打孔提高闭孔泡沫铝吸声性能的机理分析.pdf

2 0 1 6 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 l ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 9 ．0 1 4 打孔提高闭孔泡沫铝吸声性能的机理分析 梁李斯，赵忠宇，张韶华，余泽利，武晓雷，刘诗薇 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安7 1 0 0 5 5 摘要采用驻波管吸声系数测试仪分别测定闭孔泡沫铝板、打孔闭孔泡沫铝板、打孔铝板的吸声系数，结 合共振结构吸声特性曲线，分析闭孔泡沫铝打孔后的结构特征，对吸声机理进行探讨。结果表明，打孔 后闭孔泡沫铝吸声系数峰值可达0 ．6 8 ，高于未打孔时的0 ．4 2 ，也高于打孔铝板的0 ．4 5 ，降噪系数同样有 所升高。打孑L 闭孔泡沫铝吸声机理主要是由于表面漫反射的干涉消声、内部微孔和裂纹造成声波的能 量耗散、打孔后与背板问形成共振结构及打孔对内部孔洞的结构改变增大了吸声。 关键词闭孔泡沫铝；吸声；打孔；机理 中图分类号T B 3 4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 9 0 0 5 1 - 0 4 M e c h a n i s mA n a l y s i so fS o u n dA b s o r p t i o ni nP e r f o r a t e d C l o s e d - C e l lA l u m i n u mF o a m L I A N GL i s i ，Z H A OZ h o n g y u ，Z H A N GS h a o h u a ，Y UZ e l i ，W UX i a o l e i ，L I US h i w e i C o l l e g eo fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，X i ’a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t S o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so fc l o s e d e e l la l u m i n u mf o a mb o a r d ，p e r f o r a t e dc l o s e d - c e l l a l u m i n u mf o a mb o a r d ，a n dp e r f o r a t e do r d i n a r ya l u m i n u mb o a r dw e r em e a s u r e dr e s p e c t i v e l yb yS t a n d i n g W a v eT u b eT e s t e rt oi n v e s t i g a t es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r f o r a t e dc l o s e d c e l la l u m i n u mf o a mb o a r d a n dm e c h a n i s mo fs o u n da b s o r p t i o nb a s e do nc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fr e s o n a n c es t r u c t u r es o u n da b s o r p t i o n ． T h er e s u l t ss h o wt h a ts o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tp e a kv a l u eo fp e r f o r a t e dc l o s e d c e l la l u m i n u mf o a mi S 0 ．6 8 ，w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a to fu n p e r f o r a t e dc l o s e d c e l la l u m i n u mf o a mb o a r do f0 ．4 2a n dp e r f o r a t e d o r d i n a r ya l u m i n u mb o a r do f0 ．4 5 ．N o i s er e d u c t i o nc o e f f i c i e n ta l s or i s e s ．