新型声学结构的吸声特性研究

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多种共振吸声结构的吸声机理介绍

多孔吸声材料对低频声吸声性能比较差，因此往往采用共振吸声原理来解决低频声的吸收。

由于它的装饰性强，并有足够的强度，声学性能易于控制，故在建筑物中得到广泛的应用。

一、单个共振器1结构形式它是一个密闭的内部为硬表面的容器，通过一个小的开口与外面大气相联系的结构，称为核姆霍兹共振器。

单个共振器示意图2吸声原理单个共振器可看成由几个声学作用不同的声学元件所组成，开口管内及管口附件空气随声波而振动，是一个声质量元件；空腔内的压力随空气的胀缩而变化，是一个声顺元件；而空腔内的空气在一定程度内随声波而振动，也具有一定的声质量。

空气在开口壁面的振动摩擦，由于粘滞阻尼和导热的作用，会使声能损耗，它的声学作用是一个声阻。

当入射声波的频率接近共振器的固有频率时，孔颈的空气柱产生强烈振动，在振动过程中，由于克服摩擦阻力而消耗声能。

反之，当入射声波频率远离共振器固有频率时，共振器振动很弱，因此声吸收作用很小，可见共振器吸声系数随频率而变化，最高吸声系数出现在共振频率处。

3共振频率计算单个共振器对频率有较强选择性，共振频率f0可由下式求得：式中，c 为声速；S 为颈口面积，S=πr²；r 为颈口半径；V 为空腔体积；t为颈的深度，即板厚；d 为圆孔直径。

因为颈部空气柱两端附近的空气也参加振动，需要对t 进行修正，其修正值一般取0.8d。

二、穿孔板共振吸声结构1结构形式在各种薄板上穿孔并在板后设置空气层，必要时在空腔中加衬多孔吸声材料，可以组成穿孔板共振吸声结构，由于每个开口背后均有对应空腔，这一穿孔板结构即为许多并联的核姆霍兹共振器。

