指挥控制方舱用吸声材料发展现状

2019-02-19白攀峰张晓南安立周

山西化工 2019年1期

白攀峰，张晓南，安立周，何山

(陆军工程大学野战工程学院，江苏南京 210007)

引言

在指挥控制方舱使用过程中，噪声因其独特的特征会对舱室乘员和内部设备产生很大危害。首先，噪声会影响乘员的睡眠，干扰乘员的情绪，造成其工作效率低下，甚至影响生理健康，严重的可能诱发神经系统疾病和心脑血管疾病，造成听力受损。同时，噪声还会影响方舱内仪器设备性能发挥、缩短设备使用寿命、加速结构老化、降低方舱声隐身能力等，严重削弱其战斗力发挥。所以，改善方舱噪声水平对提高乘员的舒适性、保证舱内仪器设备性能发挥、提高方舱隐身性能起到了关键作用。

1 方舱噪声来源及噪声主要防护手段

方舱噪声主要来源于三个方面。1) 内部声源，方舱内部设备仪器运行会产生大量工作噪声；2) 外部声源，如方舱运载车发动机、传动装置、轮胎等产生的机械噪声会通过舱壁辐射至方舱内部，外部声源产生的噪声一般是通过空气和方舱结构板传递至方舱内部；3) 结构噪声，在运载车辆行驶过程中，方舱壁板等因振动会产生大量结构噪声[1]。在以上三种噪声共同作用下形成了方舱内部复杂的内部噪声场。

为了降低噪声产生的危害，提升乘员工作、生活质量，提高装备战斗力，必须在噪声的产生和传播环节将其遏制。目前常用的防护方式通常是从噪声源、噪声传播路径和个体防护三个方面着手。1)降低或消除声源处噪声。在声源处降低噪声的产生是解决噪声危害最完美的一种方法。由于方舱配套设备通常是定型装备，采用替换设备来降低噪声源处噪声，在经济和技术等层面存在诸多限制，故难以有效控制声源处噪声。2)在传播路径中控制并衰减噪声。通过添加吸声材料等方式，可以在传播路径中有效降低噪声危害。如使用吸音板、隔音材料等在方舱壁适当位置进行改装。3)个体防护。如果在声源处和传播路径上都无法有效降低噪声影响，在特殊环境下可以使用降噪耳机、防护耳罩、隔音头盔等个体防护装备来保护乘员身心健康[2-3]。使用吸声材料在声波传播路径是控制衰减噪声的有效手段，因此开展新型吸声材料研究具有很高的学术价值和现实意义。

2 吸声材料研究现状

2.1 多孔吸声材料研究现状

在早期，多孔材料的研究主要集中在材料制备工艺方面，我国从20世纪80年代初开始着手研究泡沫金属等材料的研制和生产。随着材料科学技术的发展与成熟，各国都开始在提高多孔材料吸声性能领域投入更多的力量。因此，更多的研究人员开始关注多孔材料吸声理论研究，于丽新等人[4]研究了多孔材料的流阻、厚度、孔径、孔隙率等结构参数对其吸声性能的影响规律。

因为多孔材料的吸声性能由其结构参数直接决定，所以如何设计材料参数使其达到最佳的吸声性能成为当前研究热点。王月等[5]研究了采用发泡法制备的泡沫铝材料吸声性能随压缩率变化规律，发现通过压缩加工可显著改善泡沫铝的吸声性能，当压缩率为40%时,泡沫铝材料的吸声性能最好。王建忠等[6]采用烧结法将不锈钢纤维制备成具有不同孔隙率的多孔金属纤维材料，然后使用相同工艺可将不同孔隙率金属纤维材料烧结在一起，即可制备出具有多层梯度结构的多孔纤维材料。研究发现在相同厚度条件下，多层梯度结构多孔材料吸声系数远高于单层结构，当第一层孔隙率远低于第二层时多孔材料在低频具有较高的吸声系数，当制备三层梯度结构时，具有“低孔隙率+中孔隙率+高孔隙率”布局的多孔材料平均吸声系数最高。

然而，多孔材料普遍存在低频吸声性能不佳等问题，为了提升多孔材料在低频吸声性能，通常可以采用增加材料厚度或增加背后空腔等手段，但这两种方法都会极大增加吸声材料所占的空间尺寸。由于单一材料的吸声效果有限，在多孔吸声材料中添加不同的功能填料也成为当前的研究热点。王拥华等[7]将稻壳加入聚氨酯泡沫材料中，研究结果表明稻壳的加入显著提高了聚氨酯泡沫孔径的均匀性。随着稻壳含量的增加，噪声吸收峰不断向低频方向移动，说明适量稻壳的加入改善了聚氨酯泡沫材料低频吸声性能。钟爱昇等[8]将蛭石等气泡材料和金属铝颗粒添加到橡胶材料中，研究发现当声波作用到橡胶材料时，会引起气泡和金属颗粒的振动，这增加了橡胶的弛豫吸声效果，使得材料吸声性能产生了质的提升。Sedigheh B等将碳纳米管作为吸声填料加入到聚氨酯泡沫材料中，由于碳纳米管对材料微观结构的改性，导致材料的密度、孔隙率、孔径等结构参数都产生了变化，改性后材料在力学性能和吸声性能方面产生了极大的提升。

