（理论物理专业论文）泡沫金属吸声性能的研究.pdf

1 l p 一p ，j l i 、 ，f 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文泡沫金属吸声性能的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 越日期：兰p 。l 参 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：忽! 丛 导师签名： 日期：牛6 日 期： 整三l妊叼攀 1 h 一 点 ； 0rq， 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 泡沫金属作为一种新型的吸声材料已成功应用于若干领域，而国内对其吸声机 理、吸声结构的优化设计及相应的理论模型的研究明显不足。本文针对这些问题进 行了如下研究：利用传递函数法测试了材料的吸声系数，在分析单层泡沫金属吸声 性能的基础上，提出一种新的吸声结构一一串联型组合泡沫金属结构，并研究了它 的吸声特性，实验表明该吸声结构可以用于优化泡沫金属的吸声特性。分析了声波 在泡沫金属中的传播特性，建立了传递矩阵并导出了单层及组合泡沫金属的吸声系 数理论公式。通过对理论模型计算出的吸声系数和实验测定的数据进行比较分析， 结果表明该理论模型可以较好地预测单层和组合泡沫会属的吸声特性。 关键词：泡沫金属，吸声特性，组合结构，理论模型 a b s t r a c t m e t a lf o a m ，a san e ws o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o s o m ef i e l d s h o w e v e r ，t h es t u d yo ft h i sm a t e r i a la b o u ts o u n dd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m s ， a c o u s t i co p t i m i z a t i o na n dt h e o r e t i c a lm o d e li sd e f i c i e n ti no u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h e p r o b l e m s ，t h i sp a p e rw a sc a r r i e do u ta sf o l l o w m e a s u r e st h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so f t h em e t a lf o a mb yt h et r a n s f e rf u n c t i o nm e t h o d ，a n a l y z e st h es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t y o ft h es i n g l ef o a m ，p r o p o s e sas o u n d a b s o r b i n gs t r u c t u r e ，s e r i e s - w o u n dc o m p o u n dm e t a l f o a m ，a n da n a l y z e st h ea c o u s t i ca b s o r p t i o nb e h a v i o ro ft h i ss t r u c t u r e t h er e s u l ts h o w s t h a tt h i ss t r u c t u r ec a nb eu s e dt oo p t i m i z et h es o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so fm e t a lf o a m m o r e o v e r ，a n a l y z e st h es o u n dp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nm e t a lf o a m ，e s t a b l i s h e sa t r a n s f e rm a t r i xa n do b t a i n st h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tf o r m u l ao ft h es i n g l ef o a ma n d c o m p o u n df o a m v e r i f i e sa n da m e n d st h et h e o r e t i c a lm o d e lb yu s i n