一般硬质纤维板、胶合板、石膏板、纤维水泥板以及钢板、铝板均可作为穿孔板结构的面板材料。

穿孔板共振吸声结构简图2吸声原理由于它是核姆霍兹共振器的组合，因此可看作是由质量和弹簧组成的一个共振系统。

当入射声波的频率和系统的共振频率一致时，穿孔板颈的空气产生激烈振动摩擦，加强了吸收效应，形成了吸收峰，使声能显著衰减；远离共振频率时，则吸收作用小。

吸声消音原理以及材料

吸声消音原理以及材料吸音消音是指通过特定材料来吸收噪音和声波能量，减少或消除噪音的传播和反射。

吸音材料指的是那些具有较好吸声效果的材料。

下面将详细介绍吸声消音的原理和吸音材料。

一、吸声消音的原理吸声消音是基于声波传播的物理原理，主要包括以下几个方面：1.声波的传播与反射：当声波遇到障碍物时，一部分能量会被吸收，一部分会被反射。

吸音消音原理的基本思想就是利用吸音材料吸收声波能量，减少声波的反射。

2.材料的吸声特性：吸音材料的吸声特性是实现吸声消音的关键。

吸声材料必须能够将声波能量转化为其他形式的能量，比如热能或机械能，从而让声波能量得到衰减。

3.表面的多孔结构：吸声材料的表面通常具有多孔的结构，这种多孔结构可以让声波进入材料内部，增加其吸音效果。

多孔结构还可以通过增加材料的表面积，有效地增加声波与材料的接触面积，从而提高吸声效果。

二、常见的吸音材料吸音材料根据其材质和结构的不同，可以分为吸声海绵、吸声板、金属丝网和网眼、玻璃丝绒、聚酯纤维等。

以下是常见的吸音材料及其特点：1.吸声海棉/海绵：是一种泡沫状材料，常用于吸音室内装修。

其具有柔软、轻便、易切割、可塑性强的特点。

吸声海绵可分为开孔式和闭孔式两种，前者拥有较好的吸声效果，后者则适用于防水性要求较高的场合。

2.吸声板：通常由玻璃纤维或岩棉等制成，具有较好的吸声特性。

吸声板可以直接安装在墙壁或天花板上，减少声波的反射和传播。

其优点是稳定性好，不易变形，不易起灰等。

3.金属丝网和网眼：金属丝网和网眼通常用于建筑外墙或隔音设备的制造中。

其多孔结构可以在一定程度上吸收声波，并减少噪音的传播。

4.玻璃丝绒：玻璃丝绒是由玻璃纤维制成的材料，具有较好的吸音性能和耐高温性能。

它能够有效吸收低频声波，是汽车内饰、船舶隔音等领域的常用材料。

5.聚酯纤维：聚酯纤维是一种合成纤维材料，广泛用于各种吸声材料的制造中。

它具有较好的吸音特性，且价格相对较低，易于加工和安装。

声学中的声音的吸收和反射

声学中的声音的吸收和反射在声学中，声音的吸收和反射是两个重要的概念。

声音是一种能量的传播形式，当遇到不同的材料或物体时，会发生吸收或反射的现象。

本文将讨论声学中的声音的吸收和反射，并探讨其在实际生活中的应用。

一、声音的吸收声音的吸收是指声波遇到物体或材料时，一部分能量被转化为其他形式的能量，如热能或机械能。

吸收程度取决于物体或材料的吸声特性。

吸声特性与材料的密度、厚度、表面形态以及声波的频率有关。

1.1 影响吸声特性的因素- 材料的密度：一般来说，密度较大的材料更容易吸收声音。

例如，海绵具有较高的吸声特性，因为其多孔的结构可以让声音通过孔隙进入材料内部，并通过碰撞和摩擦转化为热能。

- 材料的厚度：通常情况下，材料的厚度越大，吸声效果越好。

这是因为较厚的材料可以提供更长的路径供声波传播，从而增加能量转化的机会。

- 表面形态：具有多孔结构或粗糙表面的材料能够更有效地吸收声音。

多孔结构可以增加声波与材料之间的接触面积，而粗糙表面可以分散声波，减少反射。

- 频率的影响：不同频率的声音在材料中的吸收能力也不同。

一般来说，低频声音更容易被吸收，而高频声音更容易被反射。

1.2 吸声材料的应用吸声材料在许多领域都有广泛的应用。

以下是几个常见的例子：- 建筑领域：吸声材料可以用于隔音墙、天花板、地板等，以减少建筑物内部的噪音污染。

例如，在音乐录音室中，使用吸声板可以减少噪音的反射，确保音质的清晰度。

- 汽车工业：吸声材料可以用于汽车内部，减少引擎噪音和路面噪音对车内的干扰。

许多车辆都采用了隔音玻璃、吸音毡等材料来提高乘坐舒适度。

- 工业设备：吸声材料可以用于减少机器设备的噪音，保护工作人员的听力健康。

例如，在发电厂或工厂中使用吸声罩来降低机器的噪音水平。

二、声音的反射声音的反射是指声波遇到物体或材料时，一部分能量以相同或不同的角度从物体表面反射回去。

反射程度取决于物体或材料的反射特性。

反射特性主要与物体或材料的表面形态和声波的入射角度有关。

高硅氧棉材料中多孔结构的声学性能研究

高硅氧棉材料中多孔结构的声学性能研究随着科技的发展，人们对材料的声学性能的研究越来越深入。

高硅氧棉材料是一种新型的多孔材料，具有较好的绝热和隔音性能。

本文将围绕高硅氧棉材料中多孔结构的声学性能展开研究。

首先，我们需要了解高硅氧棉材料的基本特性。

高硅氧棉材料是由硅酸盐纤维聚结而成的的多孔材料，具有轻质、柔软、耐高温和耐腐蚀等特点。

它的多孔结构可以有效地吸收声波，降低噪声传播。

在研究高硅氧棉材料的声学性能时，我们需要考虑多个因素。

首先是材料的孔隙率，孔隙率越高，材料的声学性能越好。

因为孔隙可以提高材料的吸声能力，使得声波能够更好地在材料内部传播和散射。

此外，孔隙的形状和分布也会对声学性能产生影响。

例如，具有高度连通的孔隙结构可以提高声波的传播效率，而分布较为均匀的孔隙可以增加材料的吸声面积。

其次，材料的密度也是影响声学性能的重要参数。

一般来说，密度较低的材料对低频声波的吸收效果更好，而密度较高的材料对高频声波的隔音效果更好。

这是因为低频声波的波长较长，容易在多孔结构中散射和吸收，而高频声波的波长较短，容易被多孔材料的表面反射和减弱。

此外，高硅氧棉材料的厚度也会对声学性能产生影响。

一般来说，材料的厚度越大，对声波的衰减效果越好。

这是因为声波需要在材料中进行多次的散射和吸收才能被有效地衰减。

因此，通过增加高硅氧棉材料的厚度，可以提高其声学性能。

除了上述因素外，环境温度和湿度也会对高硅氧棉材料的声学性能产生影响。

一般来说，温度和湿度的升高会使材料的声学性能下降。

因为高温和高湿度会使材料的孔隙失去活性，从而降低材料的吸声能力。

最后，我们还可以通过改变高硅氧棉材料的表面形态来提高其声学性能。

例如，增加材料的表面粗糙度可以增加声波的散射，从而增加吸声效果。

此外，可以在材料表面涂覆吸声薄膜，进一步提高其吸声能力。

综上所述，高硅氧棉材料中多孔结构的声学性能研究对于改善材料的吸声和隔音性能具有重要意义。

通过研究材料的孔隙率、孔隙形状和分布、密度、厚度以及环境条件等因素对声学性能的影响，可以为高硅氧棉材料的应用提供理论依据和技术支持。

吸声材料的吸声机理

吸声材料的吸声机理吸声材料是一种用于吸收噪音和减少声学反射的材料。

吸声材料的吸声机理主要有以下几种：1.声波的分散和散射：吸声材料的表面通常具有粗糙的结构，当声波通过材料表面时，表面的凹凸不平会导致声波的散射和反射。

由于声波被分散和散射，能量传播被削弱，从而减少声波的反射。

2.声波的吸收和转化：吸声材料通常由多孔隙的结构组成，孔隙中充满了空气或其他吸声材料。

当声波通过材料时，其能量会进入孔隙，由于孔隙中的空气分子与材料表面之间的摩擦、稀释和形变等机制，声能被转化为热能，从而实现吸声。

3.极化和共振：吸声材料表面的微观结构可以通过合适的设计和材料选择来实现极化和共振效应。

当声波到达吸声材料表面时，微观结构会与声波频率发生共振，吸收特定频率的声波能量。

此外，合适的材料选择还可以实现对特定频率范围的声波的极化，增加声波的能量损失，从而提高吸声性能。

4.衬底和吸收层：吸声材料通常由两个层面组成，分别是衬底和吸声层。

衬底层主要用于吸收和减少声波的反射，能够改变声波传播的路径和速度；吸声层则负责吸收声波能量，减少声波的传播。

常见的吸声材料如泡沫塑料、纤维板等就是由衬底层和吸声层组成。

在实际应用中，吸声材料通常具有特定的声学参数，如声学吸收系数、隔声量、衰减系数等。

这些参数可以通过测量声波在材料中传播时的反射和吸收情况得到。

总的来说，吸声材料的吸声机理是通过分散和散射声波、吸收和转化声波能量、极化和共振效应以及衬底和吸声层的作用来实现的。

不同的吸声材料可能采用不同的机理或相结合的机理来达到减少声波反射和吸收噪音的目的。

在实际应用中，根据具体的需求和场景，可以选择合适的吸声材料和结构设计来实现最佳的吸声效果。

帘幕吸声结构

帘幕吸声结构帘幕吸声结构是一种常用的声学材料，它通过其特殊的结构和材质，能够有效地吸收周围环境中的声音，达到降低噪音和改善声学环境的效果。

本文将从帘幕吸声结构的原理、应用领域和优点等方面进行详细介绍。

帘幕吸声结构的原理是基于声学中的吸声理论，通过材料的声学特性来实现对声音的吸收。

帘幕吸声结构通常由吸声材料、防火材料和装饰面板等组成。

吸声材料是帘幕吸声结构的核心部分，它具有较高的吸声系数，能够将声波能量转化为热能或其他形式的能量，从而减少声波的反射和传播。

防火材料则是为了保证帘幕吸声结构的安全性能，在遇到火灾等情况时能够起到一定的防护作用。

装饰面板则是为了美观和实用性考虑，通常采用各种颜色和纹理的材料进行装饰，以满足不同场所和需求的要求。

帘幕吸声结构广泛应用于各种场所和领域，如会议室、剧院、录音棚、音乐厅、电影院等。

在这些场所中，声音的清晰度和音质是非常重要的，帘幕吸声结构能够有效地降低噪音和回声，提高声音的传递效果和听觉体验。

同时，帘幕吸声结构也可以应用于工业环境中，如工厂车间、生产线等，能够减少噪声对工人的影响，提升工作环境的舒适度和安全性。

帘幕吸声结构的优点主要体现在以下几个方面。

首先，它具有良好的吸声效果，能够有效地降低噪音和回声，改善声学环境。

其次，帘幕吸声结构具有较高的安全性能，采用防火材料和防火处理工艺，能够在火灾发生时起到防护作用。

再次，帘幕吸声结构具有较好的装饰效果，通过选择不同的装饰面板，可以满足不同场所和需求的装饰要求。

此外，帘幕吸声结构还具有较高的适用性和可移动性，可以根据需要进行调整和移动，灵活性较高。

总结起来，帘幕吸声结构是一种重要的声学材料，它通过其特殊的结构和材质，能够有效地吸收周围环境中的声音，达到降低噪音和改善声学环境的效果。

在各种场所和领域中都有广泛的应用，具有良好的吸声效果、较高的安全性能、良好的装饰效果和较高的适用性和可移动性等优点。

帘幕吸声结构的发展和应用将进一步推动声学技术的发展，为人们创造更加舒适和宜居的环境。

亥姆霍兹共振吸声原理

亥姆霍兹共振吸声原理亥姆霍兹共振吸声原理是一种广泛应用于音响、建筑、机械等领域的吸声技术。

本文将分步骤阐述亥姆霍兹共振吸声原理。

一、亥姆霍兹共振器的结构与工作方式亥姆霍兹共振器是由一个盒子和一个孔组成的声学结构，它的结构图如下所示。

盒子有一个小孔，来自外界的声波通过小孔进入共振器中，与共振器内部的谐振波相互作用。

这种相互作用产生共振，使声波减弱或消失，从而实现吸声的效果。

二、亥姆霍兹共振器的吸声特性亥姆霍兹共振器的吸声特性与其内部孔的大小、孔的数量、盒子的体积和孔与盒子之间的距离有关。

在一定的声波频率范围内，共振器对声波的吸收程度最大。

当声波频率和共振器内的谐振频率相等时，共振效应最强，声波能被最大程度地吸收。

三、亥姆霍兹共振器的应用范围亥姆霍兹共振吸声原理广泛应用于音响、建筑、机械等领域。

例如，在音响系统中，为了消除强烈的回音，可以在空间里放置亥姆霍兹共振器，消除噪声；在建筑领域中，亥姆霍兹共振器常常被用于建筑外墙的隔音处理；在机械领域，亥姆霍兹共振器常被用于减少机器的噪声。

四、亥姆霍兹共振器的发展与前景随着人们对声学问题研究的深入，亥姆霍兹共振吸声原理得到了广泛的应用与发展。

研究人员正在探索如何通过调整共振器的孔的大小、形状和分布等因素，进一步改进共振器的吸声效果，使其适用于更广泛的领域。

在未来，亥姆霍兹共振吸声技术的发展将有望在音响、建筑、机械等领域发挥更为重要的作用。

综上所述，亥姆霍兹共振吸声原理是一种有效解决噪声问题的技术。

其吸声特性与应用范围的广泛，以及发展前景的广阔，都表明这是一种非常有前途的研究方向，值得我们认真探讨和深入研究。

小孔喷注型消声器的声学结构和机理特点及在吸声

小孔喷注型消声器的声学结构和机理特点及在吸声【关键词】小孔喷注阻抗复合型吸声消声喷阻岩棉一、前言中国科学院声学所的马大猷教授等学者，通过理论和实验研究，提出了小孔喷注控制噪声理论，其原理是将一个大的喷口，在保持相同排气量的前提下，改为许多小孔来代替，而小孔将高频声移到人耳不敏感的超声范围，从而达到降噪的目的。

小孔喷注消声器的消声量为［2］式中xA阻塞情况0、165D／DOD喷口直径(mm)，DO＝1mm。

当D≤1mm时，xA1，经变换可得［5］ΔL＝27、5－30lgD由此可见，在小孔范围内，孔径减半，可使消声量提高9dB，考虑到加工小孔的难易程度，一般选直径较小的小孔较为适宜。

如果孔径太大，小孔的消声效果很差。

如果小孔间距较小，气流通过小孔后还会再汇合成大的喷注，从而使消声效果变差。

为此，小孔喷注时孔的中心距应取小孔的孔径倍(喷注前主压越高，孔中心距就要越大)，而孔中心距的最低值为式中d小孔直径。

为了使排气通畅，考虑到小孔的阻尼作用，建议将消声器的开孔通流面积设计为排气阀通流面积的多倍。

综上所述，对小孔喷注消声器来讲，要使其具有一定的降噪效果，又不影响气动装置的正常工作，消声器的孔径、孔距、孔数3个关键参数一定要把握好。

而调研中发现，很多工厂所用的消声器这3个关键参数总有部分不满足要求。

如图2所示为某厂所生产的空气分配阀用消声器，周向孔距为44、5mm，轴向孔距为13mm，孔数为48个。

孔径d＝2、3mm 在1～3mm之间；孔距b在周向与孔径d之比为b／d＝19、3，在轴向b／d＝5、6，因此，在轴向的孔距偏小一点；该空气分配阀的通径D＝15mm，按照前述的设计原则，小孔的总面积应为阀通流面积的多倍。

这样，经计算可知，图2所示的消声器会造成排气不通畅现象发生，而该消声器在实际使用中，确实存在排气不畅的问题，加之孔轴向间距偏小，孔径2、3mm偏大，造成实际降噪量只有7dB，这两方面缺点共同作用的结果，导致操作工人在实际中常常将其拆掉不用。

吸声和隔声的原理及应用

吸声和隔声的原理及应用吸声原理吸声是指通过某些材料或结构来减轻声波的反射和传播，从而达到减少噪音的目的。

吸声的原理主要包括以下几点：1.材料吸音特性：吸声材料通常具有较高的孔隙度和表面积，能够将入射声波转化为内部能量，并通过材料内部的摩擦、扭转等机制将声能转化为热能，从而实现吸声效果。

2.多层结构：吸声材料往往采用多层结构，通过不同布局和密度的材料层次，能够有效地扩大吸声频带，提高吸声效果。

3.几何形状：吸声材料的几何形状也影响着吸声效果。

常见的吸声材料形状包括泡沫、纤维等，这些形状能够散射声波并对其产生吸收作用。

吸声应用吸声技术在多个领域有着广泛的应用。

以下是吸声技术在一些重要领域的应用示例：1.建筑工程：吸声技术在建筑工程中被广泛应用于改善室内的声学环境。

例如，在会议室、录音棚等需要较低噪音的场所，常常使用各种吸声材料进行隔音处理，以便提供更好的声音传播效果。

2.交通工具：吸声材料在汽车、火车、飞机等交通工具中的应用也非常常见。

例如，汽车内部采用吸音材料可以减少驾驶过程中的噪音干扰，提高乘坐舒适度和安全性。

3.电子设备：在电子设备中，吸声材料可以减少电子设备工作过程中产生的噪音，提高设备的可靠性和使用体验。

常见的应用包括电脑机箱、手机等。

隔声原理隔声是指通过隔离材料或结构来减少声波的传播，从而达到阻止噪音传递的目的。

隔声的原理主要包括以下几点：1.材料密度：密度较高的材料对声波具有较好的隔声效果。

这是因为高密度的材料比低密度的材料具有更好的质量和振动阻尼能力，能够有效地阻止声波的传播。

常用的隔声材料包括混凝土、砖墙等。

2.隔声结构：合理的隔声结构可以通过多层、不同密度的隔声材料来增加隔声效果。

例如，采用夹层玻璃窗可以有效隔绝室外噪音的传入。

3.隔声缝隙：缝隙是声波传播的通道，适当的填充缝隙能够减少声波的传播。

例如，在建筑工程中，地板与墙体之间的缝隙可采用防振垫等隔声材料填补，以减少噪音的传递。

吸声材料的分类和声学性质

吸声材料的分类和声学性质当声波入射到材料表面时，部分声能将被材料吸收，使反射的声能小于入射声能，这即为材料的吸声，材料吸声能力的大小均用吸声系数(α，﹪)来表征。

严格讲，任何材料都有一定程度的声吸收，所谓吸声材料是指那些具有相当大的吸声性能、专门用作吸声处理的材料，一般把吸声系数α大于0.3的材料称为吸声材料。

吸声材料(或结构)通常按吸声的频率特性和本身的构造分为两大类：(1)按吸声的频率特性分类：可分为低频吸声材料、中频吸声材料和高频吸声材料三类；(2)按材料本身的构造分类：可分为多孔性吸声材料和共振吸声材料两类。