2.2 共振性吸声结构研究现状

2.2.1 薄板吸声结构

薄板吸声结构由四周固定的薄板及薄板与墙体之间具有一定厚度的空腔组成。当与共振频率接近的声波传递到薄板吸声结构表面时，在声波作用下薄板产生被迫振动，在此过程中声能转化为机械能。在振动过程中薄板内部的摩擦作用又将机械能转化为热能。只有在薄板吸声结构的固有频率与声波的频率一致时才会产生共振，达到吸声的效果。薄板吸声结构的共振频率一般为80 Hz～300 Hz，所以这种结构仅具有低频吸声特性。薄板吸声结构吸声性能受到薄板质量、空腔厚度、龙骨结构及安装方式等因素的影响。

2.2.2 薄膜吸声结构

薄膜吸声结构由薄膜材料和薄膜与墙体之间具有一定厚度的空腔组成，其结构与薄板吸声结构相似。薄膜材料通常选用具有柔软、有弹性、不透气等特征的材料，如皮革、塑料薄膜等。当与共振频率接近的噪声传递至薄膜表面时，薄膜产生共振现象使声能耗散。薄膜吸声结构的共振频率为200 Hz～1 000 Hz，该结构吸声系数最大为0.3～0.4。

2.2.3 穿孔板吸声结构

穿孔板吸声结构是由具有穿孔结构的薄板及薄板与墙体之间具有一定厚度的空腔组成。穿孔板吸声结构同样是依靠系统结构共振吸声，该结构上的每个小孔与其对应的背后空腔可构成一个共振器，穿孔板吸声结构相当于无数个亥姆霍兹共振器并联将结构。声波经过小孔传播到结构内部后，会导致空腔中空气产生震动，当声波与穿孔板吸声结构具有相同的共振频率时，空腔内的空气会产生强烈的共振，从而使声能转化为热量迅速衰减，产生良好的吸声效果。在共振频率附近该结构具有最大的吸声系数，偏离共振峰后吸声系数迅速降低，该结构的吸声频带很窄，只有几十到几百赫兹。其吸声性能主要取决于板厚、孔间距、孔径、空腔厚度等参数。

2.2.4 微穿孔板

马大酞教授在20世纪60年代率先提出了微穿孔板结构，并奠定了该结构设计的理论基础，为吸声材料发展做出了巨大贡献。由于该结构以结构简单、无污染、耐腐蚀、易清洁等优势，很快便取得了广泛的应用，被认为是下一代吸声结构的基础。微穿孔板厚度要求小于1 mm，孔径为丝米级，穿孔率在1%～5%。其结构布局和吸声机理与穿孔板吸声结构相似，但是因为微孔对其内部存在黏滞作用，声能耗散更快，因此其比穿孔板结构吸声系数更大、吸声频带也更宽。可以通过调整穿孔率、孔径、孔间距和空腔厚度的不同组合，制做出满足不同需求的吸声材料。

通过几种共振性吸声材料的对比我们发现，薄板吸声结构和薄膜吸声结构仅具有低频吸声性能，且吸声性能不佳，穿孔板吸声结构吸声频带较窄，由于微穿孔板优异的性能，引起了各国的科学家研究和开发热情。Desmond Danie等[9]使用混合、钻孔、热压等传统加工方法，利用红麻纤维和聚乳酸成功制备了可降解复合微穿孔板，研究发现声共振频率取决于样品后的空腔厚度，且空腔厚度还会改变样本的吸声系数峰值，且材料孔隙率随着纤维成分增加而增大。赵小丹等在微穿孔板的空腔内布置了并联机械阻抗结构形成复合吸声结构，通过实验测量了复合结构的吸声系数并建立了相应的计算模型，实验结果表明复合结构在中高频下保持了微穿孔板的吸声性能，且在低频区出现了三个明显的吸声峰，从而拓宽了材料在低频范围的吸声范围。Iman FALSAFI等将微穿孔板背后空腔分为几个不同深度的独立部分。这种多深度空腔比单一深度空腔吸声频带更宽，然后基于马大酞吸声理论和等效电路模型对其吸声性能进行模拟并优化，得到了最佳的腔体结构。优化结果显示通过增加空腔中的隔板数量，可以获得较宽的吸收范围，但会牺牲掉吸声系数峰值。