gt h ee x p e r i m e n t a l d a t a t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lc a np r e f e r a b l yp r e d i c tt h ea b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t so ft h es i n g l ea n dc o m p o u n dm e t a lf o a m l ih a i b i n ( t h e o r e t i c a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx i a o - h o n g k e yw o r d s ：m e t a lf o a m ，s o u n da b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e ，c o m p o u n d s t r u c t u r e ，t h e o r e t i c a lm o d e l f妒 华北电力大学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 选题背景及意义1 1 2 泡沫金属吸声性能的研究现状2 1 3 本论文的主要研究内容3 第二章泡沫金属结构特性及吸声机理4 2 1 泡沫金属结构特性4 2 1 1 制备工艺4 2 1 2 结构特性5 2 2 泡沫金属吸声性能参数7 2 2 1 吸声系数7 2 2 2 声阻抗8 2 3 泡沫金属的吸声机理9 2 4 本章小结9 第三章泡沫金属吸声性能的实验研究1o 3 1 实验部分1 0 3 1 1 实验方法1 0 3 1 2 传递函数法的理论基础11 3 1 3 实验设备1 2 3 1 4 实验样品1 3 3 1 5 测试系统组成1 4 3 2 单层泡沫盒属吸声性能的实验结果与分析1 4 3 2 1 材料厚度对吸声性能的影响1 5 3 2 2 背后空气层厚度对吸声性能的影响1 6 3 3 泡沫金属的优化吸声结构1 8 3 4 组合泡沫金属吸声性能的实验结果与分析1 9 3 4 1 单层泡沫金属和组合泡沫金属吸声性能的比较1 9 华北电力人学硕士学位论文目录 3 4 2 结构参数对组合泡沫金属吸声性能的影响2 1 3 4 2 1 前置材料厚度对吸声性能的影响2 1 3 4 2 2 后置材料厚度对吸声性能的影响，2 2 3 4 2 3 中间空气层厚度对吸声性能的影响2 3 3 4 2 4 背后空气层厚度对吸声性能的影响2 4 3 5 实验结论2 5 3 6 本章小结2 7 第四章泡沫金属吸声性能的理论研究2 8 4 1 多孔吸声材料理论模型2 8 4 1 1 经验模型2 8 4 1 2 微观结构模型2 9 4 1 3 唯象模型3 0 4 2 泡沫金属吸声理论模型3 0 4 2 1 圆柱形金属孔隙中声传播特性3 0 4 2 2 1 粘滞效应的影响3 0 4 2 2 2 热传导效应的影响3 4 4 2 2 泡沫金属中声波传播特性3 5 4 3 泡沫金属吸声系数的理论计算3 7 4 3 1 传递矩阵3 7 4 3 1 1 传递矩阵元素之间的关系3 7 4 3 2 2 传递矩阵元素的表达式3 9 4 3 2 单层泡沫金属无背后空气的吸声系数4 1 4 3 3 单层泡沫金属有背后空气的吸声系数4 2 4 3 4 组合泡沫金属的吸声系数4 3 4 4 理论值与实验值比较分析4 6 4 5 小结4 9 第五章结论5 0 参考文献5 1 致谢5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 华北电力大学硕+ 学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着现代工业的发展，噪声已经成为当今世界三大污染源之一。噪声不仅危害 人的听觉系统，使人疲倦、耳聋，而且还会加速建筑物、机械结构的老化，影响设 备及仪表的精度和使用寿命。因此，噪声控制问题已逐渐引起了各国政府和科技工 作者的重视。 目前，对噪声的防治措施主要是控制声源和采用吸声材料【i 】。声源控制主要是 通过改进设备结构，提高加工和装配质量，以降低声源的辐射能量，但实际应用中 最为有效的噪声治理则是通过采用吸声材料来达到降噪的效果。传统的吸声材料主 要有：有机纤维材料( 如棉麻纤维、木质纤维板) ，无机纤维材料( 如玻璃棉、岩棉) ， 以及泡沫聚合物材料( 聚氨酯泡沫塑料、聚丙烯泡沫塑料) ，但这些材料的强度低、 性脆易断、使用寿命短、易潮解、吸尘易飞扬，容易造成二次污染，从而限制了这 些材料在工业上的应用。随着科技和制造工业的发展，一种新型的多孔吸声材料应 运而生，这种材料即为泡沫金属材料。 泡沫金属是一种在金属基体中分布有无数气孔的多孔质材料。