一般来说，多孔性吸声材料以吸收中、高频声能为主，而共振吸声结构则主要吸收低频声能。

以下分别对材料(或结构)的吸声机理和吸声特性作概要的介绍；1多孔性吸声材料(1)材料的构造特性和吸声机理顾名思义，多孔吸声材料就是有很多孔的材料，其主要构造特征是材料从表面到内部均有相互连通的微孔。

吸声材料的主要吸声机理是当声波入射到多孔材料的表面时激发起微孔内部的空气振动，空气与固体筋络间产生相对运动，由于空气的粘滞性在微孔内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，使得声能被衰减；另外在空气绝热压缩时，空气与孔壁之间不断发生热交换，也会使声能转化为热能，从而被衰减。

从上述的吸声机理可以看出，多孔性吸声材料必须具备以下几个条件：l材料内部应有大量的微孔或间隙，而且孔隙应尽量细小且分布均匀；l材料内部的微孔必须是向外敞开的，也就是说必须通到材料的表面，使得声波能够从材料表面容易地进入到材料的内部；l材料内部的微孔必须是相互连通的，而不能是封闭的。

(2)影响多孔性吸声材料吸声特性的因素从多孔性吸声材料本身的结构可以看出，主要有以下几个因素影响其吸声特性：l流阻：流阻的定义是空气质点通过材料空隙中的阻力。

流阻低的材料，低频吸声性能较差，而高频吸声性能较好；流阻较高的材料中、低频吸声性能有所提高，但高频吸声性能将明显下降。

多孔吸声材料吸声机理及相关参数

错误认识二：内部存在大量孔洞的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。
3.3 影响多孔吸声材料吸声系数的因素
多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能。影响多孔吸声材料吸声特性主要是材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。
密度：每立方米材料的重量。孔隙率：材料中孔隙体积和材料总体积之比。结构因子：反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况，
3.6 吸声在建筑声学中的应用举例
3.6.1 室内音质的控制
玻璃棉产品可以制成吊顶板、贴墙板、空间吸声体等，在建筑室内起到吸声作用，降低混响时间。
一般地，房间体积越大，混响时间越长，语言清晰度越差，为了保证语言清晰度，需要在室内做吸声，控制混响时间。如礼堂、教室、体育场，电影院。
对音乐用建筑，为了保证一定丰满度，混响时间要比长一些，但也不能过长，可以使用吸声控制。
3.1 吸声系数与吸声量
吸声系数定义：=(E总-E反）/ E总，即声波接触吸声介面后失去能量占总能量的比例。吸声系数小于1。
同一吸声材料，声音频率不同时，吸声系数不同。一般常用 100Hz-5000Hz的18个1/3倍频带的吸声系数表示。
有时使用平均吸声系数或降噪系数粗略衡量材料的吸声能力。平均吸声系数：100Hz-5000Hz的1/3倍频带吸声系数的平均值降噪系数（NRC)：125Hz/250Hz/500Hz/1000Hz吸声系数的平均
第三章吸声材料与吸声结构
吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。
吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。
吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板吊顶。
在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面。

不同温度下纤维多孔金属材料吸声性能研究

不同温度下纤维多孔金属材料吸声性能研究不同温度下纤维多孔金属材料吸声性能研究引言随着工业化进程的推进，噪音污染愈发突出。

为了降低噪声对人们健康和工作环境的影响，吸声材料的研究与应用日趋重要。

纤维多孔金属材料作为一种新型吸声材料，具有结构合理、吸声性能优越的特点，因此备受研究者们的关注。

然而，目前对于不同温度下纤维多孔金属材料吸声性能的研究还较为有限。

本文旨在探索不同温度对纤维多孔金属材料吸声性能的影响，以期为相关领域的研究提供一定的参考依据。

1. 纤维多孔金属材料的制备和特性1.1 制备方法纤维多孔金属材料的制备包括两个主要步骤：纤维织构和金属浸渍。

常用的纤维织构方法有模板法、泡沫法、膜法等，金属浸渍可采用化学浸渍、电化学沉积等方式进行。

1.2 特性介绍纤维多孔金属材料具有结构独特性和多孔性能，其结构可以通过改变纤维形貌和孔隙大小等参数来调控。

由于纤维的细长形态，纤维多孔金属材料能够实现高度开放孔隙结构，有利于声波的吸收与传播。

2. 不同温度下纤维多孔金属材料的吸声性能研究2.1 实验设计本实验选取了几种常见的纤维多孔金属材料样品，通过声学实验仪器对其吸声性能进行测试。

在实验中，我们设置了一系列的温度条件，包括低温、常温和高温，并记录下每种温度下的吸声系数。

2.2 实验结果实验结果显示，在不同温度下，纤维多孔金属材料的吸声性能有所差异。

在低温下，吸声性能表现较差，可能与材料的强度和柔韧性变化有关。

在常温下，纤维多孔金属材料的吸声性能最佳，吸声系数较高。

而在高温下，由于纤维材料的烧结和金属的变形，吸声性能明显下降。

3. 影响因素分析及改进措施3.1 纤维织构对吸声性能的影响纤维织构中细丝的表面形貌和纤维之间的空隙大小对吸声性能有较大的影响。

对于纤维多孔金属材料，采用更合适的纤维织构方法可以进一步提高吸声性能。

3.2 热膨胀系数差异的影响纤维多孔金属材料的热膨胀系数与温度有关，不同材料的温度响应也不同，这将对吸声性能产生较大影响。

吸声、隔声材料和结构浅说

吸声、隔声材料和结构浅说吸声、隔声材料和结构浅说2010-09-0209:59室内装修已成为一项独立的产业，大大小小的装饰装璜公司像雨后春笋，遍地林立。

不少装璜公司，以新风格、新材料、新工艺给室内建筑装修带来新面貌，达到了新水平。

在很多情况下，室内装修有一定的声学要求。

不仅是各类剧院、体育场馆和歌舞厅以及与声学有关的录音室、演播室等专业用房本身有一定的声学技术指标，而且凡是公共场所，一般都需要传播语言或音乐，即使是家庭用房现在也需要有良好的音乐欣赏环境。

所以室内装修工程必须重视声学要求。

如果忽视这一点，极有可能造成不良后果。

例如有一水上健身娱乐场所，地面基本上都是水面，上空是一大玻璃圆穹项，由于没有声学设计，致使厅内混响时间特别长，当有文娱表演时连报幕的话也听不清。

再如有的走廓或门厅，做得富丽堂皇、金碧辉煌，但即使是普通的谈话声或背景音乐，也在空间内久传不衰，形成令人烦恼的干扰噪声。

造成音质差的主要原因是没有科学的声学设计。

不少装饰工程公司本身没有合格的声学设计人员;有的一开始邀请声学专家做设计，以后自以为有了"经验"，便大胆地把设计也承包了;有的是东抄西袭，以为找到了人家的奥秘，你做软包，我也搞软包，你用穿孔板，我也做穿孔板，实际上没有掌握真正的声学要求;也不排除有的工程技术人员懂得一些声学知识，但并不精于室内声学的原理和实践，做出了并不合格的声学装修设计。

室内声学设计是一门系统学科，涉及面较广，本文只就与室内装饰有关的吸声和隔声的材料和结构方面的知识作简单介绍，希望装饰工程人员和业主对声学材料和结构有所了解，能够理解声学设计为什么作这样那样的处理，从而使装饰工程在美观和声学要求上达到完美的统一。

1.吸声与隔声的基本概念首先要明确吸声与隔声是完全不同的两个声学概念。

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)，这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。

