低溫環(huán)境對(duì)多孔材料聲學(xué)性能的影響研究

萬(wàn) 忠, 賈福鑫, 馬文庚, 孫 明, 孫麗敏

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001;3.大連船舶重工集團(tuán)有限公司,大連 116021;4.上?？臻g電源研究所,上海 200245)

受全球溫室效應(yīng)影響,極地船舶的應(yīng)用前景愈加樂(lè)觀[1],為實(shí)現(xiàn)極地船舶艙室噪聲的精確預(yù)報(bào),探究低溫環(huán)境對(duì)船舶艙室噪聲的影響成為亟需解決的問(wèn)題。通常,極地船舶的艙室舾裝需要應(yīng)用大量多孔材料用于保溫和降噪[2-3],同時(shí)艙室內(nèi)外巨大的溫差影響了多孔材料原有的吸隔聲性能,進(jìn)而影響艙室噪聲水平。因此,開(kāi)展低溫環(huán)境對(duì)船舶艙室噪聲影響研究,對(duì)精確預(yù)報(bào)極地船舶艙室噪聲水平并對(duì)后續(xù)艙室噪聲控制具有重要的指導(dǎo)意義。

在多孔舾裝材料研究領(lǐng)域,Biot等[4-5]早期學(xué)者通過(guò)大量理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證,揭示了多孔材料吸聲機(jī)理,并建立了較為完善的多孔吸聲理論模型。在此基礎(chǔ)上,劉新金等[6-7]基于數(shù)值仿真深入分析了多孔復(fù)合吸聲材料厚度、孔隙率、和微孔半徑等材料參數(shù)與吸聲系數(shù)間的變化關(guān)系。寧少武等[8]通過(guò)等效流體模型發(fā)現(xiàn)吸聲材料導(dǎo)致的傳聲損失能夠提高雙層板等結(jié)構(gòu)隔聲性能。陳林等[9]基于大量試驗(yàn)和傳遞矩陣計(jì)算總結(jié)了多孔材料不同表面鋪層對(duì)吸隔聲特性的影響規(guī)律。寧方立等[10-11]將多孔材料用于環(huán)境聲學(xué)降噪領(lǐng)域,研究表明在空間四周使用多孔材料可以有效降低空間內(nèi)的噪聲。根據(jù)上述研究可知,多孔材料因具有較高的孔隙率而具備良好的降噪特性。為進(jìn)一步探索環(huán)境因素對(duì)多孔材料孔隙率及聲學(xué)性能的影響,張波等[12]基于阻抗管測(cè)試系統(tǒng)搭建了不同溫度場(chǎng)下吸聲特性的測(cè)試裝置,并成功獲得高溫下多孔材料的吸聲性能,驗(yàn)證了阻抗管法對(duì)不同溫度場(chǎng)下多孔材料測(cè)試的有效性。李偉等[13]基于駐波管測(cè)量技術(shù)研究了常溫環(huán)境下吸聲棉含水率對(duì)材料吸聲性能的影響,提出潮濕玻璃棉高頻吸聲系數(shù)降低的主要原因?yàn)橛行Э紫堵实南陆?。王志斌等[14]基于混響法開(kāi)展典型溫度下模擬艙室隔聲性能測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)鋁箔玻璃棉在低溫下的隔聲性能優(yōu)于常溫。

綜上分析可知,船舶舾裝材料的聲學(xué)特性會(huì)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的變化而發(fā)生改變,進(jìn)而影響船舶的艙室噪聲水平,目前針對(duì)該問(wèn)題的相關(guān)研究鮮有報(bào)導(dǎo)。為此,本研究首先基于阻抗管直接測(cè)試法分析了低溫環(huán)境對(duì)以玻璃棉聲學(xué)性能的影響,并將測(cè)試數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入應(yīng)用于某內(nèi)河破冰船,進(jìn)行低溫環(huán)境下實(shí)船艙室噪聲預(yù)報(bào)分析,旨在探究低溫環(huán)境下多孔玻璃棉材料聲學(xué)性能變化對(duì)艙室噪聲的影響,為極區(qū)船舶艙室噪聲控制提供參考。

1 材料聲學(xué)性能測(cè)試方法

遵循國(guó)標(biāo)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分:傳遞函數(shù)法》中材料聲學(xué)參數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)參考ISO 10534-2相關(guān)內(nèi)容,采用阻抗管對(duì)試驗(yàn)樣品開(kāi)展測(cè)試,相關(guān)測(cè)試原理如下。

1.1 吸聲性能測(cè)試原理

圖1 吸聲系數(shù)測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of sound absorption coefficient test

兩個(gè)傳聲器位置上的聲壓可表示為

(1)

法向反射因數(shù)r可表示為

(2)

