duì)艦船艙室空氣噪聲精細(xì)化控制代價(jià)較高，亟需在聲學(xué)新材料研發(fā)方面取得突破。利用孔隙通道對(duì)聲波進(jìn)行控制使得多孔材料成為較好的吸聲材料之一，包括柔性材料，諸如巖棉等柔性多孔材料，多孔鋁等固態(tài)材料，由于多孔材料相對(duì)剛度較大、密度較低、聲學(xué)性能較好等性能，在減振降噪等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1]。在復(fù)合聲學(xué)材料性能試驗(yàn)研究方面，李澤成等[2]通過仿真和試驗(yàn)方法研究船用50mm復(fù)合巖棉板隔聲量。鮑舒婷等[3]利用試驗(yàn)測試超細(xì)玻璃棉絲的隔聲性能，纖維直徑越細(xì)、棉氈的隔聲性能及力學(xué)性能越優(yōu)異。胡勝等[4]基于仿真分析和實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了一種由微穿孔板、共振板、阻尼層加鍍鋅鋼板組成的復(fù)合共振吸隔聲屏障，提高了無機(jī)纖維類多孔吸聲材料聲屏障在低頻時(shí)的隔聲和吸聲性能。周理杰等[5]基于試驗(yàn)測試，研究了以棉、苧麻、絲等8種紡織材料在不同空腔深度條件下的吸聲性能，苧麻的吸聲效果最優(yōu)，隨空腔深度增加結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)增大。周國建等[6]基于試驗(yàn)測試提出一種擺臂式輕質(zhì)薄膜聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)方案,通過子單胞內(nèi)引入多態(tài)反共振模式實(shí)現(xiàn)了低頻隔聲頻帶的拓寬及隔聲量的提高。徐芹亮等[7]利用海洋平臺(tái)常用舾裝結(jié)構(gòu)的隔聲量經(jīng)驗(yàn)值，探究舾裝結(jié)構(gòu)空腔夾層厚度對(duì)隔聲性能的影響，結(jié)果顯示增加夾層厚度可提高低頻隔聲性能。張穎等[8]利用模態(tài)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究彎扭耦合層合板的振動(dòng)模態(tài)特性，探究了層合板低階模態(tài)下的弱耦合性。綜上，眾多學(xué)者對(duì)多類聲學(xué)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲學(xué)性能測試研究，尚未見微納米多孔梯度材料聲學(xué)性能試驗(yàn)研究報(bào)道，相關(guān)性能參數(shù)也不知悉。隨著復(fù)合材料聲學(xué)、力學(xué)和成型工藝研究的不斷深入，通過多孔材料與其他材料進(jìn)行復(fù)合形成層間梯度材料，可進(jìn)一步提高力學(xué)、聲學(xué)性能的可設(shè)計(jì)性。本文從船舶艙室噪聲控制出發(fā)，開發(fā)了一種兼具聲學(xué)和力學(xué)性能的的微納米多孔梯度材料，并進(jìn)行了模擬艙室敷設(shè)該聲學(xué)材料的隔聲性能測試，為未來艦船艙室噪聲控制工程應(yīng)用提供新思路和數(shù)據(jù)支撐。

1 測試原理

微納米多孔梯度材料隔聲性能試驗(yàn)依托模擬艙室完成，模擬艙室為艦船內(nèi)部典型艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度簡化。假設(shè)艙室內(nèi)設(shè)置聲源，以聲功率W輻射，則聲源室內(nèi)混響聲能密度為:

式中：R1為聲源室中的房間常數(shù)；c為聲速，入射到隔聲墻的聲功率為：

假設(shè)隔墻的傳遞系數(shù)為 τ ，則透過隔墻的聲功率為：

接收室內(nèi)的混響聲能密度為：

式中：R2為接受室內(nèi)的房間常數(shù)，聲能密度與聲壓有如下關(guān)系：

根據(jù)式(2)～式(5)，并利用聲壓級(jí)與聲壓關(guān)系，可得隔墻的傳聲損失為：

式中：L1,L2分別為聲源室和接受室內(nèi)的聲壓級(jí)，當(dāng)接受內(nèi)壁面吸收系數(shù)很小時(shí)，式(6)可表示為：

式中：A為接收室的吸聲面積，m2。則測得聲源室和接收室內(nèi)的平均聲壓級(jí)即可由式(7)得到隔墻的傳聲損失，即表觀隔聲量，記做R′。此外，還可用標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)差來表征房間之間的空氣聲隔聲性能。標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)差是采用接收室內(nèi)參考混響時(shí)間修正的聲壓級(jí)差，記做DnT(dB)，即