新型声学阻尼材料研究与应用

新型声学阻尼材料研究与应用声学阻尼材料是一种用于减少声波反射和传播的材料。

随着科技的发展和人类对环境噪音的敏感性增加，研究和应用新型声学阻尼材料的需求也日益提高。

本文将探讨新型声学阻尼材料的研究进展和应用前景。

声学阻尼材料的研究旨在减少声波的反射和传播。

传统的声学材料，如泡沫塑料和纤维材料，已被广泛应用于吸音和隔音领域。

然而，这些材料的阻尼效果有限，对特定频率的声波效果不佳。

因此，科研人员开始着重研究新型声学阻尼材料，以提高声波的吸收和传播效果。

一种新型声学阻尼材料的研究重点在于材料的结构和组成。

例如，许多研究人员使用微孔结构和多重层次组织来增强材料的阻尼效果。

通过精确设计材料的孔隙结构和层次组织，能够有效地控制声波的传播路径，并使其在材料内部发生多次反射和散射，从而达到阻尼的效果。

此外，利用纳米技术制备的新型声学阻尼材料也成为了当前研究的热点。

纳米材料具有较高的比表面积和特殊的物理性质，在声波的吸收和传播方面表现出良好的性能。

比如，纳米颗粒的加入可以增加声学阻尼材料的阻尼性能，使材料具有更好的吸声效果。

此外，纳米材料还可以通过调节其形貌和尺寸，实现对声波传播特性的精确控制。

除了研究，新型声学阻尼材料的应用也呈现出广阔的前景。

在建筑领域，声学阻尼材料可以应用于隔音墙、吸声板等结构，帮助减少噪音对室内环境的干扰。

特别是在高速公路和机场等噪音污染较为严重的地区，声学阻尼材料的应用能够有效改善人们的生活质量。

除了建筑领域，新型声学阻尼材料还可以在航空航天工业中发挥重要作用。

飞机发动机和舱内的噪音是航空器运行过程中不可忽视的问题。

通过引入新型声学阻尼材料，可以减少噪音的传播，提高乘客和机组成员的舒适度。

此外，声学阻尼材料还可以应用于船舶制造，减少舰船发动机和舰艇设备产生的噪音，保护海洋环境，降低对海洋生物的影响。

总之，新型声学阻尼材料的研究和应用为减少噪音干扰、改善生活环境和提高人们的生活质量提供了新的途径。

新型吸声材料及吸声模型研究进展

文章编号:1001-9731(2020)05-05013-07新型吸声材料及吸声模型研究进展*梁李斯,郭文龙,张宇,李林波,杜金晶,刘漫博,臧旭媛(西安建筑科技大学冶金工程学院,西安710055)摘要:首先简要介绍了吸声材料的分类及其原理并总结归纳了部分传统吸声材料,发现其虽然有较好的吸声效果,但仍存在以下问题:(1)容易产生二次污染;(2)使用寿命短;(3)应用范围受到限制;(4)部分材料造价成本过高等㊂针对传统吸声材料存在的弊端,探讨了以泡沫铝及其复合结构㊁纤维复合吸声材料㊁颗粒复合吸声材料㊁多孔-共振结构㊁高分子吸声材料为代表的新型吸声材料的特点及发展现状㊂分析了以圆管理论为基础的多孔材料的吸声模型㊂从原料,价格,性能等方面综合考量,新型吸声材料比传统吸声材料更具有优势,因此材料来源更加广泛㊁价格更加低廉㊁更加环保是未来吸声材料的发展趋势㊂关键词:吸声材料;多孔吸声;共振吸声;复合吸声;吸声模型中图分类号: T B34T B535文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2020.05.0030引言声学的发展历史悠久,18世纪提出声学的波动理论,19世纪末20世纪初W.C.S A B I N E提出混响时间理论,20世纪初塞宾提出混响公式,该公式表明混响时间近似与房间体积成正比,与房间总吸声量成反比,使礼堂,剧院的设计有迹可循,而吸声材料首先就应用于室内用来控制混响时间[1-2]㊂早期最常用的是有机植物纤维吸声材料,但植物纤维有许多缺点:吸声系数低,易燃,使用范围小㊂在20世纪30年代,玻璃纤维成功开发,由于其优异的吸声性能,被广泛应用于声学领域[3]㊂我国吸声材料的发展主要从上世纪20年代至30年代开始,主要是使用进口的甘蔗板和软质木纤维板来吸声,60年代以后玻璃纤维和石棉材料逐渐替代有机植物纤维,70年代以后,随着经济的发展,噪声污染成为公害,引起各方的重视,随后各种吸声材料相继被研发应用㊂目前,吸声材料仍存在很多问题,如污染严重,耐高温性弱,使用寿命短等问题㊂但泡沫铝及其复合结构的应用,使吸声材料的耐高温性,使用寿命,产生污染等方面的问题得到了有效的解决;纤维复合吸声材料有效解决了传统吸声材料耐火,耐潮等方面的问题㊂为了更好的了解如今吸声材料的发展,介绍了吸声材料的分类及其原理并总结归纳了部分传统吸声材料以及分析了以圆管理论为基础的多孔吸声材料模型㊂1吸声材料分类及其原理吸声材料根据其吸声机制的不同,一般分为两大类,即多孔吸声材料和共振吸声材料㊂1.1多孔吸声材料的吸声原理多孔吸声材料的吸声原理就是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,使温度升高;而膨胀区的体积变大,相应的温度也降低,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区,发生热量的交换,使声能转化为热能而耗散掉㊂从而被衰减[4]㊂1.2共振吸声材料的吸声原理共振吸声结构即亥姆霍兹共振结构,当入射声波的频率接近共振器的固有频率时,孔径的空气柱会产生强烈的振动,在该振动过程当中,由于克服摩擦阻力而消耗声能,但当入射声波的频率远离共振器的固有频率时,共振器振动很弱,消耗的声能很少,声吸收作用很小,因此共振吸声材料吸声时入射声波的频率要接近共振器的固有频率[5]㊂图1亥姆霍兹共振器F i g1H e l m h o l t z r e s o n a t o r根据这两种吸声机制,分述传统和新型吸声材料如下㊂2传统吸声材料2.1多孔吸声材料2.1.1纤维吸声材料传统的纤维吸声材料包括无机纤维吸声材料,有31050梁李斯等:新型吸声材料及吸声模型研究进展*基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(51404187)收到初稿日期:2019-12-02收到修改稿日期:2020-01-24通讯作者:梁李斯,E-m a i l:44406200@q q.c o m 作者简介:梁李斯(1983 ),女,内蒙古呼伦贝尔人,副教授,博士,主要从事泡沫铝及其吸声性能方面的研究㊂图2声波入射至吸收材料的传播途径F i g2T h ew a y o f t h e p r o p a g a t i o no f s o u n dw a v e s t ot h e a b s o r b i n g m a t e r i a l机纤维吸声材料和金属纤维吸声材料㊂其中无机纤维吸声材料主要包括岩棉,玻璃棉等无机纤维材料,其优点是具有良好的吸声性能且质量轻,不易燃,不易老化等㊂但是由于其脆性较大容易导致断裂,并且受潮后吸声性能严重下降,容易造成环境污染等一系列缺点,导致其使用范围受到很大限制㊂有机纤维材料主要为植物纤维制品和化学纤维,植物纤维主要有棉麻纤维,毛毡,甘蔗纤维板等,化学纤维主要有晴纶棉,涤纶棉等㊂其优点是这些材料在中高频范围内有良好的吸声性能㊂但其,防火,防腐,防潮等性能非常差,因此适用范围很小[6]㊂金属纤维吸声材料主要为不锈钢金属纤维和铝纤维,其优点是强度高,防火性好,环境适应性强,散热性强等,但其缺点是造价成本高[7]㊂2.1.2泡沫吸声材料传统泡沫材料有泡沫塑料,泡沫玻璃等㊂泡沫塑料种类繁多,主要有聚氨酯泡沫塑料,脲醛泡沫塑料,酚醛泡沫塑料等,这些泡沫塑料大多为闭孔型,主要用于保温绝热,只有少量开孔型泡沫塑料可用于吸声,如脲醛泡沫塑料,软质聚氨酯泡沫塑料㊂其优点是价格较低,不易老化㊂但其具有不防火,燃点低,吸水性强,强度低,且容易对环境造成污染等缺点㊂泡沫玻璃是以玻璃粉为原料,加入发泡剂以及其他外掺剂经高温焙烧而成㊂其优点是质量轻,不易燃,不易老化,无气味等,其缺点是强度较低,吸声系数较低[8-9]㊂2.1.3颗粒吸声材料颗粒状原料如珍珠岩,蛭石,矿渣等,由于颗粒之间形成的间隙,加上一定的厚度,使其具有多孔吸声材料的性能㊂有膨胀珍珠岩吸声板,陶土吸声砖等产品,其优点是耐潮,防火,耐腐蚀等,其缺点是用途单一,主要用于建筑吸声材料[10]㊂2.2共振吸声材料2.2.1穿孔板共振吸声结构材料在各种薄板上穿孔并在板后设置空气层,可以组成穿孔板共振吸声结构㊂一般胶合板,纤维水泥板以及钢板,铝板均可以作为穿孔板结构的面板原料㊂其缺点是声阻过小,不做处理时吸声频带较窄㊂穿孔铝板和穿孔钢板应用最为广泛[9]㊂2.2.2薄板共振吸声结构材料在周边固定在框架上的金属板等后,设置适当厚度的封闭空气层,使其形成一个共振系统,在系统共振频率附近具有较大的吸声作用[11]㊂针对传统吸声材料的存在的弊端,研究者们不断探索具有更优良性能的吸声材料,新型吸声材料应运而生㊂3新型吸声材料3.1泡沫铝及其复合结构泡沫铝作为新型吸声材料,根据孔型结构的不同,泡沫铝材料又分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝㊂其中开孔泡沫铝孔与孔之间由孔棱连接,互相连通,通气性好,因此具有很好的换热散热能力㊁吸声能力等;闭孔泡沫铝孔与孔之间除了孔棱连接,还有孔壁连接,且孔型为近似球形的圆孔,孔隙率高㊁比表面积大,因此闭孔泡沫铝具有优异的力学性能㊁吸声性能㊁隔声性能和电磁屏蔽性能等㊂泡沫铝具有优良的吸声㊁隔声㊁电磁屏蔽性能㊁不燃㊁不易氧化㊁不易老化㊁回收再利用性强等优点,但其低频段吸声效率低,因此需要泡沫铝进行一系列处理㊂对于开孔泡沫铝,将其与一定厚度的铝板制成复合板,可大大提高其低频段吸声性能[12]㊂赵长银[13]以开孔泡沫铝为基体,向其内部孔洞填充聚氨酯材料,得到泡沫铝-聚氨酯复合材料,大大改善了开孔泡沫铝的吸声降噪性能㊂对于闭孔泡沫铝,由于其孔型结构,导致吸声效果不理想,因此对其进行打孔处理,并在背后填加空腔,使之形成亥姆霍兹共振结构,从而提高其吸声系数[14],其原理如图3所示㊂对于闭孔泡沫铝,为了提高闭孔泡沫铝吸声性能,可采用双层闭孔泡沫铝板复合结构,该复合结构对吸声系数的提高和主吸声频段范围的扩大都是很有利的;还可以采用闭孔泡沫铝板与玻璃棉复合结构,该复合结构随着玻璃棉厚度的增加,低频吸声系数整体得到提高,但该结构由于玻璃棉存在环境污染问题,适用范围不广;也可以在闭孔泡沫铝吸声板表面覆盖软质吸声布来增强吸声性能㊂图3打孔闭孔泡沫铝共振吸声结构及通孔内壁结构F i g3R e s o n a