式中:PR為反射波聲壓;PI為入射波聲壓。

因此法向入射吸聲系數(shù)的表達(dá)式為

(3)

1.2 隔聲性能測(cè)試原理

基于阻抗管的隔聲性能測(cè)試示意圖,如圖2所示,低溫處理后的測(cè)試樣品通過(guò)四通道阻抗管測(cè)得平面波激勵(lì)下測(cè)試樣品前后兩點(diǎn)的聲壓,進(jìn)而獲得樣品的隔聲性能及插入損失。

圖2 隔聲性能測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound insulation performance test

四通道阻抗管中傳聲管聲壓p12和受聲管聲壓p34可表示為

(4)

式中,P1、P2、P3、P4分別為對(duì)應(yīng)聲波復(fù)聲壓幅值。

（3）鋼纖維混凝土在完成攤鋪?zhàn)鳂I(yè)之后，在進(jìn)行初平整理時(shí)，可以先采用人工的方式進(jìn)行處理，同時(shí)，在施工階段中，針對(duì)邊角區(qū)域的位置，可以按照施工人員使用振動(dòng)棒進(jìn)行局部振動(dòng)，保證攤鋪質(zhì)量得到提高，此后，直接采用平板振搗器進(jìn)行全面的振搗施工。

當(dāng)通過(guò)傳聲器獲得四個(gè)傳送器聲壓p1、p2、p3、p4后,聲波復(fù)聲壓幅值可表示為

(5)

當(dāng)接受管末端為開(kāi)口時(shí)(即P4=0),聲壓的透射系數(shù)η表示為

(6)

式中:下標(biāo)a為末端開(kāi)口;下標(biāo)b為末端閉口。

此時(shí),隔聲量TL可表達(dá)為

(7)

2 低溫環(huán)境下多孔材料吸隔聲性能測(cè)試

2.1 測(cè)試樣品模型簡(jiǎn)介

如圖3、圖4所示,測(cè)試樣品由無(wú)紡布、超細(xì)玻璃棉和船用鋼板組成,測(cè)試樣品直徑為100 mm和30 mm,分別用于30 mm高頻阻抗管和100 mm中低頻阻抗管,待測(cè)樣品與阻抗管內(nèi)表面完全貼合。測(cè)試樣品中玻璃棉厚度為50 mm,容重為30 kg/m3,鋼板厚度為5 mm。

2.2 測(cè)試工況設(shè)置

船舶在低溫環(huán)境下航行時(shí),艙外低溫滲透導(dǎo)致多孔材料內(nèi)部溫度急劇下降,艙內(nèi)濕潤(rùn)暖空氣在多孔材料內(nèi)部液化形成水珠或凝結(jié)成冰晶,改變了多孔材料微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙介質(zhì),進(jìn)而影響材料原有聲學(xué)性能。

為探究低溫環(huán)境對(duì)多孔材料聲學(xué)性能的影響規(guī)律,本文以超細(xì)玻璃棉為例,以吸聲系數(shù)和隔聲量為聲學(xué)性能評(píng)價(jià)參數(shù),以存放玻璃棉樣品的環(huán)境溫度和玻璃棉含水率為變量開(kāi)展單一變量測(cè)試,其中含水率為玻璃棉內(nèi)液態(tài)水重量與含水玻璃棉重量的百分比。結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn),試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表1和表2所示。

表1 吸聲性能測(cè)試工況Tab.1 Sound absorption performance test condition

表2 隔聲性能測(cè)試工況Tab.2 Sound insulation performance test condition

測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度為40%,溫度為20 ℃,空氣密度取1 025 kg/m3,聲速取340 m/s。

2.3 玻璃棉聲學(xué)性能測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖5所示,借助低溫環(huán)境試驗(yàn)箱模擬測(cè)試樣品所處低溫環(huán)境,將測(cè)試樣品存放在低溫環(huán)境中24 h后取出,根據(jù)雙通道和四通道阻抗管測(cè)試?yán)碚摲謩e進(jìn)行測(cè)試樣品吸隔聲性能測(cè)試,其中傳聲器靈敏度為78 mV/Pa,量程為18～134 dB,測(cè)試頻率取值間隔為0.5 Hz/次。

2.4 測(cè)試結(jié)果與分析

低溫環(huán)境下船舶舾裝材料內(nèi)受內(nèi)外溫差影響凝結(jié)成的水珠或冰晶改變了材料原有孔隙率和聲波傳遞介質(zhì),是影響多孔舾裝材料聲學(xué)性能的主要原因。根據(jù)工程實(shí)際情況,以含水率和材料所處溫度為變量,分析其對(duì)樣件吸聲性能和隔聲性能的影響。