它与传统的吸声 材料相比，具有以下优点【2 5 】：第一，耐高温，且受热时不会分解、释放出有毒物质； 第二，刚性、强度相当大，既可作为结构材料，也可作为吸音材料；第三，不怕潮 湿，不易污染，易清洗；第四，回收再生性强，不会造成二次污染，对资源的有效 利用与环境的保护极为有利：第五，质轻，便于运输与施工。j 下是泡沫金属具有传 统吸声材料所不拥有的优点，使得它在吸声降噪领域得到广泛的应用。目前，泡沫 金属已经成功应用于空压机房、列车发动机房、声频室、施工现场、城市快速路的 声屏障等吸声领域，并取得了很好的效果。 到目前为止，各国学者对泡沫金属的研究主要集中在力学性能、热学性能以及 一般吸音性能上，未见对实际应用具有指导意义的优化设计研究，这种针对确定参 数的优化吸声设计，不仅可以明显改善泡沫金属的吸声性能，还能减少材料使用量， 节约成本。此外，目前对泡沫金属吸声性能的研究方法大多只是进行声学测试研究， 而缺少能够反映泡沫金属材料声学特性的数学模型。因此，需要更加深入地研究泡 沫金属结构和吸声特性的关系，提出优化吸声性能的方法；同时，也需要建立一个 泡沫金属的吸声理论模型，对其吸声性能进行理论上预测、分析与计算。这些研究 对泡沫金属吸声降噪方面的应用将有着十分重要的指导意义。 华北电力人学硕+ 学位论文 1 2 泡沫金属吸声性能的研究现状 泡沫会属最早在1 9 4 8 年，由美国的b s o s n i k 利用汞在熔融铝中气化成功得到， 它的出现使人们对金属的认识发生了重大的转变，人们认为面粉可以发酵长大，金 属也可以通过类似的方法使之膨胀，得到泡沫状的金属物，从而打破了金属只有致 密结构的传统概念。1 9 5 6 年，e l l i o t t 发展了这一设想，成功开发了熔体发泡法制备 闭孔泡沫铝的技术，即制备泡沫铝时，将发泡剂加入熔融的铝或铝合金当中，发泡 剂受热在高温下分解并释放出气体，气体滞留于金属熔体中，凝固后成为泡沫金属。 随后，2 0 世纪6 0 年代，美国e t h y l 公司开始对其进行研究，我国对泡沫金属的研 制始于2 0 世纪8 0 年代。目前，泡沫金属研究已经涉及到的金属包括a l 、n i 、 c u 、m g 等，其中研究最多、应用最广的是泡沫铝及其合金。 从最早得到泡沫金属到现在，已经有许多国内外的研究者对泡沫金属的声学性 能进行了研究。i t o hm 等人于1 9 8 7 年对闭孔型泡沫铝进行了研究，得出闭孔型泡沫 铝的吸声性能比较差的结论；随后，t i a nj l u 6 】于1 9 9 8 年对名为a l p o r a s 的闭孔泡沫 铝合金进行研究发现，通过机械压缩使泡沫铝合金内部的孔胞壁破裂，将闭孔结构 转变为微通孔，可以改善吸收性能。2 0 0 2 年，王月【7 ，s l 等人进一步研究了机械压缩率 对闭孔型泡沫铝吸声性能的影响发现，在压缩率未达某一临界值时，增加压缩率可 以提高闭孔型泡沫铝的吸声性能。1 9 9 9 年，t i a nj l u 弘1 2 】等人对半开孔型泡沫铝进 行了研究，提出了一种分析半开孔型泡沫金属的理论模型，对泡沫铝的吸声系数与 孔径、开孔度和孔隙率之间的关系进行了研究分析。2 0 0 0 年，王录才、王月、余欢、 f e n gc h e n 等人【1 3 0 5 l 先后对影响泡沫铝的吸声性能的主要因素：流阻、厚度、孔径、 孔隙率等进行了研究。g a r ys e i f l e a ，以及陆晓军、黄晓锋【l6 】于2 0 0 0 年对开孔型泡沫 金属进行了研究，讨论了背后封闭的空气层对泡沫铝吸声性能的影响，而国外研究 者f u s h e n gh a n 1 则对这种情况的吸声机理进行了研究分析。此外，王月、程桂萍【1 8 , 1 9 】 于2 0 0 1 年先后各自对泡沫铝水下吸声性能进行了研究，讨论了孔结构对泡沫铝水声 吸声性能的影响。2 0 0 7 年，卢天健、l a i nd j d u p e r e 2 0 之2 】等人，通过对泡沫金属和 用于制造泡沫金属的高分子基体材料的实验研究，提出了声波通过泡沫金属传播的 3 种黏滞模型，并结合这3 种模型，又提出了一种泡沫金属声学性能的综合模型，这 种模型可以用来预测泡沫金属的声吸收特性，但模型较为复杂，且只适用于纤维状 的泡沫金属，不易于在工程实际中应用。 综上所述，目i i 国内外研究学者【2 3 五6 】对泡沫盒属声吸收特性的研究工作多处在 实验阶段，而对泡沫金属吸声机理的理论研究不多，真正适用于泡沫金属吸声性能 预测的理论模型未见报道，所以本课题的研究具有重要的意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要研究内容 鉴于泡沫金属吸声性能中出现的吸声结构优化设计，以及吸声理论模型研究欠 缺等问题，本课题首先从实验出发，研究分析泡沫金属的吸声特性，并提出一种优 化结构，即串联型组合结构，用于提高泡沫金属在整个噪声频率范围内的吸声性能。 同时，研究分析声波在泡沫金属中的传播特性，建立一个适用于泡沫金属吸声材料 的理论模型。具体工作如下： ( 1 ) 采用传递函数法测量频率范围在1 0 0 h z 5 0 0 0 h z 内单层泡沫金属、串联型 组合结构的泡沫金属不同参数下的吸声系数。 ( 2 ) 对实验得出的泡沫会属吸声系数进行数据整理、分析，并研究分析不同参 数对单层和组合型泡沫金属吸声性能的影响。 ( 3 ) 利用理论声学以及多孔吸声材料的相关理论，建立泡沫金属的吸声理论模 型，从理论上分析泡沫铝的声吸收特性。最后，将理论模型的计算结果与实验数据 进行分析比较，对理论模型进行验证和修j 下。 3 华北电力大学硕十学位论文 第二章泡沫金属结构特性及吸声机理 泡沫会属是由连续或不连续的气体和金属基体构成的新型多孔吸声材料。近年 来，随着泡沫金属制备工艺的发展，泡沫金属结构发生了很大的变化。泡沫金属的 孔结构如今已有闭孔型、开孔型和半开孔型三种，其密度、孔径、孔隙率的大小在 制备工艺中也得到较好地控制。 泡沫金属这种刚性骨架的多孔材料，其吸声机理主要是由于粘滞阻力做功、媒 介热传导效应、以及金属骨架导热等方面导致声波衰减，达到吸声效果。此外，泡 沫金属还可以通过结构设计成为共振吸声结构，其吸声机理主要是共振吸声。 2 1 泡沫金属结构特性 2 1 1 制备工艺 从第一块泡沫金属的诞生至今，泡沫金属制备工艺的研究同趋成熟，泡沫金属 的制备方法也r 益发展。泡沫金属的制备工艺不仅影响到它的结构和性能，还直接 影响在实际中的应用。泡沫金属的制造工艺【2 7 瑚】可分为：铸造法、烧结法、发泡法 和沉积法等，且每种方法又可以细分，具体的分类如图2 1 所示。 泡 沫 金 属 制 备 方 法 熔模铸造法 渗流铸造法 金属粉末烧结法 金属纤维烧结法 熔融金属发泡法 粉体发泡法 浆料发泡法 气体发泡法 气相沉积法 喷射沉积法 金属沉积法 电沉积法 图2 1 泡沫金属的制备t 艺 4 法 法 法 怯 撇 触 黻 融 髓 麟 触 勰 华北电力人学硕十学位论文 ( 1 ) 铸造法 铸造法是先在铸模内放置颗粒堆积体或预制体，然后采用加压铸造法将熔融的 金属液或合金金属液压入预制体间隙中，冷却凝固后采用合适的方式除去预制体， 即可得到泡沫金属材料。该方法可应用于具有较低熔点的金属，如铜、铝、铅、锡 及其它们的合金等，其典型代表为泡沫铝。利用该方法铸造的泡沫金属，大多数为 闭孔型和半开孔型多孔材料，且孔结构分布均匀，但也可以铸造出高孔隙率的开孔 型泡沫金属材料。该方法可以细分为熔模铸造法和渗流铸造法两种。 ( 2 ) 烧结法 烧结法就是以金属粒子或金属纤维为原料，在较高温度时物料产生初始液相， 在表面张力和毛细管的作用下，物料颗粒相互作用，冷却后物料发生固结而形成泡 沫金属。为了提高泡沫金属的孔隙率，可采用填充剂，填充剂则需要在烧结过程中 升华、溶解或分解掉。为了使物料易于成型，也可采用粘结剂，但粘结剂也必须在 铸造过程中除去。该方法根据原材料的不同又可分为金属粉末烧结法和金属纤维烧 结法。利用该方法制造的泡沫金属材料渗透性好，孔径和孔隙可控。 ( 3 ) 发泡法 该方法的原理是在金属基体材料中加入发泡剂或吹入气体，加热使发泡剂分解 产生气体，气体膨胀使得基体材料发泡，冷却后可得泡沫金属。该方法根据所使用 的基体材料的不同可分为：熔融金属发泡法、粉体发泡法、浆料发泡法和气体发泡 法。发泡法主要用来制备泡沫铝，其基体金属可以是铜、镍、铅、钢及其合金等。 该制备方简单，生产出的泡沫金属材料多为闭孔型多孔材料，但发泡过程难以控制， 孔径较大，且孔的结构分布也不均匀。 ( 4 ) 沉积法 沉积法是在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上沉积各种金属，再经 焙烧除去内部的高分子材料，制得泡沫金属材料。沉积法根据沉积的方式可分为电 沉积法、金属沉积法、气相沉积法和喷射沉积法。该法制备的泡沫金属材料，其主 要特点是孔隙连通，孔隙率高( 均在8 0 以上) ，具有三维网格结构，是目前制造 大孔隙率泡沫金属的最简单方法。这类泡沫金属具有可挠性，可以进行弯曲、切断 和深孔等加工，是一种性能比较优异的新型功能结构材料，在泡沫金属领域占有重 要的地位。 2 1 2 结构特性 泡沫金属是一种由金属骨架、气体孔洞形成的新型多孔结构功能材料，如图2 2 。 由于其具有大量的孔洞结构，因而重量轻、比重小、比表面积大；加上其金属骨架， 5 、 华北电力大学硕十学位论文 因而强度大，且比一般吸声材料更加耐高温；此外，它还具有优良的隔热、散热和 电磁屏蔽等特性。泡沫金属的主要结构参数有孔径、孔隙率、通孔率、开孔度、密 度、比表面积等。泡沫金属的性能则主要取决于孔在金属基体材料内分布的情况， 包括孔的类型、大小、形状、孔隙率、连通性等。而采用不同的制备工艺，所获得 的泡沫金属结构特性必然也不尽相同。 图2 2 泡沫金属的外观结构图 目前，泡沫金属从孔结构上可以分为：开孔型、闭孔型以及半开孔型泡沫金属。 开孔型泡沫金属具有蜂窝状连续金属骨架结构，所有的孔都是连通的，且与表面相 通，孔的周围由金属材料构成蜂窝状多边形立体网络，如图2 3 ( a ) ；闭孔型泡沫金属 内部具有大量的气孔，但孔是相互独立的，孔与孔之间并不连通，如图2 - 3 ( b ) ；而 半开孔泡沫金属内部不仅有连通的孔结构，还有相互独立的孔存在。 