金属橡胶材料吸声特性试验与分析

2009年5月第35卷第5期北京航空航天大学学报Journa l o f Be iji ng U nivers it y of A eronauti cs and A stronauti cs M ay 2009V o.l 35 N o 5收稿日期:2008 11 28基金项目:国防基础科研计划资助项目(K1203060815)作者简介:马艳红(1975-),女,辽宁铁岭人,讲师,m ayanh2002@163.co m.金属橡胶材料吸声特性试验与分析马艳红 李昊宇 李一峰 洪 杰(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191)摘 要:根据已经建立的金属橡胶材料的吸声理论模型,采用阻抗管法对不同参数下金属橡胶材料的吸声系数和声阻抗进行了试验测量和研究.进一步考察了金属橡胶结构参数(丝径、厚度、孔隙率、背后空腔深度等)对其吸声特性的影响及影响规律.并与该理论模型的计算结果进行了对比分析,验证了该模型的准确性,进而为金属橡胶在吸声降噪方面的工程应用提供了试验方法,为进一步完善该理论奠定基础.关 键 词:金属橡胶;试验研究;吸声降噪中图分类号:TG 115文献标识码:A 文章编号:1001 5965(2009)05 0604 04Experim ent and analysis on sound absorpti on characteristi cs of m etal rubberM a Yanhong L iH aoyu L iY ifeng H ong Jie(School of Jet Propuls i on ,B eiji ng Un ivers it y of Aeronau tics and Astronautics ,Beiji ng 100191,Ch i n a)Abstr act :According to the estab lished sound absorption m odel ofm e tal rubber(MR),the m easure m en tand research for the coeffic ient and acoustic i m pedance ofMR,w hich is of different para m eters ,w ere carried .The i n fl u enci n g la w s o fMR s structural para m eters (such as w ire dia m eter ,thickness ,porosity ,cav ity size and so on)on its sound absorption characteristics w ere i n vesti g ated .W ith the co m para ti v e analysis bet w een t h e exper i m enta l resu lts and t h e calcu lated ones fr o m t h e theore tica lm ode,l t h e acoustic m ode lw as proved ac curate .It not only pr ov i d es experi m ent m et h od for the furt h er eng i n eering applica ti o n ofMR i n the fi e l d o f no ise reduction ,but also set up a basis f o r the theory i m prove m en.tKey wor ds :m eta l r ubber ;experi m enta l research ;no ise reducti o n噪声污染与水污染和大气污染一起被列为当今世界三大主要污染源.近年来,航空噪声污染问题越发凸现出来.一方面,航空噪声污染生存环境,降低人们生活质量.另一方面,为提高飞机的隐身性能和战斗能力,必然要求降低飞机自身的噪声辐射.所以减振降噪是在航空工业中必须关注的问题[1].金属橡胶是一种新型多孔结构的阻尼材料.首先,金属橡胶从表到里都具有大量的互相连通的微孔和缝隙,这使得金属橡胶可作为一种多孔性吸声材料有效地降低噪声;其次,金属橡胶能够依靠金属丝间的相对滑移产生干摩擦耗散振动能量,所以金属橡胶又可作为一种阻尼材料有效地起到减振隔振的作用.鉴于此,对金属橡胶吸声特性进行系统的理论及实验研究具有重要意义.本文的前期工作[2]对金属橡胶的吸声特性进行了理论研究,建立了金属橡胶的吸声理论模型.在本文中,将对金属橡胶的吸声特性进行了试验研究,为金属橡胶在减振降噪方面的工程应用提供了试验依据.1 金属橡胶材料吸声理论模型对金属橡胶声学理论的研究是基于瑞利模型及圆管中声传播理论而进行的[1,3].声阻抗率z MR 和吸声系数 是反映金属橡胶吸声性能的重要物理参数.当声波法向入射到金属橡胶表面时,其声阻抗率和吸声系数为z M R =r +j x (1) =4r(r +1)2+x2(2)具体的理论推导详见文献[1],由文献[1]可知金属橡胶的声阻率r 和声抗率x 为r =f ( ;d s ,D 0, ,L )(3)x =f ( ;d s ,D 0, ,L )(4)式中, 为声波角频率;d s 为金属丝径;D 0为金属橡胶背后空腔深度; 为孔隙率;L 为金属橡胶的厚度.其半频带宽度为!=log 2(f r /f l )(5)式中,f r 为共振吸声频率;f l 为下限频率.