2.4.1 玻璃棉吸聲性能測(cè)試結(jié)果分析

首先開(kāi)展常溫環(huán)境下含水率對(duì)測(cè)試樣件吸聲性能的影響分析?；谏鲜鰷y(cè)試方法及工況設(shè)置,將不同頻段吸聲系數(shù)擬合后得到常溫環(huán)境下不同含水率測(cè)試樣件吸聲系數(shù)頻譜曲線,如圖6所示。

由圖6可知,玻璃棉吸聲性能測(cè)試曲線在各頻段內(nèi)波動(dòng)較穩(wěn)定,中高頻域測(cè)試曲線波動(dòng)幅度隨著含水率的增加而增加。為了便于分析討論,將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為1/3倍頻程曲線進(jìn)行分析,如圖7所示。由圖7可知,含水率為20%時(shí),樣件吸聲性能總體趨勢(shì)隨著頻率的增加而提高,在中低頻域內(nèi)隨著頻率的上升,吸聲系數(shù)曲線逐漸上升并趨近于1,在中高頻域吸聲系數(shù)曲線出現(xiàn)“平臺(tái)區(qū)”,即吸聲系數(shù)隨著頻率的增加起伏較小。當(dāng)玻璃棉樣品含水率低于40%時(shí),吸聲系數(shù)曲線整體趨勢(shì)一致,大小相近。當(dāng)玻璃棉樣品含水率超過(guò)60%時(shí),吸聲系數(shù)曲線峰值出現(xiàn)“前移”,即中低頻域內(nèi)吸聲系數(shù)隨著含水率的增加而增加,出現(xiàn)峰值的頻率逐漸減小,峰值大小逐漸減小。含水率為60%和80%時(shí),吸聲系數(shù)曲線峰值頻率分別為1.25 kHz和800 Hz,峰值大小分別為0.93和0.79。

圖7 玻璃棉吸聲系數(shù)1/3Oct曲線Fig.7 1/3Oct curve of sound absorption coefficient of glass wool

在艙外低溫情況下,舾裝材料溫度將低于零度,為此進(jìn)一步開(kāi)展低溫環(huán)境下含水率對(duì)測(cè)試樣件吸聲性能的影響分析,并將低溫和常溫兩種環(huán)境工況測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。低溫環(huán)境下不同含水率測(cè)試樣件吸聲系數(shù)1/3倍頻程曲線,如圖8所示。低溫和常溫不同含水率測(cè)試樣件吸聲系數(shù)1/3倍頻程曲線對(duì)比圖,如圖9所示。

圖8 玻璃棉吸聲系數(shù)1/3Oct曲線Fig.8 1/3Oct curve of the sound absorption coefficient of glass wool

分析圖8可知,在低溫環(huán)境中,樣件含水率小于20%時(shí)對(duì)吸聲性能影響較小,隨著含水率的提高,吸聲系數(shù)曲線在100 Hz～1 kHz頻域范圍內(nèi)吸聲系數(shù)小幅提升,在中高頻域“平臺(tái)區(qū)”逐漸消失,吸聲系數(shù)隨著含水率的增加顯著下降。由圖9可知,相比常溫環(huán)境,低溫環(huán)境下相同含水率測(cè)試樣件中高頻吸聲性能下降趨勢(shì)更為顯著,即冰晶相比等質(zhì)量的液態(tài)水對(duì)舾裝玻璃棉的吸聲性能影響更大。

2.4.2 隔聲性能分析

在低溫環(huán)境下,艙壁舾裝材料內(nèi)形成的水珠或冰晶影響了玻璃棉的傳遞損失,進(jìn)而導(dǎo)致樣件隔聲性能發(fā)生改變,為探究多孔材料含水率對(duì)艙壁隔聲量的影響,開(kāi)展測(cè)試樣件隔聲性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 玻璃棉隔聲量1/3Oct曲線Fig.10 1/3Oct curve of sound transmission loss of glass wool

由圖10可知,測(cè)試樣件隔聲量隨著頻率的增加而提高,在中低頻段內(nèi)隔聲量隨頻率增加速度較快,高頻段內(nèi)增加速率逐漸減緩。對(duì)比玻璃棉不同含水率下測(cè)試樣件的隔聲量可知,隨著玻璃棉含水率的增加測(cè)試樣件的隔聲性能逐漸提高,含水率為40%、60%、80%時(shí),樣件在100 Hz～6.3 kHz頻域內(nèi)隔聲量總級(jí)分別提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

3 低溫環(huán)境對(duì)船舶艙室噪聲的影響研究

選取某內(nèi)河破冰船為研究對(duì)象,以低溫環(huán)境下玻璃棉吸隔聲性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入,基于統(tǒng)計(jì)能量分析法實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào),探究低溫環(huán)境對(duì)敷設(shè)多孔舾裝材料的艙室噪聲水平影響。