一般情况下，泡沫金属具有如下几个结构特性1 2 5 】： ( 1 ) 孔径范围较大，通过特殊的制备工艺，可以使泡沫金属的孔径控制在微米 级至厘米级之间； ( 2 ) 孔隙率高，一般的泡沫金属的孔隙率为4 0 - - 9 0 ，而海绵状发泡金属材料 的孔隙率可高达9 8 ； ( 3 ) 比表面积大，泡沫金属的比表面积可达1 0 4 0 c m 2 c m 3 ； ( 4 ) 密度低，由于泡沫金属内部有大量的气孔，因而其密度仅为同体积金属的 1 5 0 , , 3 5 。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 开孔型泡沫金属( b ) 闭孔型泡沫金属 图2 3 泡沫金属内部的孔结构图 2 2 泡沫金属吸声性能参数 泡沫金属吸声材料的吸声特性一般用吸声系数和声阻抗来表示【i 】。 2 2 1 吸声系数 目前，表征吸声材料吸声能力最常用的参数为吸声系数。吸声是指声波传播到 某一边界面时，一部分声能被边界面反射( 或散射) ，一部分声能被边界面吸收( 这 里不考虑在媒质中传播时被媒质的吸收) ，后者包括声波在边界材料内转化为热能 被消耗掉或是转化为振动能沿边界构造传递转移，或是直接透射到边界另一面空 间。对于入射声波来说，除了反射到原来空间的反射( 散射) 声能外，其余能量都 被看作被边界面吸收。吸声系数定义为材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之 比，即： 口：益：e , - e , ：l 一， e ie i ( 2 1 ) 其中：口为吸声系数：蜃为入射声能；乞为材料吸收的声能；耳为材料反射的 声能；r 为反射系数。 一般吸声材料或吸声结构的吸声系数在0 l 之间，口值越大，表示材料的吸声 性能越好。当入射声波被完全反射时，口= o ，材料无吸声作用；当入射声波完全没 有被反射时，口= l ，入射声波被全部吸收。 7 华北电力大学硕士学位论文 吸声系数的大小与声波的频率、声波入射的角度都有关系。 当入射角度相同，声波频率不同时，吸声系数也各不相同。因此，为了完整地 描述材料吸声的频率特性，常给出吸声材料的频率特性曲线。一般工程中常取 1 2 5 h z 、2 5 0 h z 、5 0 0 h z 、1 0 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 和4 0 0 0 h z 共六个倍频程所在中心频率上 的吸声系数来表示材料的吸收性能，把2 5 0 h z 、5 0 0 h z 、1 0 0 0 h z 和2 0 0 0 h z 四个频 率吸声系数的算术平均值作为降噪系数( n r c ) 。 同一种材料，当声波以不同角度入射时，其吸声系数是不同的；因此，在吸声 系数的实际测量中，区分有垂直入射吸声系数、无规入射吸声系数或斜入射吸声系 数。当声波沿着材料表面法线方向垂直入射时测定的吸声系数称为垂直入射吸声系 数，常用驻波管法测量，故又称驻波管法吸声系数，通常用于材料吸声性能的研究 分析、比较和产品质量控制。当声波从各个方向以相同的概率无规入射时测定的吸 声系数称为无规入射吸声系数，常用混响室法进行测量，故又称混响室法吸声系数， 通常用于材料的工程设计和实际应用测试。 2 2 2 声阻抗 研究吸声材料的吸声问题时还需要研究另一个重要的物理量，即吸声材料的表 面声阻抗。声阻抗比吸声系数更本质地说明材料的吸收特性，声阻抗与电学中的电 阻抗一样，是一个不变的常量，它不决定于外乔条件。声阻抗的实部和虚部，分别 为声阻和声抗。可以利用声阻抗来分析材料的阻性、惯性、弹性及其与频率的关系， 从而进一步了解材料的特性，并为设计和改进材料的吸声特性提供依据。 表面声阻抗z 。定义( 3 1 l 为声波波振面某一面积上声压p 和通过这面积上的体积速 度u 的复数比，单位为p a s m 3 。 乙= 鲁 ( 2 - 2 ) 材料表面声阻抗率z 4 ，为表面处声压p 和质点速度v 的复数比，单位为帕秒每 米( p a s m ) 。 z 口= ( 2 3 ) 当平面声波垂直入射到材料表面时，根据材料声阻抗率与所吸收能量的关系， 可以由材料的表面阻抗率z d 和空气特征阻抗p o c o 计算出材料的吸声系数 口= - 一i ，1 2 = ，一 z ：- p o c o 。l ( 2 - 4 ) 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 泡沫金属的吸声机理 声波在粘滞性媒介中传播，引起媒介质点振动，当媒介中相邻质点的运动速度 不相同时，它们之间由于相对运动而产生内摩擦力( 也称粘滞力) ，阻碍质点运动， 从而通过摩擦和粘滞阻力做功使声能转化热能，使入射声波得到很大衰减。同时， 当声波通过媒介时，使得媒介产生压缩和膨胀变化，压缩区的体积变小，因而温度 升高，而膨胀区的体积变大，相应地温度也降低，从而使相邻的压缩区和膨胀区之 间产生温度梯度，一部分热量从温度高的部分流向温度较低的媒介中去，发生热量 的交换，使声能转换为热能而耗散掉。