M e c h a n i s mo fs o u n da b s o r p t i o no f p e r f o r a t e d c l o s e d c e l la l u m i n u mf o a mi n c l u d e sn o i s ee l i m i n a t i o n b yi n t e r f e r e n e eo f s u r f a c ed i f f u s e r e f l e c t i o n ，e n e r g yd i s s i p a t i o no fa c o u s t i cw a v e sc a u s e db yi n t e r n a lm i c r oh o l e sa n dc r a c k s ，r e s o n a n c e s t r u c t u r ef o r m e db e t w e e nh o l ea n db a c kb o a r d ，a n ds t r u c tu r ec h a n g eo fi n n e rh o l e ． K e yw o r d s c l o s e d c e l la l u m i n u mf o a m ；s o u n da b s o r p t i o n ；p e r f o r a t i o n ；m e c h a n i s m 目前，对噪声的防治主要通过声源控制和采用 吸声材料来实现[ 1 ] 。在现有技术和条件下，声源控 制能够降低的噪声有限[ 2 ] ，主要采用共振型吸声结 构或多孔类吸声材料来达到降噪的效果。但共振型 吸声结构的吸声频带较窄，多孔类吸声材料低频吸 声效率低[ 3 q ] 。除材料或结构本身的缺点外，在实际 收稿日期2 0 1 6 0 4 - 0 9 基金项目国家自然科学基金青年基金项目 5 1 4 0 4 1 8 7 作者简介梁李斯 1 9 8 3 一 ，女，内蒙古呼伦贝尔人，博士，讲师 应用中还存在吸声结构复杂笨重，吸声材料使用寿 命短、产生二次环境污染，部分材料易吸潮降低吸声 效果，易燃导致使用环境有局限性等一系列问 题[ 5 。7 ] 。既要达到好的吸声效果，能够针对不同频 段，尤其是低频噪声吸收，又要综合考虑环境、经济 效益，这就对新型吸声材料的开发提出了较高的要 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第9 期 求[ 8 ] 。闭孔泡沫铝作为一种金属基多孔材料，具有 耐高温、耐腐蚀、防潮、阻燃、洁净、美观、使用寿命长 等特点口。12 | ，且由于生产、使用和报废回收过程无二 次污染，被誉为“绿色环保材料”[ 1 3 q s ] 。但由于闭孔 型结构，导致吸声效果不太理想。本文对闭孔泡沫 铝进行打孔，以期进一步提高吸声性能，并对吸声机 理进行探索和研究，拟为工程应用中的吸声结构设 计提供理论基础。 1 试验材料与方法 主要原料为纯铝、纯度9 8 ％的金属钙、粒度 0 ．0 5 ～o ．0 6m m 的氢化钛。采用熔体发泡法制备 闭孔铝泡沫。闭孔泡沫铝吸声系数采用驻波管 法[ 1 7 ] 进行测量。 2 试验结果与讨论 2 ．1 吸声系数测试结果 选取孔隙率为8 8 ．1 ％的闭孔泡沫铝试样进行 吸声系数测试，参数如下厚度l Om m 、平均孔径1 1 m m 、孔壁厚度0 ．4 2m m 。 闭孔泡沫铝试样吸声系数对应频率分布曲线如 图1 所示。由图1 可见，其吸声系数峰值仅有 0 ．4 2 ，降噪系数0 ．2 1 ，吸声系数整体不高，相对来说 是高频优于低频，主要的吸声频段集中在高频。 2 ．2 打孔前后吸声性能对比 对上述制备的闭孔泡沫铝进行打孔处理，打孔 率为3 ％，背后加空腔深度3 0m m 。打孔泡沫铝吸 声系数一频率曲线如图1 所示。 籁 垛 粗 登 图1 打孔泡沫铝吸声系数一频率曲线 F i g ．1 S o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t - f r e q u e n c y c u r v e so fp u n c h e da l u m i n u mf o a m 由图1 可见，经打孔之后的闭孔泡沫铝吸声系 数峰值明显增大，吸声系数在整个频率段内都有很 大的提高，峰值达到0 ．6 8 ，降噪系数0 ．2 9 ，峰形有所 变化，但所有改变都有利于吸声。 为探讨打孔闭孔泡沫铝板吸声机理，将1m m 的铝板按照一定打孔率打孔，打孔后进行吸声系数 的测试，并与未打孔闭孔泡沫铝板作对比。铝板参 数厚度5m m 、打孔率3 ％、打孔孔径2m m 、背后空 腔深度2 0m m 、孔心距l O ．2m m 。 所测试的打孔铝板吸声系数1 ／3 倍频程频率分 布曲线如图2 所示。从图2 可以看出，随频率升高 吸声系数逐渐增大，到达峰值后又随频率的增加逐 渐降低；吸声系数的峰值不高，仅为0 ．4 5 ，降噪系数 只有0 ．2 3 。虽然同样是打孔结构，打孔闭孔泡沫铝 的吸声系数值高于打孔铝板。 籁 垛 { n 螫 图2 打孔率3 ％的铝板吸声系数1 ／3 倍 频程分布曲线 F i g ．2 S o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t s - - 1 ／3 o c t a v ec u r v e so f3 ％p u n c h i n gr a t e 2 ．3 打孔泡沫铝吸声机理探讨 2 ．3 ．1 表面漫反射作用 由于闭孔泡沫铝特殊的结构以及泡孔无取向等 原因，切割加工后，闭孔泡沫铝会形成不同的表面孔 形态，表面的凹凸不平使声波在该断面发生漫反射， 从而引起干涉消声。 2 ．3 ．2 微孔和裂缝作用 由于闭孔泡沫铝的制备温度高，不能及时冷却 等原因，会在内部产生大量的裂缝和微孔 图3 ，这 些内部的缺陷结构有利于闭孔泡沫铝的吸声。当闭 孔泡沫铝结构受到外部声波的激发后，声波可以穿 透结构或引起结构本身的振动。