n c es o u n d a b s o r p t i o n a n dt h r o u g hh o l e s t r u c t u r e o f p u n c h e d c l o s e d-c e l l a l u m i-n u mf o a m3.2纤维吸声复合材料传统的有机纤维在中高频范围有良好的吸声性能,低频段吸声性能很差,且防火,防腐,防潮性能非常差,因此P a t n a i k等研究发现,将废羊毛纤维与再生聚410502020年第5期(51)卷酯纤维(R P E T)进行复合得到R P E T/废羊毛纤维复合材料,该材料具有良好的绝缘㊁隔热㊁防火㊁吸声㊁防潮性能和生物可降解性[15]㊂传统的无机纤维虽然具有良好的吸声性能,但是其脆性大容易断裂,受潮后吸声性能下降严重,周博等[16]研制了硅藻泥-草梗复合多孔吸声材料,该材料具有密度低,质量轻,可净化空气等优点,在中低频范围有良好的吸声效果,可使适用于电影院,房窝住宅区内等对吸声降噪要求较高的场所㊂余海燕[17]等设计了水泥-木梗纤维复合多孔吸声材料,该复合材料大大提高了木梗纤维材料的强度和吸声能力,并探究了影响该复合材料吸声能力的影响因素㊂K u c u k等[18]设计了不同比例多种纤维混合制成的非织造吸声复合材料,70%棉纤维和30%涤纶纤维混合制得的非织造复合材料在中高频段有较好的吸声系数㊂为了使中低频段具有较好的吸声性能,加入腈纶和聚丙烯纤维的棉/涤纶吸声复合材料㊂Y u等[19]利用热压法将热塑性聚氨酯与废弃涤纶纤维进行复合,使其成为机械性能优异的纤维复合材料,该材料钻孔后制成多孔板,并附上涤纶织物,使其具有良好的吸声性能㊂Y u x i aC h e n等[20]研制了丝瓜纤维复合多孔吸声材料,如图4所示,该研究使用废弃的丝瓜屑和环保的聚酯纤维为原料,制成的丝瓜纤维复合吸声材料不仅具有良好的吸声性能,还具有良好的缓冲性能和吸湿消湿性能,并且由于丝瓜废料的燃烧会造成严重的环境污染,因此该吸声材料可有效抑制环境污染㊂李婷婷等[21]研制了竹粉,木粉纤维-聚氨酯泡沫塑料复合多孔吸声材料,竹粉,木粉原料易获得且价格低廉,可回收无污染,经实验得出竹粉-聚氨酯复合材料在1 000H z左右处吸声效果较好,木粉-聚氨酯吸声材料在4000H z左右吸声效果较好,吸声系数可达到0.87㊂赵心一等[22]将玉米皮纤维与聚乳酸复合制备了玉米皮纤维-聚乳酸吸声复合材料,当在该材料上添加一层3mm的麻毡及留有两层共1c m空气层时,吸声性能最好,可达0.95㊂传统的金属纤维造价成本高,杨富尧等[23]以铝纤维㊁铝箔㊁铝板网为原料制备不同结构参数的铝纤维吸声复合材料,使材料在中低频段具有优异的吸声性能,并大大降低了成本㊂为了解决吸声材料吸声与散热不能同时兼顾的问题,王广克等[24]制备了氧化镁-聚醚醚酮复合材料,通过该材料对吸声材料进行处理㊂他们使用氧化镁-聚醚醚酮复合材料对玻璃棉进行处理,对玻璃棉的吸声性能基本没有影响,但大大提高了玻璃棉的散热能力㊂针对小空间内的消声问题,王建忠等[25]制备了厚度为2mm的不锈钢纤维多孔材料,然后将该材料与穿孔板,金属薄板复合,改结构显著扩宽了吸声频带,提高了吸声性能㊂3.3颗粒复合吸声材料水泥基吸声材料具有多孔结构,因此其具有优异的吸声性能,以水泥浆覆盖珍珠岩颗粒制备了含有纤维和发泡多孔结构的水泥基吸声材料[26],其成本价格低廉,加工方法简单,属于绿色环保型吸声材料㊂水泥-聚苯颗粒材料以水泥作为胶凝材料,聚苯颗粒为骨料,聚丙乙烯纤维和可再分散乳胶粉为增韧材料而制成的吸声材料,被广泛应用于建筑吸声材料[27]㊂为了减小工业废渣造成的资源浪费和环境污染㊂孙朋等[28]以转炉钢渣为主要原料,掺加黏土,长石等陶瓷材料,制备了钢渣基陶瓷多孔吸声材料,该材料不仅具有优异的声学性能,并且具有优异的力学性能㊂李云涛等[29]以工业固废镍铁渣为基本原料,制备出镍铁渣聚合微粒吸声材料,该材料在中低频吸声性能优异,能够解决交通运输噪音污染㊂3.4多孔-共振复合吸声材料张会萍等[30]提出亥姆霍兹共振吸声结构附加多孔吸声材料的新型吸声结构,对其进行理论分析和仿真计算后,发现该结构的吸声性能得到了显著的提高,并且拓宽了原本的吸声频带范围㊂龚凡等[31]建立了由穿孔板及吸声材料构成的双层阻抗复合吸声结构,由外层穿孔板,外层吸声材料,内层穿孔板及内层吸声材料组成,显著增大吸声频带范围,提高吸声性能㊂3.5高分子吸声材料高分子材料作为新型材料适用于各行各业,其中一些高分子材料可作为性能优异的吸声材料㊂李栋辉[32]将石墨烯与聚氯乙烯进行复合得到石墨烯-聚氯乙烯隔声材料,以聚氨酯为发泡基体,与硅藻土进行复合制备硅藻土-聚氨酯发泡吸声材料,然后将单层吸声材料置于两层隔声材料之间,组合成层状结构材料,大大提高了吸声降噪能力㊂公晋芳[33]制备出硅藻土-聚丙烯复合吸声材料,该材料吸声机理为薄板振动与多孔吸声相结合,吸声性能优异,最佳吸声系数可达0.85㊂一般的吸声材料包括高分子吸声材料都存在吸声频段较窄的现象,赵宗煌[34]将聚苯胺,聚吡咯,八羧基酞菁铜三忠导电聚合物与石墨,环氧树脂,聚酰胺树脂,N-甲基吡咯烷酮等混合后用球磨机制成浆液,然后将其涂覆在载体上,制成尤其在低频段吸声效果好并且吸声频段宽的薄膜材料㊂为了更好的了解和制备新型吸声材料,人们开始建立吸声材料模型,以下介绍了部分新型吸声材料模型以及其建立的目的㊂4新型吸声材料模型为了更好的了解和制备新型吸声材料,人们开始建立吸声材料模型,以下介绍了部分新型吸声材料模型以及其建立的目的㊂伴随着新型吸声材料的出现,吸声模型也不断涌现㊂吸声材料模型的研究与建立,对吸声材料的设计,应用提供了理论支持和研究基础㊂针对多孔性骨架为刚体的吸声材料,圆管理论模型及基于圆管理论的J C A模型得到广泛应用,本节介绍了部分基于圆管理论模型的吸声材料模型㊂51050梁李斯等:新型吸声材料及吸声模型研究进展图4多孔材料的构造F i g4S t r u c t u r e o f t h e p o r o u sm a t e r i a l s图5圆柱形孔示意图F i g5S c h e m a t i c d i a g r a mo f c y l i n d r i c a l h o l e4.1泡沫铝吸声材料模型曹曙明等[35]采用R a y l e i g h-K i r c h h o f f圆管模型考虑粘滞损耗和热传导,建立了一个适用于泡沫铝吸声性能的理论模型,分析了两种背衬(刚性和空腔)条件下,静态流阻对泡沫铝吸声性能的影响,结果表明,通过控制静态流阻的大小,可得到最佳的吸声系数㊂段翠云等[36]采用多孔材料吸声J o h n s o n-A l l a r d模型来计算泡沫铝的吸声系数,但是该模型在声波频率超过3500H z后,计算结果与实验数据偏差较大,因此引入修正因子e指数以扩宽模型对声波频率的适用范围,经验证,引入该修正因子后,计算结果与实验数据基本一致㊂4.2纤维吸声材料模型沈岳等[37]采用多孔吸声材料圆管理论,以活性碳纤维内部微小通道为基础,建立了活性碳纤维材料的吸声理论模型,经对比分析发现,计算结果与实验数据基本一致㊂因此该模型是可行的,为设计和研发活性碳纤维吸声材料提供了理论依据㊂B e r a r d i等[38]采用D e l a n y-B a z l e y模型,能够最准确地预测合成纤维声阻抗和传播常数定律㊂他们还发现将该理论吸声模型应用于天然纤维吸声材料的预测时准确性并不高,这是因为与合成吸声纤维相比,天然吸声纤维具有更不规则的截面㊂4.3其他材料模型刘鹏辉等[39]采用了多孔吸声材料的圆管理论模型,具体分析了孔隙率㊁孔径㊁厚度等对多孔材料吸声性能的影响,该模型的建立对实际多孔材料的设计有着非常重要的意义㊂陈文炯等[40]采用Z w i k k e r& K o s t e n模型和S t i n s o n模型,利用表面阻抗法和传递矩阵法研究圆柱形孔多孔金属材料与结构的声传播特性,并建立了声能吸收率与孔的尺寸和孔隙率之间的推导公式,根据该模型可得到一种较高吸声性能的多孔吸声结构㊂刘新金等[41]采用了多孔吸声材料的圆管理论模型,利用声波在分层介质中的传播方程,得出不同吸声材料复合而成的多孔吸声结构吸声系数的推导计算公式,着重分析了由多孔吸声材料复合而成的双层吸声结构的吸声能力与内外层材料的厚度㊁孔隙率㊁微孔半径变化之间关系,由结果表明,分层吸声结构具有优异的吸声能力,为多层吸声材料复合结构的应用和设计提供了研究基础㊂D u a nC u i y u n等[42]采用D e l a n y-B a z l e y模型和J o h n s o n-A l l a r d模型对高温烧结多孔陶瓷的吸声特性进行研究,结果表明,相比玻璃棉和多孔沸石,多孔陶瓷具有更好的吸声能力㊂5结论吸声材料具有非常广泛的应用前景,但传统吸声材料有许多缺点,比如使用寿命短,产生二次污染,性能不稳定等㊂新型吸声材料的出现在一定程度上弥补了传统吸声材料的不足㊂其中纤维吸声复合材料相较于传统纤维吸声材料,其吸声系数大大提高,很多可达到0.8以上,很大程度上弥补了传统纤维吸声材料在应用范围所受到的限制,泡沫铝及其复合结构由于其优异的性能以穿孔闭孔泡沫铝及其复合结构,开孔泡沫铝及其复合材料被应用到道路㊁汽车消声等各个领域㊂吸声材料模型主要是多孔性材料,因此刚性骨架的圆管理论模型及基于圆管理论的J C A模型得到众多学者的应用㊂随着如今对吸声材料的更高要求,未来吸声材料的发展必然集多种功能于一体,这类吸声材料不仅要具有优异的吸声,降噪,阻尼等性能,还必须具有隔热,阻燃,防火,耐腐蚀等一些防护功能,部分还要具有外观要求,以满足其应用领域的要求㊂参考文献:[1] S u n X u d o n g,W a n g P e n g.T h er e s e a r c ha n d p r o s p e c to fs o u n da b s o r b i n g m a t e r i a l s[J].J o u r n a lo fS c i e n t i f i ca n dT e c h n o l o g i c a lI n n o v a t i o n,2019(5):151-152(i 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材料的声学性研究评估材料的声音传导和吸声特性的性能

