泡沫金属材料的降噪特性分析∗

李玉娟

（聊城大学东昌学院，山东聊城 252000）

泡沫金属材料的降噪特性分析∗

李玉娟

（聊城大学东昌学院，山东聊城 252000）

研究分析并建立了泡沫金属材料的吸声系数与结构的关系，分析了吸声机理，并对影响吸声性能的参数进行了分析。仅考虑粘滞影响忽略热传导影响，并在应用细管中的声传播特性和Johnson－Allard等效流体模型的基础上得到一个参数模型。

泡沫金属；吸声；波动方程

1 引 言

泡沫多孔吸声材料中主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫陶瓷和泡沫多孔金属等。泡沫塑料如聚氨酯泡沫塑料，易老化，防火性能也较差。泡沫玻璃虽具有耐老化、不燃和较好的耐候性能，但强度较低，容易损坏。泡沫陶瓷具有保温、防潮、耐蚀、耐冻、耐高温等优点，但其韧度低，质量重，运输、安装不便。泡沫金属是一种多孔隙、低密度的新型多功能材料，其强度高、防火、抗潮耐高温，耐候性好，无毒无味、安装方便，使用寿命长，日后维修可回收利用，不会形成固体废弃物对环境产生污染。由于泡沫金属具有非泡沫金属所没有的优异性，不仅适用于室内工程，且还适用于户外工程的吸声降噪，在汽车、交通、建筑、电子及航空工业等领域具有广泛的应用前景，泡沫金属这种吸声材料的结构、声学特性及其应用在工业领域内受到越来越广泛的重视。鉴于泡沫金属材料在降噪减震方面的优点，笔者对此进行了研究与分析，为泡沫金属材料在减震降噪方面的应用提供理论依据。

2 吸声原理

泡沫金属材料具有吸声作用主要是因为：多孔泡沫材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，引起孔隙的空气运动，与形成孔隙的固体终于发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波投射到空气中，噪声扩散效果明显，远处接收到的声压由于声波反射后产生较大相位差，造成声波的破坏干涉，合成声压降低；另外一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换耗散，如此反复，直到平衡，由此使材料“吸收”了部分声能。

3 多孔金属材料的声传播方程

假设泡沫材料的理想结构为由许多相互平行的微细管并联而成的，声波为平面简谐纵波，入射方向与管轴平行。以微细管为研究对象，其内介质的运动方程为：

式中：p为介质中的声压；v为介质沿轴向的质点速度（是微细管径向距离r的函数）；t为时间；C0为空气介质中的波速。

4 吸声性能参数

吸声系数和声阻抗是表示多孔金属材料吸声性能的物理参数。吸声能力从实用角度是以吸声系数表示。声波入射到材料表面时，入射声能的一部分被反射，一部分被吸收，吸收部分所占的比率用α表示，即吸声系数［1］：

用吸声系数来解决材料吸声问题是比较困难的，声阻抗Za比吸声系数α能够更本质地说明材料的吸声特性，提供更本质的数据。这是因为吸声系数只反映入射声与反射声间数量上的关系，而声阻抗如电阻抗一样，只与材料本身特性有关的量，可表示为：

式中：Ra，Ma，Ca分别为声阻、声质量及声容。为了方便分析与计算，一般用相对声阻z来代替声阻抗，他们的关系可表示为：

式中：S0，ρ0c0分别为面积和空气特性阻抗。

从式中可知，声阻抗实部主要是声阻的影响，正虚数部分为惯性的影响，负虚数部分主要是弹性的影响。材料的表面阻抗［2］为：

吸声系数的表达式［2］为：

对于刚性骨架，基于等效流体法，声波垂直入射到材料表面时，推导得吸声系数可表示为：

式中：k，l分别为波数和材料厚度。下列公式可引用参考文献［3］、［4］：

式中：ε，ϕ，σ及K分别为多孔金属的比热比、孔隙率、流阻率和压缩模量。κ，cv，b分别为热导系数，恒容温度和孔结构因数。

从式（11）可知，多孔金属材料的吸声性能完全可以由其声学特性参数表达。

根据式（11）可知，当多孔金属材料的厚度、密度、孔隙率、孔径大小一定时，则吸声降噪特性随着频率的增大而效果越好。如果孔隙率增加，孔径减小也可提高降噪效果。

针对多孔泡沫金属材料的声学特性数学模型进行了仿真，在空隙率为80%，孔径为1 mm，厚度为20 mm静流阻为68 700 Nm－4s时吸声系数与频率的关系，如图1所示。

图1 泡沫金属材料的吸声系数曲线

从图上可以看出，吸声系数随着频率的增加而增加。即对高频声音信号降噪效果好。

5 结 论

泡沫金属材料的降噪吸声频率特性总的变化趋势是吸声系数随频率的变化而变化，孔径和孔隙率是影响泡沫金属吸声性能的因素而且整体吸声系数是随着孔径的减少，孔隙率的增大而增大。而流阻率随着孔径的增大而减小。当孔隙率增加时密度减小，吸声系数增大。多孔金属材料的厚度对其吸声性能有很大影响，整体吸声系数随厚度的增大而增大，同时吸声系数还与热导系数和温度有关。所以泡沫金属材料孔隙率增加，孔径越小，材料厚度越大，则降噪性能越好；而对于高频的声音信号更能够起到很好的降噪效果。

［1］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础［M］.南京：南京大学出版社，2001.

［2］ Allard J F，Champoux Y.New empirical equations for sound propa⁃gation in rigid fibrous materials［J］.Acoust Soc Am，1992，91（4）：3346－3353.

［3］ Allard J F.Propagation of sound in porous media：Modeling Sound Absorbing Materials［J］.Elsevier applied science，2009（10）：372.

［4］ 马大猷.现代声学理论基础［M］.北京：科学出版社，2004.

Analysis of the Sound Absorbing Porous Metal

LI Yu－juan
（Liaocheng University，Dongchang College，Liaocheng Shandong 266510，China）

In this paper，the relationship between the cofficient of sound absorbing and structure of the porous metal is ana⁃lyzed and established，and the mechanic of sound absorbing is analyzed，the parameter which influences the sound absorption properties is also analyzed.The viscous effect is only considered without the effect of heat conduction.A parametric model is got on the basis of the application of the tubule acoustic propagation characteristics and Johnson－Allard equivalent fluid model.

porous metal；sound absorbing；wave equation；pore structure

TG14

A

1007－4414（2013）04－0075－02

2013－05－30

李玉娟（1981－），女，山东聊城人，助教，研究方向：机械振动理论、机械结构设计。