式中：T為接收室內(nèi)的混響時(shí)間；T0為參考混響時(shí)間；同時(shí)需要測量得接受室內(nèi)的混響時(shí)間來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)差。在實(shí)際應(yīng)用中，測量房間內(nèi)若干位置聲壓級(jí)Lj，室內(nèi)平均聲壓級(jí)為：

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y試工況

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)對(duì)象為內(nèi)部（除艙室底面外）敷設(shè)微納米多孔梯度材料的模擬艙室，模擬艙室忽略艙室內(nèi)部小尺度加強(qiáng)筋、弧面等，呈長方體，長L=2.4 m，寬度D=1.8 m，高度H=2.4 m，板厚0.004 m，內(nèi)部總表面積S=23.6 m2，模擬艙室實(shí)物見圖1。

圖1 模擬艙室實(shí)物圖Fig.1 Physical drawing of simulated cabin

敷設(shè)微納米多孔梯度材料由大孔微納米材料-氣凝膠-中孔微納米材料-氣凝膠-微孔微納米材料5層構(gòu)成，梯度主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：1）微納米材料孔徑在厚度方向按照大（毫米級(jí)）-中（百微米級(jí)）-微（百納米級(jí)）梯度變化，如圖2所示；2）3層多孔材料之間采用氣凝膠層，梯度變化，梯度材料總厚度50 mm，各層厚度10 mm（氣凝膠適當(dāng)壓緊后），整體密度1.1 g/cm3、等效彈性模量約400 MPa，大孔鋁密度1.08 g/cm3，孔隙率60%，中孔鋁密度1.215 g/cm3、孔隙率55%，微孔鋁密度1.35 g/cm3、孔隙率50%。采用駐波管法對(duì)微納米多孔梯度材料吸聲性能標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行吸聲測試，標(biāo)準(zhǔn)樣件如圖3所示，測試結(jié)果如圖4所示。

圖2 微納米多孔材料樣件Fig.2 Sample of micro-nano porous gradient materials

圖3 微納米多孔材料標(biāo)準(zhǔn)樣件Fig.3 Standard sample of micro-nano porous gradient materials

圖4 微納米多孔梯度材料樣件吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coefficient of micro-nano porous gradient materials

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣件的結(jié)構(gòu)構(gòu)型制備米級(jí)微納米多孔梯度材料板材，通過機(jī)械連接敷設(shè)在模擬艙室內(nèi)表面，參考實(shí)船舾裝工藝，在微納米多孔梯度材料表面敷設(shè)一層鋁箔作為表面鋪層，敷設(shè)后的模擬艙室見圖5。

圖5 模擬艙室敷設(shè)微納米多孔梯度材料實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of micro-nano porous gradient materials in simulated cabin

2.2 測試工況

模擬艙室敷設(shè)微納米多孔梯度材料測點(diǎn)布置如圖6所示。無指向性白噪聲聲源激勵(lì)點(diǎn)布置在模擬艙室外#1位置，模擬艙室內(nèi)沿長度方向布置4個(gè)傳聲器#1～#4，采集模擬艙室內(nèi)空氣噪聲，傳聲器采用支架固定，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到艙室內(nèi)平均聲壓，艙外聲壓考核點(diǎn)#5，#6分置聲源激勵(lì)點(diǎn)左右，采用同樣方法處理艙室外平均聲壓。將模擬艙室內(nèi)外平均聲壓做差值即可得敷設(shè)微納米多孔梯度材料前后模擬艙室的隔聲性能，測試過程中保證信噪比大于10 dB。

圖6 試驗(yàn)測試原理圖Fig.6 Schematic diagram of test

3 測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 混響時(shí)間測試

微納米多孔梯度材料敷設(shè)導(dǎo)致模擬艙室聲學(xué)控制效果大幅變化，將導(dǎo)致艙室內(nèi)測得的聲壓因存在聲學(xué)混響現(xiàn)象而產(chǎn)生誤差。隔聲量試驗(yàn)前，先進(jìn)行模擬艙室混響時(shí)間測量，并依據(jù)規(guī)范修正聲壓級(jí)混響時(shí)間項(xiàng)，混響時(shí)間測量采用聲源截?cái)喾?，即通過在模擬艙室布置無指向性聲源，分別對(duì)無敷設(shè)和有敷設(shè)微納米多孔梯度材料的模擬艙室進(jìn)行混響時(shí)間測量（T20測試法），測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 敷設(shè)微納米多孔梯度材料前后模擬艙室混響時(shí)間對(duì)比Fig.7 Comparison of reverberation time of simulated cabin before and after laying micro-nano porous gradient materials