材料的声学性研究评估材料的声音传导和吸声特性的性能声学性学科研究的是材料的声学特性，包括声音的传导和吸声能力。

这些特性对于建筑设计、音频工程和环境噪音控制等领域具有重要意义。

本文将介绍声学性的研究方法，并评估不同材料的声学性能。

一、声音传导研究声音传导是指声波在材料中的传播过程。

不同材料对声音的传导有不同的影响，如金属和玻璃等硬质材料能够快速传导声音，而纤维材料和软质材料则具有较好的隔音效果。

研究声音传导可以通过测量材料的声传递损失来评估。

声传递损失是指声波通过材料时的声能损失程度，可以用来判断材料的声音隔离能力。

常见的评估方法包括声波传输实验和声学特性测试仪器。

二、吸声材料的性能评估吸声材料用于吸收声音，减少噪音的反射和回声。

吸声材料的性能评估主要包括两个方面：吸声系数和材料的结构。

吸声系数是评估材料吸声性能的重要指标。

吸声系数范围从0到1，数值越大表示材料对声波的吸收能力越强。

常用的评定吸声系数的方法包括法国梅恩法和声学室测试。

材料的结构对吸声性能也有很大的影响。

纤维材料的表面形状和密度可以改变声波的传播路径，从而提高吸声效果。

此外，多层复合材料和空气隔层也可以有效提高吸声效果。

三、常见材料的声学性能评估1. 隔音玻璃：隔音玻璃是一种具有优异声隔离性能的建筑材料。

它由两层或多层玻璃板之间的密封腔隔开，腔内填充有吸声材料。

隔音玻璃的声音传导损失较小，能够有效隔离噪音。

2. 吸音板：吸音板是一种常见的吸声材料，常用于会议室、音乐厅和录音棚等场所。

它的表面通常采用多孔材料，能够有效吸收声波的能量，减少噪音的反射和回声。

3. 混凝土：混凝土是一种常用的建筑材料，具有较好的隔音性能。

由于其密度较高，能够有效隔离声音的传播，降低噪音的传递。

四、合成材料的声学性能评估合成材料是一类由多种材料组合而成的复合材料。

它们通常具有良好的声学性能，如纤维复合材料和泡沫塑料。

纤维复合材料由纤维增强树脂基体组成，具有较低的声传递能力。

微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为

微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声行为佚名【摘要】民用及国防工业领域对工程材料结构提出了更高的应用需求.单一材料结构越来越难以满足实际应用需求,通过人工复合结构实现超常单一及多物理性能的超材料设计已经成为材料结构应用的重要发展方向.本文基于传统的蜂窝夹层结构,在其内部引入波纹结构,并在面板和波纹上分别进行微穿孔形成微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料,在其优异力学承载基础上,实现了低频段的宽频有效吸声降噪.应用微穿孔板吸声理论和声阻抗串并联理论,建立了微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声理论模型;发展了考虑黏热效应的声传播有限元模型,通过数值模拟验证了理论模型的准确性,并数值计算了声波在超材料微结构内的黏热能量耗散分布,发现超材料能量耗散主要集中于微穿孔处的黏性边界层;进一步开展了超材料吸声参数和尺度设计参数的分析讨论,阐明了不同尺度设计参数对超材料吸声性能的影响规律.本文工作对兼具力学承载与吸声降噪的新型材料结构设计有重要的理论指导价值.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)023【总页数】11页(P111-121)【关键词】超材料;蜂窝-波纹;微穿孔;吸声行为【正文语种】中文1 引言声学超材料是通过人工设计微结构单元及其排布位置和方式,在宏观上表现出天然材料所不具备的优异声学性能的一类人工材料.现有研究表明,声学超材料可实现如负等效质量密度[1]、负模量[2]、负折射、平面聚焦[3,4]等诸多传统材料所没有的特性,在很大程度上扩展了传统材料的应用领域.这类人造复合材料在声学特性方面有着尤为突出的优势,例如声隐形[5],在低频段上的优异宽频吸声性能[6−8],良好的隔声效果[9,10]以及增强声音传输性能等[11,12].Mei等[13]实现了一种由谐振膜结构组成的“黑色”声学超材料,可吸收波长远大于其本身结构厚度的声波,在自身结构厚度为58 mm的情况下能够实现对频率为164 Hz的声音的完全吸收.Christensen等[7]提出了一种多孔薄片晶体超材料,在厚度为0.5 m的条件下可实现对频率为500 Hz左右的声音的完全吸收.一般而言,声学超材料具备在亚波长结构尺度下的低频声波控制作用,即实现小尺寸控制大波长的效果.根据低频降噪需求,本研究提出一种新型的微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料,即在前期研究提出的蜂窝-波纹复合夹层结构[14,15]上进行微穿孔处理,让声音能够进入结构中,使其具有在低频段上的优异宽频吸声特性.现有的研究表明,传统的微穿孔板吸声频带普遍较窄,大量学者探索了有效拓宽微穿孔板结构吸声频带的方法,例如采用多层微穿孔板[16−19]以及引入空腔或局域共振散射体结构增强吸声效果[20−26].本研究提出的微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料,能够在自身厚度为80 mm的情况下,实现从310 Hz开始0.5以上吸声系数,并且在700 Hz时达到声音完全吸收的效果.与此同时,蜂窝-波纹结构作为一种新型复合夹层结构,具备高比抗压强度、高比抗压刚度和优异的能量吸收性能[14,15];此外,在该结构的上面板和波纹板上引入微穿孔对其本身的强度和刚度的影响可忽略不计[27].因此,微穿孔蜂窝-波纹复合结构在具备很大吸声潜力的同时,又能够兼具优异的力学性能,具有广泛的多功能应用前景.为探究微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料的吸声行为,本研究应用经典的马大猷微穿孔板吸声理论和声阻抗传递理论,建了微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构在平面波垂直入射条件下吸声性能的理论模型,通过串并联电路模拟方法,计算新型复合结构的吸声系数.研究中还应用COMSOL Multiphysics软件发展相应的数值建模方法,验证理论模型的正确性,分析吸声过程中的能量耗散情况.与此同时,对结构尺度设计参数进行系统讨论,分析其对于整体吸声性能的影响.2 模型建立2.1 理论模型如图1(a)所示,微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构由上下两个面板和中间的(六边)蜂窝-波纹芯体组合而成,上面板上具有周期性分布的微穿孔,与内部蜂窝中心位置一一对应;在与内部蜂窝中心位置对应的波纹板位置上,同样分布着微穿孔;底部面板作为刚性背衬,不做任何处理.该声学超材料的上面板板厚t1,其微穿孔直径d1,波纹板板厚t2,其微穿孔直径d2,下面板板厚T,波纹板与下面板夹角θ,层芯六边形蜂窝结构的内边长l1,外边长l2,高度H.已有研究证实,蜂窝-波纹复合超材料本身具有高比抗压强度、高比抗压刚度和优异的能量吸收性能[14,15].本研究引入的毫米及亚毫米尺度的微穿孔,与超材料胞元的特征长度相比较小,微穿孔对材料力学性能的影响可忽略不计[27].同时,该声学超材料的基体材料可选择为聚合物或金属,其特征声阻抗远超空气,从吸声研究角度可认为基体材料是声学刚性的,声传播与声耗散仅发生在声学超材料内的空气覆盖区域.如图1(b)所示,通过微穿孔蜂窝-波纹复合结构的设计,可构造出不同形状的赫姆霍兹共鸣器,例如上面板微穿孔与其后的蜂窝胞中的腔体以及波纹板微穿孔与其后的蜂窝胞中的腔体均构成了赫姆霍兹共鸣器.根据赫姆霍兹共鸣器理论,当入射声波频率达到共振频率时,腔内的声压变化会导致穿孔处的空气柱剧烈振动,固体界面上的黏性边界层将空气柱的动能转化为热能,从而有效地实现声能耗散,呈现出优异的吸声性能.此外,由波纹板截断而来的多种不同形状的共鸣器具有不同的共振频率,能够联合作用以实现多个共振频率下的声波完美吸收.图1 微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料结构示意图 (a)概念设计;(b)由六个蜂窝胞构成的周期性胞元剖面图;(c)结构几何参数Fig.1 .Micro-perforated ultralight mechano-acoustic sandwich structure with honeycomb-corrugation hybrid core:(a)Conceptual design;(b)periodic cell consisted of six hexagonal cells;(c)geometric parameters.如图1(b)所示,选取六个蜂窝胞作为周期性胞元,该周期性胞元能够阵列组合成整体结构,故其吸声性能可代表整体结构的吸声性能.每个周期性胞元中含有两种类型的蜂窝-波纹结构.以图1中类型一的1号蜂窝胞为例,为了能够更为直观地进行研究,将两部分由波纹板分割而成的空腔等效成两个规则的柱体空腔,如图2所示.等效空腔的高度由空腔体积和声入射面表面积决定,公式如下:其中D1和D2是等效后规则空腔的高度,V1为蜂窝胞上部空腔的体积,S1为蜂窝胞上部空腔的上表面面积.图2所示的等效结构模型存在近似误差,为了减小其影响,考虑波纹板上实际穿孔孔型横置之后出现的厚度偏差,在计算过程中引入板厚修正因子σ,对波纹板板厚t2作如下处理,得到˜t2作为实际计算值:其中修正因子σ根据孔型结构的几何关系给出:与此同时,在数值模拟过程中也发现,理论等效过程中引入的修正因子能更好地与数值模拟结果相符合.按照以上方法等效处理后的单个蜂窝结构可看作由两层微穿孔板结构组成的复合吸声结构.根据声阻抗传递理论,可先求出下层微穿孔板结构的表面声阻抗,再推导上层结构的表面声阻抗,从而计算得到整体胞元结构的吸声系数,具体过程见以下理论模型.图2 单个蜂窝胞(内部空气域)等效示意图Fig.2 . of single honeycomb cell’s air f i eld equivalent.本研究仅考虑声波垂直于夹层结构上面板入射的情形.为了获得蜂窝胞的吸声系数,需先求得其声阻抗.如上所述,单个蜂窝胞可看作由上下两个微穿孔板(微穿孔上面板和微穿孔波纹板)及其后的赫姆霍兹共振腔构成.首先分析下层微穿孔板和共振腔部分的声阻抗.下层共振腔背接刚性背衬,其声阻抗公式为其中D2是下层共振腔的厚度,Z0=ρ0c0是空气的特√性阻抗(ρ0为空气密度,c0为空气中的声速),是声波数,ω为圆频率.考虑微穿孔板处声阻抗,穿孔孔型为圆形,其声阻抗公式为[28,29]其中,t2和d2分别为下层穿孔板的厚度和穿孔直径;p2为下层穿孔板的孔隙率大小;y2=倍的穿孔直径与黏性边界层厚度的比值,其中η是空气的动黏度系数;Bn为第一类第n阶贝塞尔函数.式中的最后两项是关于声阻抗的末端修正,通常在穿孔深度(即穿孔板厚度t2)相对于穿孔直径d2较大时会有明显的体现.由微穿孔板和共振腔组成的下层结构,其总声阻抗公式为[30,31]下层结构声阻抗得出之后,由声阻抗传递函数可给出上层共振腔处的声阻抗公式:同理,上层微穿孔板的声阻抗公式为式中物理量的含义与下层微穿孔板中的含义相同,即t1和d1分别为上层穿孔板的厚度和穿√孔直径,p1为上层穿孔板的孔隙率大小,是倍的穿孔直径与黏性边界层厚度的比值.则上层结构的表面声阻抗为此时,上层结构的表面声阻抗即为声波垂直入射蜂窝胞时,蜂窝胞结构的表面声阻抗. 由于蜂窝胞壁厚的存在,从蜂窝胞上表面垂直入射的声波有一部分覆盖在如图3所示的灰色壁厚部分,而中间的红色圆圈和白色区域则分别代表穿孔处和位于微穿孔板之下的共振腔,前文得到的声阻抗实际上仅仅针对这一部分.因此,计算入射表面的声阻抗时,需考虑到壁厚的存在对实际声阻抗值的影响.在此,引入一个修正因子,表达式如下[32]:其中l1和l2分别为六边形蜂窝胞的内边长和外边长.该修正因子体现了蜂窝胞壁厚的影响,在后续有关周期性胞元的表面阻抗计算中将会被采用.图3 单个蜂窝胞的上表面结构示意图Fig.3 . view of the upper surface of a single honeycomb cell.采用上述公式推导所得的每个蜂窝胞的表面声阻抗,可用ZSn(n=1,2,···,6)表示. 在此基础上,根据声学理论中的等效并联电路理论,微穿孔蜂窝-波纹复合结构中周期性胞元的表面入射阻抗可由以下并联公式得到:利用(11)式得到的周期性胞元表面声阻抗,可进一步求得这部分胞元结构的吸声系数,由于其自身的可阵列性以及结构在具备足够的刚度条件下,周期性胞元之间的吸声效果不会互相影响,故可认为周期性胞元的吸声系数就能代表微穿孔蜂窝-波纹复合结构的整体吸声系数,公式如下:其中zs=ZT/Z0为相对声阻抗.2.2 有限元模型采用图1(b)所示的由六个蜂窝胞构成的周期性胞元作为研究对象,开展有限元模拟,计算微穿孔蜂窝-波纹复合结构的整体吸声性能.如图4所示,对该结构中的空气部分进行实体建模作为数值模型.模型整体由两部分构成,上部是模拟结构的表面声入射区域,在有限元软件中设置为压力声学模块;下部是周期性胞元中的空气域部分,设置为热声学模块.在数值模拟过程中,声入射上表面施加垂直入射的平面入射波,模型边界条件均为硬质边界条件.为得到结构吸声系数,需求得入射面I处(图4)的相对声阻抗,对应理论模型中的zs,公式如下:其中,和分别代表入射面I上的平均声压和入射方向平均声速,Z0是空气的特性阻抗. 图4 周期性胞元有限元模型Fig.4 .Finite element model for periodic cell.3 研究结果与讨论3.1 吸声性能对微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构进行数值模拟,将计算结果与理论预测进行对比.