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影响多孔材料吸声性能的因素
发布时间:2022-08-11 09:28 浏览次数:54

多孔材料的吸声性能可用吸声系数来表征,影响多孔材料吸声特征的因素主要有材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子、空气流阻和声波频率等。其中结构因子反映的是多孔体内部的孔隙状态和组织结构,空气流阻是单位厚度多孔体两侧空气压力差和空气流速之比。

影响多孔材料吸声性能的因素

(1)空气流阻

空气流阻定义为材料两面的静压差和气流线速度之比,单位厚度的流阻称为流阻率,其反映空气通过多孔材料时的透气性:流阻越大,材料的透气性就越小,空气振动越不易传入,声波越不易深入材料内部,吸声性能随之下降;但流阻太小则空气振动容易穿过,使声能转化为热能的效率过低,吸声性能也会下降。可见多孔材料存在一个最佳的流阻值,过高和过低的流阻值都难以获得良好的吸声性能。开孔泡沫金属具有复杂的孔隙连接结构以及粗糙的内孔表面,因而流阻较高,吸声性能相对于闭孔泡沫有很大提高。

影响多孔材料吸声性能的因素

(2)入射声波频率

声波是一种依靠空气振动而向外传播的波,声波进入多孔材料的孔隙后引起空气振动.由于空气与孔壁的摩擦而造成能量损失。低频时声波的波长较大,能量较小,碰到孔壁时发生反射、折射,若是发生弹性碰撞则能量损失较小;而高频时声波的能量较大,进入多孔体后与孔壁发生相撞,因其振动幅值大,有可能发生非弹性碰撞,能量损耗大,加之反射或折射后的声波仍有较高能量,与孔壁发生二次或多次非弹性碰撞。再经过多次反射、折射之后,损失的能量就可以占到原入射声波能量的大部分,损失的能量变成热能而耗散。因此,高频时多孔材料的吸声系数较大。

频率较低的声波波长较大,穿透性较好。当ku<0.01(k为波数,a为多孔体中孔和棱的尺度)时,声波进入多孔体后处于散射中的准均匀态,在孔隙内的散射概率低,多孔体对声波的阻碍较小,吸收率低。随着声波频率的逐渐增大,多孔体内发生不规则散射的概率提高,各散射声波相互干涉,消耗一定的能量,从而吸收率升高。当入射声波频率增大到0.01<ka<0.1时,声波在遇到多孔体表面棱柱的阻碍后,发生瑞利散射,其散射波包含P波与S波两部分。当ka值继续增加后,散射波进入材料减少,内部用于内耗散吸收的部分也减少,吸收系数降低,从而吸收曲线呈现出二次曲线特征,存在一个吸收系数随频率变化的峰值。

大量文献表明,多孔材料在低频段的吸声效果要差于其在高频段的吸声效果。如何进一步提高多孔材料低频段的吸声效果,如何使多孔材料在整个频段都具有优异的吸声效果,如何利用最少的材料以及最小的占用空间来达到最佳的吸声效果,这些问题的研究对多孔材料的吸声应用有着十分重要的意义。

影响多孔材料吸声性能的因素

(3)多孔体的孔隙率和孔径

结构的本征频率与外界声波或振动频率发生共振时,声波或振动会被衰减。结构阻尼衰减的原因是内摩擦导致的振动使机械能转化为热能而产生大量的内耗,多孔体随着孔隙率提高、孔径减小、比表面增多和应变振幅增大而使内耗增加,其中孔隙率是内耗的主要影响因素。

孔隙率是多孔体中孔隙体积与多孔体表观总体积之比值,泡沫金属的吸声系数一般随孔隙率增大而提高。这主要是因为孔隙率较大者孔隙的表面积一般也较多。此外,孔隙率较大者孔隙的曲折度也可能越大,导致其内部通道越复杂。所以,声音进入后发生漫反射和折射的机会增多,并且孔隙中的空气随之振动而引起与孔壁的摩擦加剧,空气黏滞阻力加大,于是有更多的声能转化为热能而被耗散。

对于孔隙率相同、孔隙形貌相同、厚度也相同的多孔材料,孔径越小,高频吸声性能越高,低频吸声性能则变化不大。孔隙较大时声波进入后不易发生二次或多次反复碰撞,因而能量损失较少;孔隙减小则声波发生多次碰撞的可能性增大,每次反射、折射都要消耗一定能量,如此反复的结果可消耗更多的入射声能。因此,高频时的孔径尺寸对吸声性能影响较大。但孔径太小则声波不易进入,吸声性能也会下降。有研究表明,孔径尺寸在亚毫米量级最好。

有研究发现,泡沫铝的孔隙率可显著地影响其吸声性能,而且孔隙率高的吸声性能明显好于孔隙率低的泡沫铝。孔径的大小则直接影响泡沫金属的吸声系数,孔径增大时空气流阻变小,黏滞力和摩擦力的效率也相应变小,相应材料的吸声系数降低;孔径减小时空气流阻相应增加,所以泡沫金属的吸声系数也相应增加,但孔径过小则空气流阻过大,空气的流通变小就不利于声波的传播,黏滞力和摩擦力也相应地变小,最终使得材料的吸声变得很差。可见,泡沫金属存在一个最佳的孔径使得吸声系数最大。


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