2.3 复合吸声结构

2.3.1 微穿孔板与多孔材料复合

Pritesh V Bansod等通过将纤维材料与微穿孔板组成复合结构，在不增加材料厚度的情况下来改善纤维材料的低频吸声性能，采用传递矩阵法建立了复合吸声材料的吸声模型并对其吸声性能进行了分析，得到微穿孔板的放置位置是结构吸声性能最重要因素。通过阻抗管法对复合结构进行了实验研究，实验结果表明，当微穿孔板在声波入射测时，复合结构在中频区段的吸声效果较好，吸收峰在500 Hz左右；当微穿孔板的位置在纤维材料后面时，复合结构对高频区的吸声性能得到改善。刘正清等[10]使用3D打印技术由聚合物材料制作了具有不同孔隙率的泡沫金属、微穿孔板复合结构，并利用传递矩阵法对材料吸声系数测试结果进行了理论验证，通过调整材料穿孔率可制得具有高吸收峰的复合结构，研究结果为制造用于声学应用的微穿孔板吸声结构提供了一种新的方法。

张燕等[11]研究了金属纤维材料、微穿孔板复合吸声结构的吸声性能，研究结果发现复合吸声结构在低频段吸声性能得到明显改善，吸声频带明显拓宽了。

2.3.2 多层微穿孔板结构复合

Hyun-Sil Kim等建立了一个可预测由多层弹性微穿孔薄板、刚性微穿孔板组成的复合吸声结构的吸声系数模型，并研究了板厚、孔径、穿孔率、空腔深度和阻尼等参数对吸声性能的影响，研究发现对于单层微穿孔结构，当穿孔率很小时，柔性微穿孔板结构的弹性行为和共振效能导致其吸声性能明显高于刚性微穿孔板结构，并给出了双弹性和三弹性微穿孔板在最优化设计中的参数选择准则。钱于杰等[12]针对吸声结构频带较窄的问题，提出了一种将微穿孔板串并联耦合的复合微穿孔板结构，建立了复合微穿孔板结构吸声系数的理论模型，并通过实验验证了理论预测结果的正确性。实验结果表明，该串并联耦合复合结构具有吸收频带较宽的特点，为提高微穿孔板吸收材料的吸收性能提供了一种新的方法。谭伟红等[13]通过将经典板类吸声方程与声波方程耦合得到声学-振动模型，并将该模型用于开发双层微穿孔板吸声结构，获得了更高的吸声系数和更宽的频带。

2.3.3 多层多孔材料复合

宁景峰等提出了一种带空腔的多层多孔金属吸声结构，采用Johnson-Allard模型研究了多孔材料吸声特性，实验结果表明带有气隙的多层多孔金属材料在低频范围内有较宽的吸声频带，表现出良好的吸声性能。罗善德等[14]建立了一种基于刚性壁的多层多孔材料复合吸声结构的表面阻抗和吸收系数吸声模型，通过实验验证了三种不同多孔材料的布置顺序及其厚度对材料性能的影响。实验结果表明厚度相同情况下，多层结构的吸声性能优于单层结构，最外层材料到最内层材料按照流阻率依次降低的排列顺序，结构具有较好的吸声系数。翟彤[15]等采用二次发泡工艺制备了由硬质泡沫、半硬质泡沫、软质泡沫组成的多层聚氨酯泡沫复合材料，并运用理论公式研究了材料的吸声性能和吸声机理。实验结果表明该结构吸声性能得到了明显的提升，且验证了多层材料吸声系数计算公式的实用性，对今后实验研究起到了指导作用。

2.4 其他吸声材料

2.4.1 空间吸声体

空间吸声体是一种悬置于空间上部的吸声构件，具有用料少、布置方便、吸声性能高等优点。空间吸声体通常由骨架、护面层和吸声填料构成，其形状多样，有方块状、板状、球状、柱状、锥状等，其中尤以板状应用最广泛，结构最简单。空间吸声体的独特之处在于它并非与墙面等壁面组合成吸声结构，而是一个独立的系统。Oslan等[16]采用声学类比电路图的方法从吸声机理方面对空间吸声体进行了深入研究，假如吸声体材料声阻抗选择恰当，由于材料的暴露表面增大和声波衍射影响,其吸声系数会大于1。赵松龄教授等[17]对空间吸声体的吸声机理进行了更深入的研究，发现了提高材料吸声性能的方法和规律[18]，为空间吸声体设计提供了技术指导，促进了其广泛应用。

2.4.2 吸声尖劈

吸声尖劈是一种用于建造消声室的特殊吸声体，为了减少入射声波的反射，使吸声材料和空气的声阻抗相匹配，将其设计为尖劈状。吸声尖劈由劈部和基部两部分组成，其基部和劈部的长度比应控制在1∶4左右为最佳。吸声尖劈的设计高度为噪声声波波长一半时吸声效果最好，高达0.98[19]。目前最常用的尖劈材料是玻璃棉。