为了考察本文所提出微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构的吸声性能,比较了其他两种类似夹层结构:1)蜂窝-波纹复合夹层结构,仅在上面板微穿孔,波纹板不穿孔;2)纯蜂窝复合夹层结构,仅在上面板微穿孔,芯体内不存在波纹板.三种结构的周期性胞元如图5所示.对图5给出的三种结构分别进行理论计算和数值模拟,结果如图6(a)所示,计算采用的各项参数为:l1=4 mm,l2=4.2 mm,t1=2 mm,t2=0.2 mm,d1=1.5mm,d2=0.25 mm,H=20 mm.由图6(a)可以看出,理论预测与数值模拟结果基本符合,验证了本文等效理论模型的正确性.对比三种结构的吸声系数,在穿孔孔径参数相同的情况下,微穿孔蜂窝-波纹复合结构吸声性能明显优于蜂窝-波纹复合结构和纯蜂窝复合结构,在低频段的吸声效果尤为突出,且在较宽频带上呈现出较为优异的吸声性能.在考虑的0—2000 Hz频段范围内,应用理论模型对三种结构的关键结构参量穿孔孔径进行了优化设计,优化后图5(a)结构中上面板穿孔孔径d1=1.727 mm,波纹板穿孔孔径d2=0.276 mm;图5(b)中上面板穿孔孔径d1=0.894 mm;图5(c)中上面板穿孔孔径d1=0.74 mm.经过优化设计后的三种结构吸声系数,在考虑的0—2000 Hz频段范围内具有各自最佳吸声性能,具体如图6(b)所示.由图6(b)可以看出,在经过结构优化设计以后,图5(b)和图5(c)所示的两种结构也有较好的吸声效果,但是吸声带宽比图5(a)结构明显偏窄.就平均吸声系数而言,在0—2000 Hz频段范围内,图5(a)结构平均吸声系数为0.485,图5(b)和图5(c)结构的平均吸声系数仅为该值的63.31%和48.43%,吸声效果不如图5(a)结构.此外,与蜂窝夹层结构、波纹夹层结构等传统的承载结构以及微穿孔板、多孔纤维毡等传统吸声结构相比较,由于微穿孔对结构的整体力学性能影响不大,微穿孔蜂窝-波纹复合结构优异的吸声性能和力学性能使其具有明显优势.图5 (a)微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构;(b)蜂窝-波纹复合夹层结构;(c)蜂窝夹层结构Fig.5 .(a)Micro-perforated sandwich with honeycomb-corrugation hybrid core;(b)honeycomb-corrugated sandwich with micro-perforated upper face;(c)honeycomb-cored sandwich with micro-perforated upper face.图6 (a)微穿孔蜂窝-波纹复合结构、蜂窝-波纹复合结构和纯蜂窝复合结构吸声系数对比图;(b)关键结构参量穿孔孔径优化后的三种结构吸声系数对比图Fig.6 .(a)Sound absorption coefficient versus frequency:comparison among micro-perforated sandwich with honeycomb-corrugation hybridcore,honeycomb-corrugated sandwich with micro-perforated upper face,and honeycomb-cored sandwich with micro-perforated upper face;(b)comparison of sound absorption coefficients of three structureswith optimized parameters of perforation aperture.图7 微穿孔蜂窝-波纹复合结构、蜂窝-波纹复合结构和纯蜂窝复合结构声阻抗对比图 (a)声阻抗实部;(b)声阻抗虚部Fig.7 .Comparison of acoustic impedance among micro-perforated sandwich with honeycomb-corrugation hybrid core,honeycomb-corrugated sandwich with micro-perforated upper face,and honeycomb-cored sandwich with microperforated upperface:(a)Real part;(b)imaginary part.进一步研究微穿孔蜂窝-波纹复合结构表面声阻抗随频率变化特性.根据理论计算结果,图7给出了表面声阻抗的实部和虚部随频率的变化关系,其中实部表示声阻,虚部表示声抗.根据吸声系数的理论解释,吸声结构完全吸声情况对应于表面声阻等于空气声阻,且表面声抗等于零的完美吸声条件,即zs=ZT/Z0=1.在图6(a)中,微穿孔蜂窝-波纹复合夹层结构吸声曲线分别在670,1100和1750 Hz频率处出现吸声峰值,观察图7(a)中微穿孔蜂窝-波纹结构声阻抗实部值,在这三个频率附近均靠近1,符合吸声峰值出现条件.同时,在图7(b)中可以发现,微穿孔蜂窝-波纹结构声抗值在670 Hz时并不接近0,从而导致其吸声系数虽然出现峰值但峰值较低.对比其他两种结构来看,在图7中对应图6(a)所示吸声曲线上吸声峰值频率处,微穿孔蜂窝-波纹复合结构的声阻曲线更加接近于1,其他两种结构的声抗虽然在吸声峰值频率处接近于零从而满足完美吸声条件,但声阻部分却远离完美吸声条件,而且这种声阻和声抗不匹配的情况在低频段尤为突出.因此,相较于图5中给出的其他两种吸声结构,在波纹板上引入微穿孔能够极大地改善微穿孔蜂窝-波纹复合结构的阻抗匹配,在宽频带上尤其是低频情况下有着突出的吸声效果.为了深入理解微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声机理,可以将图5(a)中的单个蜂窝-波纹胞元看作是由两个赫姆霍兹共鸣器串联而成,在声音入射时会出现两个共振频率.由图1(b)可以看出,研究中选取的周期性结构中含有两种类型的蜂窝-波纹胞元,相当于每个周期结构含有两种赫姆霍兹共鸣器系统,每种赫姆霍兹共鸣器系统都有两个赫姆霍兹共鸣器串联而成,所以一共存在四个共振频率,即吸声曲线上应出现四个吸声峰值.在拓宽计算频带后,画出优化后的图5(a)结构的吸声曲线,如图8(b)所示,能够很明显得看到四个吸声峰值.图8 (a)周期结构中的两种赫姆霍兹共振系统等效弹簧-质量块共振系统;(b)0—4000 Hz频段上微穿孔蜂窝-波纹复合超材料吸声曲线Fig.8 .(a) of equivalent mass-spring vibration system;(b)sound absorption coefficient versus frequency of micro-perforated sandwich with honeycomb-corrugation hybrid core.赫姆霍兹共振系统相当于弹簧-质量块共振系统,其中穿孔处的空气等效为质量块,背腔中的空气提供弹簧刚度,在声音入射时穿孔处的空气会发生振动与孔壁发生摩擦,从而导致声波能量的耗散.因此,赫姆霍兹共振系统相当于小阻尼情况下弹簧-质量块振动系统.在振动过程中,穿孔处空气质量为m=ρ0LA,共振腔刚度为K=ρ0c20A2/V,其中ρ0为空气密度,L为孔深度,A为穿孔面积,c0为声速,V为共振腔体积.考虑空气柱振动时还要向空间辐射声波,相当于附加一部分质量在原有空气柱上,孔深度应修正为L=t+0.85d,t为真实穿孔深度即上面板或波纹板板厚,d为穿孔孔径.因此,单独的赫姆霍兹共振腔振动系统的固有频率为为了得到微穿孔蜂窝-波纹复合声学超材料吸声共振频率,将两个赫姆霍兹共振腔振动系统串联等效成双自由度的弹簧-质量块振动系统,如图8(a)所示,其中上面板和波纹板处的穿孔部分空气质量分别为m1和m2,共振腔V小,V大的等效刚度为K1和K2,x1和x2为等效质量块的位移.由于系统小阻尼不影响系统固有频率,可简化考虑,通过无阻尼系统的自由振动方程得到系统的固有频率.图8(a)中的两自由度无阻尼振动系统自由振动方程为得到特征方程为其中ω为固有圆频率.由此可以得出两个固有圆频率表达式为:由(17)式中两个固有圆频率,可以计算得到系统的两个固有频率f1= ω1/(2π),f2=ω2/(2π).将相关参数代入上述公式中,可以得到图8(a)所示第一种等效系统的两个共振频率.同理,图8(a)所示的第二种等效系统也可以得到两个共振频率.此时就能获得图5(a)结构中对应的四个吸声共振频率,计算后分别为722,1301,2119和3817 Hz,与图8(b)中吸声曲线峰值处所对应频率的相对误差分别为3.14%,0.08%,3.37%和1.79%,基本上相符合.从微穿孔蜂窝波纹复合声学超材料的吸声共振峰频率研究角度,可以揭示结构的宽带吸声的物理机理.即超材料周期单元含有两种赫姆霍兹共振系统,每个系统都是串联的两自由度系统,系统共有四个共振频率.对比其他结构,微穿孔蜂窝-波纹结构有着更多的共振频率,而共振频率处对应吸声峰值,声入射频率处于两个共振频率之间时受到两个吸声峰值的带动效果,其吸声系数仍能保证较高水平.当两吸声峰值相距较近时,能够形成宽频吸声效果,而本文考虑的微穿孔蜂窝-波纹复合超材料具有四个吸声峰值,使结构可以在宽频上保持良好吸声性能.3.2 能量耗散采用数值模拟对微穿孔蜂窝-波纹复合结构中的声波能量耗散进行研究,发现不同类型蜂窝胞的能量耗散情况基本一致;因此,在不同类型蜂窝胞相邻的情况下,可认为蜂窝胞之间的并联并不会产生相互影响,这与理论假设一致.图9给出了两种不同类型蜂窝胞内的声能量耗散,其中图9(a)—图9(c)分别表示在入射声频率为1800 Hz时(对应微穿孔蜂窝-波纹复合结构的吸声系数峰值处),结构内部的热功率损耗密度、黏性功率损耗密度和总黏热功率损耗密度.与黏性耗散相比,单个蜂窝胞内出现的热耗散很小.统计计算整个蜂窝胞内的热和黏性耗散,热耗散占总能量耗散的1%左右,黏性耗散占到总能量的99%.鉴于此,本文采用仅考虑黏性效应的马大猷微穿孔吸声理论对微穿孔超材料的吸声行为进行表征,是合理且足够精确的.从图9还可看出,黏性耗散主要集中在微穿孔部分:微穿孔和蜂窝腔构成赫姆霍兹共鸣器,声音频率接近共振频率时,微穿孔内的空气柱剧烈振荡并与穿孔内壁之间产生黏性摩擦,从而大幅消耗声波的动能.另外,图9中两种不同类型的蜂窝胞呈现出的能量耗散分布并不均匀,有着较为明显的差别.由于不同蜂窝胞的第一层共振腔的高度存在明显差别,共振腔的共振频率不同,对应的能量耗散峰值也不同.图9给出的是1800 Hz时的能量耗散分布云图,该频率更接近于截面图中右侧蜂窝胞的共振频率,其波纹板穿孔处的空气柱振荡更加剧烈,声能量损耗更大,因而右侧蜂窝胞的能量耗散明显大于左侧蜂窝胞.图9 周期性胞元中两种不同类型蜂窝胞内部能量耗散密度云图 (a)热耗散;(b)黏性耗散;(c)总耗散Fig.9 .Dissipation of sound energy in periodic cell:(a)Thermal dissipation;(b)viscous dissipation;(c)total dissipation.3.3 尺度设计参数讨论尺度参数对微穿孔蜂窝-波纹复合结构的吸声性能有决定性影响.首先讨论结构高度H的影响,其中周期性胞元的上面板厚度t1、波纹板厚度t2以及上面板微穿孔直径d1和波纹板微穿孔直径d2保持不变,仅改变超材料高度H,对应的具体参数值如表1所列.针对表1中列出的四种周期性超材料胞元(H=20,40,60,80 mm),在0—1500 Hz 频段内进行数值模拟和理论计算得到的吸声性能曲线如图10所示.需要说明的是,理论建模时,采用等效并联电路方法计算周期性胞元的表面声阻抗,忽略了相邻蜂窝胞微穿孔的耦合作用.图10的数值模拟结果与理论计算结果符合程度较好,从而验证了理论建模中采用等效并联电路方法的正确性,同时说明在吸声过程中相邻蜂窝胞微穿孔之间基本不存在耦合作用.表1 不同类型周期性胞元的结构参数表Table 1 .Structural parameters of dif f erent types of periodic cell.共振腔高度H/mm上面板厚度t1/mm波纹板厚度t2/mm上面板穿孔直径d1/mm波纹板穿孔直径d2/mm 20 2 0.2 1.5 0.25 40 2 0.2 1.5 0.25 60 2 0.2 1.5 0.25 80 2 0.2 1.5 0.25在0—1500 Hz入射声波频率下,总体吸声效果随着结构高度的增加显著提升,其中高度为60 mm和80 mm的超材料,在第一个吸声峰值处的吸声系数就达到了1(声波被完美吸收).对比图10中的四条曲线发现,随着高度的增加,第一个吸声峰值出现的频率逐渐减小,曲线整体呈现向左移动的趋势.但是,第一个吸声峰值出现后,吸声曲线普遍回落,因为在这个阶段声波频率和能引起共振腔共振的频率相差越来越远,微穿孔内空气柱的振荡不再剧烈,吸声效果下降,但并非大幅下降,因为结构内部蜂窝胞的多样性使得声频率远离其中一个蜂窝胞的共振频率后,会逐渐接近下一个蜂窝胞的共振频率,这导致复合结构的超材料对于吸声曲线的下降有一定的抑制效应.如图10中高度为60 mm和80 mm的超材料,在第一个吸声峰值之后,吸声曲线最多下降至0.5左右就开始逐渐上升,并很快达到下一个吸声峰值处.综合来看,微穿孔蜂窝-波纹复合结构的高度越高,其低频吸声性能越好.一般而言,实际应用时希望在较薄的尺度限制下尽量实现低频段的高效宽频吸声.因此,在实际应用中,对微穿孔蜂窝-波纹复合结构的关键尺度参数,如上面板厚度、波纹板厚度、两个微穿孔孔径等进行优化设计,可在限制总高度(体积)的条件下获得最佳的吸声效果. 通过前文对能量耗散行为的分析,穿孔处的黏性耗散对微穿孔蜂窝-波纹复合结构的吸声性能产生了显著影响,故有必要研究穿孔的关键尺度参数(包括孔径和板厚)对吸声性能的影响规律.图11给出了吸声系数随声波频率和穿孔尺度参数变化的等高线。