从式(3)~式(5)可以看出材料的声阻率和声抗率均是金属橡胶结构参数(丝径、孔隙率、背后空腔、厚度等)的函数.因此,金属橡胶的结构参数是影响其吸声系数的主要参数.a 吸声系数b 声阻rc 声抗x图2 相同 、不同L 的金属橡胶材料的 ,r 和x2 吸声性能的试验研究金属橡胶吸声系数和声阻抗测试试验在双传声器的阻抗管(如图1所示)中进行.阻抗管(也叫驻波管)是声学测量的标准设备,在阻抗管的一端安装声源,另一端安装试件.声源发出声波信号.只要测出入射声波和反射声波,就可计算出试件的吸声系数和声阻抗.图中,p i 为入射声压;p r 为反射声压;1,2代指两个传声器;S 为两个传声器之间的距离;l 为2号传声器与试件的距离.a 原理图b 实物图图1 阻抗管原理图和实物图试验中考察了圆柱形金属橡胶的厚度、孔隙率、背后空腔深度以及吸湿性等对其吸声性能的影响.试验件的具体参数见表1.表1 金属橡胶材料吸声性能试验相应试验件的具体参数试验内容试验序号直径D /mm L /mm D 0/mm 是否浸水厚度影响130100.80否230200.80否330300.80否孔隙率影响430100.60否530100.70否630100.750否730100.80否橡胶直径的影响830100.750否930100.7510否1030100.7530否1130100.7550否浸水影响1230100.80否1330100.8是2.1 成型厚度的影响选取编号为1,2和3的一组试验件进行测量,得到试验结果见图2.从图2a 可知,随着厚度增加,金属橡胶材料的下限频率f l 向低频方向移动,半频带宽度!增大,f r 与反共振吸声频率f a 所对应的吸声系数的差异减小,材料的平均吸声系数变大,选择性减弱.这是因为随着材料厚度的增加,声波在材料中传播的距离加大,材料中空气黏滞性和热传导的作用加强,使得更多的能量被消耗,在整个频带范围内,材料吸声效果自然得到明显改善.同样地,从图2b 可知,由于增加厚度相当于增加了材料的弹性,所以材料的声容变大,造成声抗的提高.2.2 孔隙率的影响选取编号为4,5,6,7的一组试验件进行测量,如图3所示.从图3a 可以看出,随着孔隙率的减小,材料的下限频率f l 向低频方向略有移动,!增大,f r 与f a 所对应的吸声系数的差异减小,材料的平均吸声系数变大,选择性减弱.同时减小孔隙率会引起声阻和声抗的提高,如图3b 、图3c .多孔605第5期 马艳红等:金属橡胶材料吸声特性试验与分析吸声材料相当于无数个亥姆霍兹共鸣器串并联而成的.根据亥姆霍兹共鸣器的原理[3],降低材料的孔隙率相当于缩小其中每一个共鸣器的尺寸,这样使得材料内的流阻变大,有利于能量的消耗,这与实验结果相符合.2.3 背后空腔深度的影响选取编号为8,9,10,11的一组试验件进行测量,得到的结果如图4所示.从图4a 可知,随着背后空腔深度的增加,材料的下限频率f l 向低频方向移动,!显著增大,在f r 以上,峰值出现的次数变多,吸声系数的选择性增强.同时增大空腔深度会引起声抗的提高,如图4c .这是因为背后空腔相当于材料的附加厚度,所以其对吸声性能影响的表现就类似于材料厚度的影响.a 吸声系数b 声阻rc 声抗x图3 不同 、相同L 的金属橡胶材料的 ,r 和xa 吸声系数b 声阻rc 声抗x图4 不同D 0的金属橡胶材料的 ,r 和x2.4 吸湿性的影响选取编号为12和13的一组试验件进行测量,得到的结果如图5所示.可以看出,吸湿与否对金属橡胶的吸声性能影响不大,因为金属橡胶的吸湿性小,吸湿率一般小于5%.图5 正常与吸湿条件下吸声系数的比较3 数值计算与试验结果比较分析选取孔隙率为0.8,丝径为0.12mm,螺旋径为1.2mm,厚度分别为20mm 和30mm 的两组结构参数,根据上文所建立的金属橡胶声学理论模型(式(10)~式(15)),进行数值计算,分别与试验值进行比较分析,如图6所示.a L =20mmb L =30mm图6 金属橡胶材料的吸声系数理论值与试验值对比从图6可以看出,金属橡胶的吸声理论模型能较好地反映吸声系数的变化趋势,理论解与试验值符合的较好,金属橡胶的吸声系数随着频率606北京航空航天大学学报 2009年的增加而增加,且趋于定值.然而,由于金属橡胶试件制备误差和实验测量误差,理论值与实验结果之间还存在一定误差.分析其原因,金属橡胶吸声理论模型的建立过程实际上是将金属橡胶内部微观结构进行有序化的过程,而实际上金属橡胶内部充满了尺寸各不相同,方向各不一致的孔隙.所以理论模型与试验值之间存在着一定差异.比较图6中的两幅图,厚度为30mm的金属橡胶试件的理论值与试验值的近似程度要强于20mm的试件.其原因在于:增加金属橡胶的厚度相当于包容了更多层有序的金属丝网,从宏观上看其效果也更接近于金属橡胶内部复杂的微观结构的真实反映.所以,随着厚度的增加理论值与试验值越加符合.总的来说,金属橡胶的吸声理论模型能够较真实的反映金属橡胶的吸声特性参数随其结构参数变化的规律.虽然存在一定的误差,但通过改善实验设备测试精度和试件工艺,完善理论模型,一定可更真实的反映其吸声特性.4 结 论本文以金属橡胶的吸声理论模型为基础,采用阻抗管法对不同结构参数的金属橡胶试验件进行了吸声性能的试验研究.理论计算与试验结果一致表明:金属橡胶具有优异的吸声降噪性能,在试验频段内(1000~6000H z),平均吸声系数大于0.56,属于高效吸声材料.增加材料的厚度与减小孔隙率,其吸声系数的变化趋势大体相同.综合考虑,增加厚度比减小孔隙率效果更明显,而且更容易实现.虽然增加材料背后空腔的深度相当于增加材料厚度,但是在高频处,随着空腔深度的增加,材料吸声系数峰值出现的次数变多,吸收的选择性增强,这与增加厚度的效果不同.