这就是吸声材料主要吸声机理【1 , 3 1 1 。 具体地对于开孔型和半丌孔型泡沫金属材料而言，其吸声机理是声波入射到泡 沫会属表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则通过泡沫金属表面和内部连 通的孔通道进入材料内部向前传播。在材料内部传播的声波，引起孔问隙内的空气 振动，而紧靠孔壁的空气受孔壁的影响不易动起来，因而产生内摩擦力。这样就使 相当一部分声能通过摩擦和粘滞力做功转化为热能，而热能又通过网络状的金属骨 架迅速导出，和周围的空气发生对流换热而散失掉，从而使声波衰减，达到吸声的 目的。其次，泡沫金属内部小孔中的空气媒介也由于热传导效应使得声波转化成热 能，使声能得到衰减。 对于闭孔型泡沫金属而言，其内部的孔为封闭的，孔与孔之间没有通道连接， 声波无法入射到材料的内部，绝大部分声能被反射回去，因而闭孔型泡沫金属材料 的吸声性能很差，一般用于隔热应用。 此外，泡沫金属材料背后留有封闭的空腔时，使泡沫金属形成共振吸声结构， 其吸声机理主要是亥姆霍兹共振器原理。由于泡沫金属内部存在着大量的相互连通 的细孔，且细孔通过表面与外界连通，这些孔通道相当于亥姆霍兹共振器的短管， 材料背后封闭的空腔相当于共振器的容器，因此这些不同长度和横截面积的孔通道 和背后封闭空腔就构成了大量的共振频率为低频的亥姆霍兹共振器。当外界入射声 波的频率与结构的固有频率相等时，孔通道中的空气就由于共振而产生剧烈振动。 在振动过程中，孔通道中的空气与孔壁面发生摩擦，由于粘滞阻力和热传导的作用， 使得声能得到很大的损耗，从而起到吸声效果。 2 4 本章小结 根据课题的研究内容，本章介绍了泡沫金属材料的制备工艺和结构特性，以及 表征泡沫金属吸声性能的两个重要的参数吸声系数和声阻抗，并且简要介绍了 泡沫金属吸声材料的吸声机理。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章泡沫金属吸声性能的实验研究 泡沫金属材料吸声性能的实验研究主要是利用声学测量仪器测量出不同情况 下泡沫金属材料的吸声系数，然后对已测得的吸声系数实验数据进行研究分析，从 而得出泡沫金属吸声特性的规律。本章在对单层泡沫金属的吸声特性进行分析的基 础上，提出了一种优化吸声结构串联型组合泡沫金属结构，并对这种组合结构 泡沫金属的吸声性能进行了实验研究。 3 1 实验部分 3 1 1 实验方法 吸声材料的吸声系数可由实验方法测定，常用的方法主要有混响室法、驻波管 法和传递函数法i i , 3 2 】。测量方法不同，所得的测试结果也有所不同。 ( 1 ) 混响室法以频带为l 3 倍频程的粉红噪声或白噪声作为声源，测定混响室 内无试件时的混响时间和有试件时的混响时间，通过计算混响时间的衰变曲线，确 定声音无规入射时的吸声系数。由于混响室法较接近材料的实际使用条件，因而该 方法测定的实验结果最接近材料的实际值。然而，该方法需要在昂贵的混响室内进 行，安装试件操作复杂，且要求试件为1 0 1 2m 2 的平面，试样制作量大、制作周期 长、测试的费用较高。因而，采用该方法研究分析吸声材料的吸声性能即不经济也 不方便。 ( 2 ) 驻波管法以单频声波作为声源，在一根内壁密实坚硬、光滑且无微细缝隙 的刚性管( 即驻波管) 中形成驻波声场，利用可移动的探管传声器接受声压信号， 根据声压的极大值与极小值的比值( 即驻波比) 确定材料垂直入射吸声系数。该方 法操作简单，需要的试件面积小，且不需要昂贵的实验仪器，费用低。但是由于该 方法使用的声源为单频声波，测量不同频率下的吸声系数时，需要调节声源频率， 故测量的工作量较大。 ( 3 ) 传递函数法以宽带信号发生器激励扬声器产生宽频声波作为声源，利用两 个固定在驻波管管壁的传声器测定声压信号，求得两个传声器信号的声传递函数， 以此计算得到法向入射吸声系数。相较驻波管法而言，传递函数法更加迅速及准确， 同时还可以进行宽频吸声系数测量，且工作量i l d , 。 综上比较，本实验选用传递函数法，以国际标准i s o1 0 5 3 4 2 ：1 9 9 8 或g b t 1 8 6 9 6 2 - 2 0 0 2 “阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2 部分：传递函数法作为标 准，测量泡沫金属材料的吸声系数。 1 0 其中：鼻为基准面( x = o ) 上只的幅值；e 为基准面( z = 0 ) 上既的幅值；为复波数。 两个传声器位置上的声压p 。和t 2 分别为： p l = p ；e j 蚰+ p f j k 妒l 氏= 唯j 蚰l + p r e j 吣l 入射波的传递函数喝为： q = 鲤：p 一( 而一电j ：e 一脚 p u 其中：s = 五- x 2 ，是两个传声器之间的间距。 