由圖7可知，無敷設(shè)模擬艙室混響時(shí)間呈現(xiàn)“低頻大、高頻小”的特點(diǎn)，敷設(shè)微納米多孔梯度材料后模擬艙室全頻段混響時(shí)間基本無變化。

3.2 隔聲性能測試

按圖6布置聲源和傳聲器，無指向性聲源作為試驗(yàn)載荷輸入，激勵(lì)源為20 Hz～20 kHz頻段白噪聲，無敷設(shè)和有敷設(shè)條件下艙室內(nèi)外傳聲器位置完全相同，采用傳聲器測得艙室內(nèi)外典型測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)，結(jié)合采集的背景噪聲和混響時(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行背景噪聲和混響時(shí)間修正，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 模擬艙室內(nèi)外平均聲壓時(shí)域信號(hào)Fig.8 Time domain signal of mean sound pressure inside and outside simulated cabin

圖9 模擬艙室內(nèi)外測點(diǎn)平均聲壓級(jí)Fig.9 Frequency domain signal of mean sound pressure inside and outside simulated cabin

根據(jù)模擬艙室內(nèi)外平均聲壓級(jí)測試結(jié)果，分別計(jì)算有無敷設(shè)微納米多孔梯度材料下的隔聲量，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10 微納米多孔梯度材料敷設(shè)前后隔聲量結(jié)果Fig.10 Results of sound insulation of micro-nano porous gradient materials before and after laying

由圖10可知，聲源白噪聲激勵(lì)下，20 Hz～20 kHz頻段范圍內(nèi)，敷設(shè)微納米多孔梯度材料能大幅提高模擬艙室隔聲量。在20 Hz～20 kHz頻段，無聲學(xué)材料敷設(shè)模擬艙室隔聲量總級(jí)為18.7 dB（A）；敷設(shè)微納米多孔梯度材料后，模擬艙室隔聲量為37.0 dB（A），隔聲量提高18.3 dB（A），可有效控制艦船艙室噪聲。在40 Hz，100 Hz頻點(diǎn)處，敷設(shè)微納米多孔梯度材料隔聲量有明顯下降，主要是因?yàn)榘自肼暭?lì)引起模擬艙室結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致該頻段內(nèi)隔聲效果減弱。

為分析微納米多孔梯度材料在各頻段內(nèi)的隔聲效果，對(duì)20 Hz～20 kHz頻段進(jìn)行劃分，分別對(duì)比低頻（≤200 Hz）、中頻（200～1 000 Hz）和高頻（≥1 000 Hz）各頻段下隔聲量試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 各工況下不同頻段隔聲量曲線總級(jí)（dB）Tab.1 Sound insulation loss of different frequency bands under various conditions（dB）

由表1可知，對(duì)于不同頻段內(nèi)艙室敷設(shè)微納米多孔梯度材料較無敷設(shè)時(shí)噪聲控制效果有所差異，在中低頻段內(nèi)隔聲性能較好，這主要與材料孔隙率、彈性模型和密度設(shè)計(jì)有關(guān)。考慮到實(shí)際艙室應(yīng)用中，由于機(jī)械設(shè)備機(jī)械引起的空氣噪聲頻段強(qiáng)度各不相同，可結(jié)合微納米多孔梯度材料的聲學(xué)、力學(xué)可設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，針對(duì)性進(jìn)行開發(fā)。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)艦船艙室空氣噪聲控制難題，提出一種組合毫米級(jí)、微米級(jí)、納米級(jí)不同孔徑多孔鋁和氣凝膠的微納米多孔梯度聲學(xué)材料，并測得其吸聲性能、密度等參數(shù)，搭建模擬艙室敷設(shè)微納米多孔梯度材料隔聲性能測試系統(tǒng)，開展了隔聲量對(duì)比測試。

1）80 Hz～20 kHz頻段范圍內(nèi)，無敷設(shè)模擬艙室混響時(shí)間呈“低頻大、高頻小”的特點(diǎn)，敷設(shè)微納米多孔梯度材料模擬艙室全頻段混響時(shí)間基本無變化。

2）敷設(shè)微納米多孔梯度材料后，模擬艙室隔聲量提高18.3 dB（A），具備較大的聲學(xué)優(yōu)勢，且因具備一定的彈性模量，安裝更為方便。

3）綜合微納米多孔梯度材料密度、基本力學(xué)性能和隔聲能力，未來進(jìn)一步對(duì)微納米多孔梯度材料進(jìn)行重量、力學(xué)和聲學(xué)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼具結(jié)構(gòu)和降噪功能，可作為艦船艙室空氣噪聲控制技術(shù)發(fā)展方向之一。