金属橡胶材料特征参数对其吸声性能影响的实验研究_姜洪源

振　动　与　冲　击第26卷第11期J O U R N A LO FV I B R A T I O NA N DS H O C KV o l .26N o .112007　金属橡胶材料特征参数对其吸声性能影响的实验研究基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目号:50675042)收稿日期:2007-03-19　修改稿收到日期:2007-04-17第一作者姜洪源男,博士,教授,博士生导师,1960年生姜洪源1,　武国启1,　夏宇宏1,　Е.А.Изжеуров2(1.哈尔滨工业大学　机电工程学院,哈尔滨　150001;2.萨玛拉国立航空航天大学,俄罗斯萨玛拉　443086) 摘　要:为深入研究金属橡胶材料吸声降噪性能,并为该材料吸声结构设计提供依据,实验研究了金属橡胶材料的吸声特性。

分析了金属橡胶材料厚度、孔隙率、金属丝直径和平均孔隙直径等特征参数对吸声性能的影响;推导并验证了金属橡胶材料吸声系数第一共振频率的理论计算公式;研究了具有相同平均孔隙直径金属橡胶材料的吸声特性。

结果表明:金属橡胶材料可作为均匀、各向同性的多孔吸声材料进行研究,其吸声性能具有可设计性,并且相同平均孔隙直径的金属橡胶材料具有相同的吸声特性。

关键词:金属橡胶;吸声性能;多孔吸声材料;平均孔隙直径中图分类号:T G 115 文献标识码:A 随着现代工业技术的发展,特别是大型强力风机、内燃机、燃气轮机、喷气装置的不断发展,带来了日益严重的强空气动力性噪声危害[1-3]。

为了降低空气动力性噪声,广泛使用带有多孔吸声材料消声器。

选择适合于恶劣环境的多孔吸声材料是现代消声研究中的关键问题。

特别是为了满足航空航天及国防武器装备等特殊应用环境下吸声降噪的需求,非常迫切的需要开展对具有工作温度范围大、抗腐蚀、强度高及使用寿命长等特性的多孔吸声材料及其性能的系统研究。

金属橡胶材料是一种均质的弹性多孔物质,是用一定的工艺方法,将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序或无序的排放在冷冲压或碾压模具中,然后用冷冲压的方法成型的[4]。

金属橡胶构件在阻尼减振、密封、节流、吸声降噪、过滤等方面都有广泛的应用[5-7]。

与其它多孔吸声材料相比,金属橡胶材料集成了对吸声有利的相关特性[8]:有效孔隙率(0.13～0.95)高、无死穴、比表面积大、性能稳定、承受静态或动态负载能力强、工作温度范围大、可在各种环境下工作、制备工艺简单。

由于金属橡胶材料是随着航空航天技术的不断发展而发展起来的一种新型材料,而且其吸声降噪特性研究还不充分,因此,对金属橡胶材料吸声降噪特性的影响因素进行探索和研究,揭示其机理,掌握其特性和一般规律,具有很大的理论意义和应用价值。

本文利用驻波管法,实验研究了金属橡胶材料结构参数对其吸声性能的影响。

利用多孔材料平均孔隙直径,研究金属橡胶材料平均孔隙直径相同情况下各个金属橡胶试件所具有的吸声特性,为综合分析金属橡胶材料吸声特性提供基础。

1　结构参数对金属橡胶材料吸声性能的影响 金属橡胶材料内部孔隙都是以一种无规则而各向同性的方式相互连通,并且孔隙分布均匀,致使流体在任意方向都可以同样容易的渗透,因而不被固体占有的那部分体积就能被流体占有。