3.1 低溫環(huán)境船舶艙室噪聲仿真模型

某內(nèi)河破冰船相關(guān)參數(shù)及統(tǒng)計(jì)能量模型如表3和圖11所示,以駕駛艙為考核艙室,提取低溫及常溫環(huán)境下考核艙室1～2 m高度處聲腔平均聲壓進(jìn)行分析,駕駛艙統(tǒng)計(jì)能量模型,如圖12所示。

表3 破冰船主尺度表Tab.3 Icebreaker master scale

圖11 破冰船SEA艙室噪聲預(yù)報(bào)模型Fig.11 Noise prediction model of icebreaker SEA cabin

圖12 駕駛室SEA子系統(tǒng)離散示意圖Fig.12 Schematic of the cab SEA subsystem

根據(jù)工程實(shí)際情況,全船上建艙室艙壁敷設(shè)50 mm玻璃棉作為舾裝材料,并以無(wú)紡布為內(nèi)襯材料,分析過(guò)程考慮外部低溫環(huán)境對(duì)上建艙室艙壁舾裝材料聲學(xué)參數(shù)的影響,受暖氣系統(tǒng)影響,與船舶外環(huán)境無(wú)直接接觸的艙壁上敷設(shè)的舾裝材料不受低溫環(huán)境的影響。結(jié)合實(shí)船振動(dòng)噪聲源設(shè)備實(shí)際裝備情況,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及CCS載荷估算公式獲取噪聲預(yù)報(bào)模型激勵(lì)載荷參數(shù)并加載[15]。

3.2 低溫環(huán)境對(duì)船舶艙室噪聲影響分析

根據(jù)上述舾裝材料在低溫環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù),以低溫環(huán)境下60%含水率的玻璃棉聲學(xué)參數(shù)作為低溫環(huán)境下多孔舾裝材料聲學(xué)輸入?yún)?shù),進(jìn)行基于實(shí)船的低溫環(huán)境艙室噪聲預(yù)報(bào)分析,其中駕駛室聲壓級(jí)頻譜曲線,如圖13所示。

圖13 駕駛室聲壓級(jí)頻譜曲線Fig.13 The spectrum curve of SPL

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析,駕駛室在低溫環(huán)境和常溫環(huán)境下的聲壓級(jí)頻譜曲線趨勢(shì)基本一致、大小相近。在考核頻域內(nèi),低溫環(huán)境下的駕駛室艙室噪聲總級(jí)與常溫環(huán)境下艙室噪聲總級(jí)相差0.9 dB(A)。在63 Hz～1.6 kHz中低頻段內(nèi),由于低溫環(huán)境下多孔材料吸聲系數(shù)曲線“前移”,導(dǎo)致艙室聲壓級(jí)小于常溫環(huán)境;在1.6～8 kHz高頻頻域內(nèi),低溫環(huán)境下多孔材料吸聲系數(shù)隨頻率增加不斷下降,導(dǎo)致艙室聲壓級(jí)大于常溫環(huán)境。由于中低頻域的權(quán)重較大,從總級(jí)上分析低溫環(huán)境導(dǎo)致的多孔材料聲學(xué)性能的改變并不會(huì)提高目標(biāo)艙室噪聲的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)低溫環(huán)境下船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)問(wèn)題,基于阻抗管測(cè)試,分析了不同溫度和濕度環(huán)境對(duì)玻璃棉聲學(xué)性能的影響,基于統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行低溫環(huán)境和常溫環(huán)境下目標(biāo)艙室的艙室噪聲預(yù)報(bào)分析,探究低溫環(huán)境下多孔舾裝材料聲學(xué)性能的變化對(duì)艙室噪聲的影響,研究結(jié)論如下:

(1) 隨著含水率的增加,在常溫環(huán)境中多孔材料吸聲系數(shù)在中低頻域內(nèi)緩慢增加,高頻域內(nèi)顯著下降,且在低溫環(huán)境中高頻吸收系數(shù)下降趨勢(shì)更加明顯。

(2) 隨著含水率的增加,多孔材料的傳遞損失逐漸增加,隨著頻率的增加,敷設(shè)潮濕玻璃棉的艙壁隔聲量呈上升趨勢(shì),當(dāng)含水率為40%、60%、80%時(shí),該樣件隔聲性能分別提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

(3) 低溫環(huán)境導(dǎo)致的多孔材料聲學(xué)性能的改變不會(huì)提高目標(biāo)艙室噪聲的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),在全頻段內(nèi),低溫環(huán)境下的目標(biāo)艙室噪聲總級(jí)較常溫環(huán)境下降低0.9 dB(A)。