反映金属橡胶吸声理论模型建立思路的正确性,为进一步研究其应用打下试验基础.参考文献(References)[1]黄其柏.工程噪声控制学[M].武汉:华中科技大学出版社,1999H uang Q iba.i C ontrol of engi neeri ng no i se[M].W uhan:H uaz hong Un ivers i ty of Sci en ce and T echnology Press,1999(i n Ch i n ese)[2]马艳红,洪杰,李昊宇,等.金属橡胶材料吸声特性的理论分析[J].北京航空航天大学学报,2009,35(5):653-656M a Yanhong,H ong Jie,Li H aoyu,et a.l Th eoretical analys i s on sound absorpti on characteri sti cs ofm etal rubb er[J].Jou r n al ofB eiji ng Un ivers it y of Aeronau tics and Astronantics,2009,35(5):653-656(i n Ch i nese)[3]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社,2004M a Dayou.M odern bas i c acousti c t heory[M].Beijing:S ci en ce Press,2004(i n Ch i nese)(上接第558页)6 结 论本文的GNSS卫星信号模拟器中频调制卡实现了与上位机、射频模块的实时通信,同时动态地模拟多普勒对载波、副载波、码、导航电文相位的影响,实现扩频调制、低中频正交载波调制、数字合路、正交上变频和D/A变换,得到所指定中心频点和信号结构的模拟中频信号.所产生L1/B3/ E1B信号均已通过与实际接收机对接实验,捕获、跟踪、定位结果验证了中频输出信号的有效性.参考文献(References)[1]寇艳红.GNSS软件接收机与信号模拟器系统研究[D].北京:北京航空航天大学电子信息工程学院,2006K ou Y anh ong.S t udy on gnss soft w are recei ver and s i gna l si m ulator[D].Beiji ng:School of E lectron ics and In f or m ati on E ngineering,Beijing Un i versit y of Aeron auti cs and A stronau tics,2006(i n Ch i nese)[2]朱宇虹.高动态GPS卫星信号模拟器的研究与设计[D].北京:北京航空航天大学电子信息工程学院,2004Zhu Yuhong,The st udy and d es i gn of h i gh dyna m i c gps s i gn al si m u l ator[D].Beiji ng:S chool of E lectron ics and I n for m ati on Engineeri ng,B eiji ng Un i versity ofA eron auti cs and A stronau ti cs,2004(i n Ch i n ese)[3]董斌.GNSS信号模拟器中频信号产生方案设计与实现[D].北京:北京航空航天大学电子信息工程学院,2007Dong B i n.Desi gn and i m p l e m etati on of if si gnal generat or f or gnss signal s i m u lat or[D].Beiji ng:S chool of E l ectron i cs and In for m ation Eng i neeri ng,B eiji ng Un i versity ofA eron auti cs and A s tronauti cs,2007(i n C h i nese)[4]Eu ropean Space Agency.Galil eo open servi ce si gnal i n s p ace i nterface con trol docum ent d raft0[R].GAL OS S IS I CD/D.0,2006[5] A.V.奥本海姆,R.W.谢弗.离散时间信号处理[M].刘树棠译.西安:西安交通大学出版社,2001Opp enh ei m A V,Sch afer R W.D iscrete ti m e si gnal p rocess i ng [M].Trans l ated by Li u Shutang.X i an:X i an J i aotong Un i versity Pres s,2001(i n C hinese)[6]邱致和,王万义.GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2002:2-6Q i u Zhihe,W angW any.i Und erst andi ng gps pri nciples and ap p lications[M].Be iji ng:Publi sh i ngH ou s e ofE lectron ics I ndu s try,2002:2-6(i n Ch i n ese)607第5期 马艳红等:金属橡胶材料吸声特性试验与分析。