尽管铝材料本身的 阻尼低，与实体铝相比，闭孔泡沫铝的损耗系数要高 至少一个数量级，这种结构可以将振动的动能转变 为热能并分散到周围环境中去[ 1 8 1 ；另外，当声波通 过微孔或裂纹时，摩擦阻力增大有利于动能向热能 转化；当声波由缺陷结构的微孔或裂纹向泡孔内传 递时，数倍至数十倍体积的膨胀也会使声波的动能 万方数据 2 0 1 6 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 3 发生衰减。综合结果促使声能发生迅速衰减。 图3 闭孔泡沫铝微孔及裂缝 F i g ．3M i c r o p o r ea n dc r a c k so fc l o s e d - c e l la l u m i n u mf o a m 2 ．3 ．3 打孔后形成共振结构 将图1 、图2 与亥姆霍兹共振器吸声特性曲线 图[ 1 叼进行对比，可看出，打孔铝板和打孔闭孔泡沫 铝板两种结构与亥姆霍兹共振器的吸声曲线有相似 之处。两种结构均主要为共振吸声。但相同打孔率 的打孔闭孔泡沫铝板的吸声效果明显优于打孔铝 板，这主要是因为闭孔泡沫铝内部具有特殊孔结构。 对闭孔泡沫铝进行打孔后，在背后添加空腔，形 成打孔后的孔内壁结构和共振吸声结构示意图见图 4 。闭孔泡沫铝板所打的孔与背后空气层组成了亥 姆霍兹共振器[ 19 | 。在板上均匀打孔后，就相当于形 成了一系列并联的亥姆霍兹共振结构，整体上可以 作为由质量和弹簧组成的一个共振系统，对声能进 行消纳、吸收和衰减口’1 8 ‘19 | 。文献[ 1 8 3 详细阐述了 腔体内空气和粗糙的闭孔泡沫铝泡孔内表面 如图 5 所示 的吸声机理，这些声能最终都转变成热能耗 散掉。 闭孔泡沫铝在打孔后，由于通孔的内壁并非光 滑面，而是在侧面形成许多小洞 如图4 a 所示 。打 孔穿过泡孔的位置不同，形成的小洞深度、形状也不 同。打孔穿过后的泡孔形成的小洞形状如图4 a 中 a ～g 所示。小洞的存在增加了通孔内壁的迂曲度， 泡孔内壁本身的粗糙结构增大了结构因子，使空气 分子的弛豫效应增强，从而提高吸声系数，而状如e 的小洞可形成单个亥姆霍兹共振器，进一步增大其 共振频率下的吸声系数。 3结论 1 经打孔之后的闭孔泡沫铝吸声系数峰值明显 增大，吸声系数在整个频率段内都有很大的提高，峰 值达到0 ．6 8 ，高于未打孔时的0 ．4 2 ，峰形有所变化， 图4 打孔闭孔泡沫铝共振吸声结构及 通孔内壁结构 F i g ．4 R e s o n a n c es o u n da b s o r p t i o na n d t h r o u g hh o l es t r u c t u r eo fp u n c h e d c l o s e d - c e l la l u m i n u mf o a m 图5闭孔泡沫铝内表面 F i g ．5 I n t e r n a ls u r f a c eo fc l o s e d - c e l l a l u m i n u mf o a m 但所有改变都有利于吸声。 2 打孔铝板的吸声系数的峰值不高，仅为 0 ．4 5 ，降噪系数只有0 ．2 3 ，同样是打孔结构，打孔闭 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p [ [ y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第9 期 孔泡沫铝的吸声系数值高于打孔铝板。 3 打孔闭孔泡沫铝板的吸声机理主要包括表面 漫反射的干涉消声、内部微孔和裂纹造成声波的能 量耗散、打孔后与背板间形成共振结构及打孔对内 部孔洞的结构改变增大吸声。这些也是打孔闭孔泡 沫铝板比普通泡沫铝板和打孔铝板吸声系数提高的 主要原因。 参考文献 [ 1 ] 盛美萍，王敏庆，孙进才．噪声与振动控制技术基础 [ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 1 1 1 5 1 1 6 ． [ 2 1 李耀中，李东升．噪声控制技术[ M ] ．北京化学工业出 版社，2 0 0 1 1 7 1 8 ． I - 3 ] 梁李斯．闭孔泡沫铝材料的声学性能研究及应用[ D ] ． 沈阳东北大学，2 0 0 8 ． [ 4 ] 冯苗锋，吕玉恒．吸声材料的市场需求及发展趋势探讨 [ J ] ．噪声振动与控制，2 0 0 7 ，5 1 0 9 - 1 2 ． [ 5 ] 苑改红，王宪成．吸声材料研究现状与展望[ J ] ．机械工 程师，2 0 0 6 6 1 7 1 9 ． [ 6 ] 李海涛，朱锡，石勇，等．多孔性吸声材料的研究进展 [ J ] ．材料科学与工程学报，2 0 0 4 ，2 2 6 9 3 4 9 3 8 ． 1 - 7 1 毛东兴，洪宗辉．聚氰胺酯泡沫材料吸声性能及其低频 拓展1 J 1 ．噪声与振动控制，1 9 9 9 2 2 7 3 0 ． E 8 1 刘鹏辉，杨宜谦，姚京川．多孔吸声材料的吸声特性研究 [ J ] ．噪声与振动控制，2 0 1 1 2 1 2 3 1 2 6 ． [ 9 ] 王军锋，黄海英，彭立民，等．木质吸声材料的研究进展 [ J ] ．木材加工机械，2 0 1 5 ，2 6 0 4 4 9 5 2 ． 1 1 0 1H A NF u s h e n g ，G A R YS E I F F E R T ，Z H A OY u y u a n ，e t a 1 ．A c o u s t i ca b s o r p t i o nb e h a v i o ro fa no p e n - 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