同时金属橡胶材料虽然是多孔的,但其金属丝仍是刚性的和不压缩的,这样就只考虑材料内流体的运动。

因此,金属橡胶材料是一种具有刚性筋络的均匀多孔吸声材料。

金属橡胶材料结构参数主要包括材料的厚度、孔隙率和金属丝直径。

本文用驻波管法测量不同结构参数金属橡胶试件的吸声性能。

本文采用A W A 6122A 型驻波管测试仪测量金属橡胶材料吸声特性。

该测试仪测量精度高,符合科学研究的精度要求。

图1是A W A 6122A 型驻波管测试仪的实物图。

它有L 、S 两种驻波管,L 管的直径是Υ96m m ,可测量频率范围是170H z ～2075H z ;S 管的直径是Υ30m m ,可测量频率范围是1500H z ～6641H z 。

L 、S 两种管的可测频率范围符合G B J 88-85国家标准要求。

测试仪的扬声器以纯音信号激发,其测量频率最小可选1/96倍频程进行测量。

因此,该测试仪测量频率范围大,测量频率点密集。

图1　A WA 6122A 型驻波管测试仪DOI :10.13465/j .cn ki .jvs .2007.11.0291.1　金属橡胶材料厚度对吸声性能的影响 选取试件厚度h =10m m 、15m m 、20m m 、30m m 、45m m ,孔隙率P=0.6或0.8,金属丝直径d =0.1m m 或0.2m m ,分组进行组合实验,实验结果如图2～5所示。

图2　d =0.1和P=0.6金属橡胶不同厚度的吸声特性图3　d =0.1和P=0.8金属橡胶不同厚度的吸声特性图4　d =0.2和P=0.6金属橡胶不同厚度的吸声特性图5　d =0.2和P=0.8金属橡胶不同厚度的吸声特性从金属橡胶材料吸声特性曲线图2～5可知,金属橡胶材料吸声系数随着频率的增加而增大,在高频段出现不同程度的起伏,并且吸声特性曲线整体规律性较强,符合均匀多孔吸声材料吸声特性。

随着厚度的增加,第一共振频率f r 减小,极大提高了低频吸收,但对高频吸收影响较小。

当测量金属橡胶材料吸声特性时,测量试件与背面刚性壁紧贴放置。

其表面声阻抗率Z S可表达为[9]Z S =Z cc o t h γh (1)式中Z c为金属橡胶材料的特性阻抗,γ为材料的传播常数,h 为材料厚度,Z c 和γ为复数。

其中传播常数γ可表达为γ=α+j β=α+j ωc(2)式中α为衰减常数,β为相位常数,ω为角频率,c 为材料内声波的声速。

声阻抗率Z S也为复数,它的实部和虚部,即为声阻率和声抗率。

正如交流电路的电阻抗一样,其吸声系数共振峰值在声抗率为零附近。

金属橡胶材料特性阻抗Z c 的虚数部分一般很小,因此特性阻抗Z c可近似为实数,从而由式(1)可知,金属橡胶材料吸声系数共振峰值产生在那些使c o t h γl 为实数的频率附近。

从式(1)可以推导出当2βh =n π,c o t h γl 的虚部为零(n 是奇数时产生峰值,n 为偶数时产生谷值)。

即金属橡胶材料第一共振频率f r 为f r =c4·h(3)其中声速c 是与频率f 、孔隙率P 和金属丝直径d 有关的参数,其近似计算公式可由参考文献[10]求得。

这样当孔隙率和金属丝直径一定情况下,已知厚度h 时,由此关系式就可算出f r ;反之,给定f r 就可求出材料厚度h 。

表1为实验测得金属橡胶材料第一共振频率与通过公式(3)计算得到的第一共振频率的比较。

由于表1　金属橡胶材料第一共振频率测量值与计算值的比较孔隙率P 金属丝直径d /m m 厚度h /m m测量值/H z 计算值/H z 误差%0.60.1104800550014.60.60.1153000330010.00.60.120220021004.50.60.130110010009.10.60.2301200140014.30.80.130220022000.00.80.230240023004.2试件制备、实验测量和声速c 近似计算公式有误差,测量值和计算值之间有10%左右大小的误差,可通过提高试件制备精度、实验测量精度及修正声速计算公式55第11期 姜洪源等:金属橡胶材料特征参数对其吸声性能影响的实验研究进一步减小它们之间误差。