类似地，反射波的传递函数以为： h r = p 2 r = e j k o ( l x 2 、= e j 如 总声场的传递函数竭：可由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) ，且e = 厂只，得： = 1 矿, 2 鲁等崩 ”1 + 理。”。 利用公式( 3 7 ) 、( 3 5 ) n ( 3 6 ) ，可得，： 定。 ，：丝 丝：p z 舳 h r h 1 1 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 至此，基准面( z = o ) 上声反射因数，可由测得的传递函数、距离五和波数确 华北电力人学硕士学位论文 最终得到基准面( 工= 0 ) 上的垂直入射吸声系数： 口= l i ，1 2( 3 9 ) 采用双传声器法时，传递函数要对两个传声器之问的相位失配和幅度失配作补 倦 i z io 3 1 3 实验设备 实验采用北京声望公司生产的s w 系列驻波管测量泡沫金属的吸声系数。声望 s w 系列驻波管，是基于传递函数法设计用于测量材料吸声系数及隔声系数的设备， 符合标准g b t 1 8 6 9 6 2 - 2 0 0 2 及i s 0 1 0 5 3 4 2 ：1 9 9 8 。 驻波管测量设备主要由s w 2 x x 驻波管( 驻波管由阻抗管和高、低频试件管组成) 、 m p a 4 1 6 传声器、c a l 0 6 通道校准器、s w a l 0 0 功率放大器、v s 3 0 4 x p 四通道声学 分析仪以及电脑和相应的v a l a b 4i m p a t 测试软件组成。各实验仪器见图3 1 。 ( a ) 功率放大器和四通道声学分析仪( b ) 通道校准器和传声器 ( c ) 阻抗管及其高、低频试件管 图3 1 实验测量仪器图 s w 2 x x 驻波管为硬质铝合金圆形截面的阻抗管。管壁上有3 个传声器安装孔， 用于放置传声器。驻波管分为两段，一段为可调试件管，用于试件的放置。另一 为测试管，其一端内置扬声器，一端为试件套筒，用于连接可调试件管。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 驻波管的工作频率厂的范围为： 彳 f 正 其中：z 、五分别为驻波管工作频率下限和上限。 ( 3 - 1 0 ) 石受限于驻波管的长度。正根据避免出现非平面简正波模式的原则选取，对于 直径为d ( m ) 的圆管，厂取值为： 其中：岛为空气中的声速。 正d l o 或1 0 j l 尺时，由贝 v 岛国 塞尔函数的大宗量近似三盟三丝盟- y ，可得出式( 4 1 4 ) 的简化形式为： j o ( 4 一j a r ) 、7 。 复数有效密度p ( 缈) 近似为： 肿惟a r 一罢 ( 4 1 8 ) 为了得到整个频率范围内复数有效密度p ( 国) 的表达式，可利用x - 戈( 4 1 6 ) 、 ( 4 1 8 ) 求出连接p ( 缈) 的低、高频近似公式的过渡表达式，可得： 触，= 斫t 一丽2 j , ( # f - s 。厢了a r ) ， 2 岛 + 1 一，丽8 ，+ 譬 3 2 + - - j ( 积) 2 v 3 2 3 3 ( 4 1 9 ) 显积 2 一口 一， 和 陌 月1_=_ 呵年 ，0一， 驴 厂_ 矽 口 儡 矿 慨 力 一一 华北电力大学硕士学位论文 式( 4 1 9 ) 为简化后的复数有效密度p ( c o ) 最终表达式，简化后的公式明显比含有贝 塞尔函数的形式简单。 4 2 2 2 热传导效应的影响 声波在金属圆柱形孔隙中传播，压缩孔隙中的气体，使得气体相邻的不同区域产生 温度梯度，导致热传导现象的发生，使声能转化成热能而耗散掉。一般的，气体导热控 制方程【4 8 】为： 押2 丁= 譬( 岛c v p - p o p ) ( 4 - 2 0 ) p ” 1 0 其中：r 为气体热传导系数；丁为逾量温度；p 为气体密度变化量；p o 、r o 分别为气体 静态压强和温度； q 、c ，分别为气体的定容比热容和定压比热容。 对于理想气体有： p = 去( p o t + t o p ， p o ( c p c v ) = 昂死 ( 4 - 2 1 ) 将式( 4 2 1 ) 代入式( 4 - 2 0 ) ，整理得： v ：t 一掣r = 一丝 vr 7 ：一c p ， l ，：j l ( 4 2 2 ) qp o c , 其中：y 为气体比热容比( 空气的比热容比为1 4 0 ) 。 对于圆柱形金属孔隙，其气体导热控制方程，由上式可得： 厂，罢1 _ 弘二r = 一歹竺p ( 4 - 2 3 ) 。r ；r 面1 _ a 卜_ 。 p 由于金属的导热性很好，因而需要考虑孔隙中气体和金属之间的换热对声能吸收的影 响，因此孔隙壁面上的边界条件【卿应为： 一k _ a t ( c o , r ) i ：h t ( 缈，) 务b 华北电力大学硕士学位论文 其中：于( 彩，) = i 亨r 2 胛砌为孔隙中气体的平均逾量温度； 为孔隙中气体和金属孔 壁之间的换热系数。