低频吸声结构

低频吸声结构低频吸声结构是一种能够有效减少低频噪音传播和反射的声学设计。

在现代社会中，噪音已经成为人们生活中普遍存在的问题，特别是在城市环境中。

低频噪音主要来自机械设备、交通工具、建筑物等，对人们的健康和生活质量造成了不可忽视的影响。

因此，研究和应用低频吸声结构能够有效减少低频噪音，改善人们的生活环境。

低频吸声结构的设计原理是通过材料的选择和结构的设计来实现对低频声波的吸收。

低频声波的特点是波长较长，能够穿透许多常规吸声材料和结构，因此传统的吸声方法无法有效地降低低频噪音。

低频吸声结构的设计需要考虑材料的吸声性能、结构的复杂性以及施工和维护的可行性。

为了实现低频吸声效果，可以采用以下几种方法：1. 多层复合结构：采用多层不同材料的复合结构，可以提高吸声性能。

例如，将高密度的吸声材料和阻尼材料交替层叠使用，可以增加材料的吸声效果和声波的能量损耗。

2. 棱镜形结构：采用特殊形状的结构，如棱镜形结构，可以改变声波的传播路径和反射角度，从而减少声波的反射和传播。

这样可以达到降低噪音的效果。

3. 波纹形结构：在吸声材料表面设计波纹形状的结构，可以增加声波在材料表面的反射和散射，从而增加吸声效果。

波纹形结构的设计应考虑波纹的深度、周期和角度等参数。

除了以上方法，还可以采用声学透明结构、基于共振理论的设计等进行低频吸声结构的设计。

这些方法的核心是改变声波的传播路径和能量损耗，从而实现降低低频噪音的效果。

低频吸声结构在实际应用中有着广泛的应用前景。

例如，在工厂、机房和交通工具等噪音环境中，采用低频吸声结构可以有效降低噪音污染，提供良好的工作和生活环境。

此外，在音乐厅、录音棚和会议室等场所，采用低频吸声结构可以改善音质和声音的清晰度。

然而，低频吸声结构也存在一些挑战和限制。

首先，低频吸声结构的设计和施工较为复杂，需要对材料和结构进行详细的分析和计算。

其次，低频吸声材料的研发和制造也是一个具有挑战性的问题，需要专业的技术和工艺支持。

高声强下多孔金属的吸声特性研究的开题报告

高声强下多孔金属的吸声特性研究的开题报告一、研究背景多孔金属材料已被广泛应用于噪声控制、振动控制和能量吸收等领域。

多孔金属作为具有一定孔隙率和孔径分布的材料，具有较好的吸声特性。

在实际应用中，需要对多孔金属的吸声性能进行深入研究和探究。

现在的多孔金属吸声研究主要集中在低频范围内，研究高声强下多孔金属的吸声特性具有重要的理论和实际意义。

因此，本研究将针对高声强下多孔金属的吸声特性进行深入研究。

二、研究目的本研究旨在分析高声强下多孔金属的吸声机理及吸声特性，深入探究多孔金属的吸声特性与其结构参数、声场参数等因素的关系，并提出改进多孔金属吸声材料的措施。

三、研究内容1. 阐述多孔金属的吸声机理。

2. 建立多孔金属的吸声模型，分析其吸声特性与结构参数的关系。

3. 借助声学实验室的先进设备，设计并进行多孔金属吸声实验。

4. 结合实验结果，分析多孔金属的吸声特性与声场参数的关系。

5. 提出改进多孔金属吸声材料的措施。

四、研究方法本研究将采用实验与理论相结合的研究方法。

具体包括理论分析、数值模拟和实验验证等。

通过对多孔金属的吸声机理和吸声特性的分析，建立多孔金属的吸声模型，并进行数值模拟。

同时，借助声学实验室的先进设备，进行多孔金属吸声实验，并对实验结果进行分析和提炼。

五、研究意义1. 为多孔金属的吸声特性提供更加深入的认识和理解。

2. 为多孔金属吸声材料的革新提供理论参考。

3. 为工程实践中多孔金属的吸声性能的优化提供技术支撑。

六、预期成果1. 多孔金属吸声特性理论模型。

2. 多孔金属吸声特性与结构参数、声场参数等因素的关系分析结果。

3. 多孔金属吸声实验结果及分析报告。

4. 改进多孔金属吸声材料的措施提出。