从误差理论可知,实验结果与计算结果之间的误差如果能够控制在30%范围之内,即可以认为该结论是可行的。

所以公式(3)可以用来计算金属橡胶材料的第一共振频率。

1.2　金属橡胶材料孔隙率对吸声性能的影响 孔隙率对金属橡胶材料吸声性能影响很大。

一方面由于孔隙率的改变,材料表面声阻抗率Z S 发生变化。

孔隙率越小,声阻抗率Z S 与空气特性阻抗ρ0c 0的比值越大,从而材料表面反射能力越强。

另一方面由于孔隙率的改变,材料内部的声速也发生很大变化。

孔隙率越小,材料内的声速越低,第一共振频率越小。

为了能更清楚的表示孔隙率对金属橡胶材料低频及高频吸声性能的影响,本文研究中选用两个厚度h =10m m 和h =45m m 相差较大的试件进行分析,试件的其它结构参数相同,实验结果如图6、7所示。

图6　h =10m m 和d =0.1m m 金属橡胶不同孔隙率的吸声特性图7　h =45m m 和d =0.1m m 金属橡胶不同孔隙率的吸声特性图6表明了在相同厚度和金属丝直径的情况下,孔隙率对金属橡胶材料低频吸声性能的影响:减小孔隙率可以提高低频吸声系数。

图7表明了在相同厚度和金属丝直径情况下,孔隙率对金属橡胶材料高频吸声性能的影响:增加孔隙率可以提高高频吸声系数。

由于金属橡胶材料是均匀多孔吸声材料,在低频范围内减小孔隙率,材料流阻率增大,内部孔隙变小,从而增强了材料对声波的吸收;在高频范围内增大孔隙率,材料流阻率减小,表面的反射能力减弱,从而也增强了对声波的吸收。

1.3　金属橡胶材料金属丝直径对吸声性能的影响金属丝直径是金属橡胶材料的主要结构参数,改变金属丝直径会使材料内部孔隙结构发生变化。

相同孔隙率下,金属丝直径越小,材料内部孔隙越小,流阻率越大。

在较大孔隙率下,材料的流阻率小,减小金属丝直径可提高金属橡胶材料的吸声性能(如图8所示)。

并且吸声特性曲线的共振峰值向低频有较小的移动,这是由于金属丝直径越小,材料内声速越低,由公式(3)可知其共振频率越小。

但是对于较小孔隙率,材料的流阻率大,减小金属丝直径会使金属橡胶材料整体吸声性能降低(如图9所示),且共振频率也会向低频有较大的移动。

因此,通过分析孔隙率和金属丝直径对金属橡胶材料吸声性能的影响,对于一定厚度的材料,有一个相应合理的流阻值,过高或过低的流阻值都无法使材料有良好的吸声性能。

依据吸声理论及金属橡胶材料吸声特性,金属橡胶材料流阻值设在1.5倍～3倍空气特性阻抗时(即600P a ·s /m<R f <1200P a ·s /m )吸声效果良好[10]。

图8　h =30m m 和P=0.8金属橡胶不同金属丝直径的吸声特性图9　h =20m m 和P=0.6金属橡胶不同金属丝直径的吸声特性2　相同平均孔隙直径金属橡胶材料的吸声特性 在研究金属橡胶材料吸声特性时,需要知道材料56振动与冲击 2007年第26卷内部孔隙分布规律,这样就能够分析内部结构对其吸声性能的影响。

并且对于大量的实验结果,需进行概括和总结,以便于综合分析金属橡胶材料吸声特性。

因此,引入多孔材料一个参数———平均孔隙直径d a ,它是分析多孔材料吸声性能的一个综合参数,也是比较不同种类多孔吸声材料的一个基本参数,表征了材料内部孔隙的平均大小。