i 园l l t ( 4 2 3 ) 方程可以解得其解为： r=詈(-一糯jo(ar,f二-jp r ) 丽孑r a 鬲h 函) ( 似) 其中：p r = r c p x 为普朗特数( 空气的普朗特数约为0 7 1 ) 。 中a 相同。则，孔隙内平均逾量温度为： 于= 詈( 1 一丽2 h ) 而孔隙内气体有效体积模量公式为： k ( 0 0 = 一万丽p 口= 序， 与4 2 2 1 节 ( 4 2 5 ) ( 4 - 2 6 ) 脚二而多 7 ， 厂一( 厂一1 ) ( 1 一_ = f = 兰_ 忑) = - - - - - - - - - - - - - _ - - - _ - - - 二- - - - - - - - - 一 ，一( r - 1 ) ( 1 _ 而丽n u ) ，【 口j t ，r + f “ 其中：n u 为努赛尔数。对于圆形横截面金属孔隙，层流充分发展换热的n u = 4 3 6 。 4 2 2 泡沫金属中声波传播特性 在泡沫金属材料内部，大量的孔构成了复杂的孔隙，其复数有效密度p ( c o ) 和 有效体积模型k ( c o ) 求解复杂，因而需要对模型进行简化。 假设泡沫金属材料由许多圆柱形金属孔隙并列构成，孔隙的半径为尺，长度 为材料的厚度d ，其孔隙率为。平面声波在这种简化模型下的孔隙中传播，假设各孔 隙之自j 特性互不影响，则声波传播特性与单孔隙情况相同，其特性阻抗率z 也可由单孔 隙的复数有效密度p ( 彩) 和有效体积模型k ( c o ) 求得。然而，简单的将泡沫会属材料实际 的结构参数孔径看作简化模型的孔隙半径尺，会使得理论模型误差较大，显然不合适， 因而需要对尺进行修正。 材料流阻率的定义为：当稳定气流通过多孔材料时，单位厚度材料两端的压 3 5 华北电力大学硕士学位论文 差与气流线速度之比，可得： 盯：冬 ( 4 2 8 ) 记 其中：卸为材料两端压差； ，为气流线速度；d 为材料厚度。 对于泡沫金属，其材料内部气体的平均速度为歹，因而材料外部气流线速度 y 由连续性可知为v - - 动。故泡沫金属材料的流阻率为： 0 - - 墨 ( 4 2 9 ) 三一 1 4 - z y l 谢d 、7 当入射泡沫金属材料的声波频率较低时，材料内部的气体运动方程近似为4 2 2 1 部分的式( 4 一1 5 ) 。令彩= 0 ，可得： 一罢= 詈矿 ，( 4 - 3 0 ) 一二- = v a x尺2 在低频时，声波的波长较长，气体流动可近似为稳定状态，作用在材料两端的压 差可近似为定值，故上式可写成： 一鲤=i8r矿(4-4d r 3 1 )一i = 一v ll z 7 将式( 4 2 9 ) 代入上式得： 肛摆 ( 4 - 3 2 ) 因此，将泡沫金属看成等孔径圆柱形金属孔隙并列结构后，其等效孔径j f c 可 由上式求得。将等效孔径尺代入复数有效密度和复数有效体积模量公式中，可得 出泡沫金属材料的理论模型公式为： 户( 缈) = 岛 l + 一一，暑庵 m 卜万蔫纛i 厂一( 7 一1 ) ( 1 一_ i _ 三二号j i ) ( 4 3 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中：仃为材料流阻率；矽为孔隙率：肌为努赛尔数；p r 为普朗特数；，为比热比；昂、 风分别为空气静态压强和密度。 4 3 泡沫金属吸声系数的理论计算 4 3 1 传递矩阵 由2 2 2 节中式( 2 3 ) 可知，若要计算泡沫金属的法向吸声系数，需要求得材 料的法向表面声阻抗率。对于材料的法向表面声阻抗率，尤其是多层吸声材料的 声阻抗率，利用传递矩阵求解和表示会更加简洁、方便。传递矩阵法【5 1 】利用材料 内前后两个表面处声波的声压和表面质点法向速度之间的关系建立一个传递关 系，用矩阵表示为： a ：1 = t r ， ； ，；而= 乏：互z , , ：1 f 。p y 1 ，。而 c 4 3 4 ， 其中：【刀= 乏：乏 为传递矩阵。只要求解出这个2 2 矩阵的元素巧。、石：、乏t 和 z ，就可以利用传递矩阵，在已知一面处的声压和质点速度的情况下，不用考虑 声波传播的具体过程，快速地求解出另一面声压和质点速度。 4 3 1 1 传递矩阵元素之间的关系 平面声波垂直入射于厚度为d 的半无限大的各向同性的材料，如图4 2 的阴 影部分，( a ) 图和( b ) 图为声波入射对称情况，唯一区别的是声波入射的方向不一样。 ( a ) 图中，单位振幅的声波正入射于材料的么表面上，其反射系数和传播系数分别 为r i 和互；( b ) 图中，单位振幅的声波正入射于材料的b 表面上，其反射系数和传 播系数分别为局和正。 i1 t 1 i 7 i 彳 i 7 口 r x 一 i 1 r l l t 2i 1i 1 i 1 i 彳b - x jl 1 r 2 i 炉ox = d 萨一dx = o ( a ) r b l 图4 2 平面声波垂直入射吸声材料图 3 7 华北电力大学硕士学位论文 在图( a ) 情况下，流体a 、b 表面处声压和质点速度之间关系有： 其中： 丢 三； ，i o =