穿孔法改進泡沫鋁的吸聲性能

袁文文，李言祥，陳 祥

(清華大學 機械工程系，教育部先進成形制造重點實驗室，北京 100084)

穿孔法改進泡沫鋁的吸聲性能

袁文文，李言祥，陳 祥

(清華大學 機械工程系，教育部先進成形制造重點實驗室，北京 100084)

利用熔體發泡技術制備不同孔徑和氣孔率的泡沫鋁，對不同氣孔率的原始狀態泡沫鋁以及孔徑為1.1 mm的穿孔泡沫鋁的吸聲性能進行研究。結果表明：未設置背腔時，原始狀態泡沫鋁的吸聲性能不高，設置背腔后，由于泡沫鋁中所含通透結構的作用，泡沫鋁的吸聲性能明顯提高；穿孔泡沫鋁的穿孔率在0.5%～1.0%范圍，設置60～80 mm背腔時可使降噪系數超過0.42，比原始狀態泡沫鋁不設置背腔時的降噪系數高2倍左右；穿孔泡沫鋁設置背腔后的吸聲特性符合Helmholtz共振吸聲的規律，但受到穿孔結構、泡沫鋁原本存在的缺陷組成的通透結構和氣泡孔在穿孔過程中被打開的小開口等因素的影響。

泡沫鋁；穿孔；吸聲性能；Helmholtz共振

泡沫鋁的氣孔率、孔徑、孔形等結構，以及其壓縮性能、沖擊能量吸收性能等特性已經被廣泛研究，而對泡沫鋁吸聲降噪、隔熱、電磁屏蔽等性能的研究較少[1]。為滿足交通和航空航天高技術領域內的應用需求，泡沫鋁的功能特性需要特別被關注。泡沫鋁可分為開孔和閉孔兩大類，在以往對泡沫鋁的吸聲行為研究中，對由滲流法制備的開孔泡沫鋁的研究較多，而對閉孔泡沫鋁的研究偏少。

趙庭良等[2]、程桂萍等[3]和鄭明軍等[4]對氣孔率、孔徑和試樣厚度對開孔泡沫鋁吸聲性能的影響進行了實驗研究。LU等[5]建立了半開孔泡沫金屬的理論模型，MAYSENH?LDER等[6]用Wilson松弛模型描述了開孔泡沫鋁的吸聲性能。近期，何德坪研究組的劉偉偉等[7?8]應用LU的模型分析了梯度孔徑和孔結構周期調制的開孔泡沫鋁的吸聲特性。

關于閉孔泡沫鋁吸聲性能的研究滯后于開孔泡沫鋁，遠沒有達到可以建立數學模型來定量描述的狀態。HAN等[9]分析了孔徑在5 mm以下、氣孔率在69%～86%范圍內的閉孔泡沫鋁的吸聲特性，認為流阻40 000 Ns/m4左右的閉孔泡沫鋁吸聲特性最佳。尉海軍等[10?11]、LU等[12]對閉孔泡沫鋁吸聲性能的影響因素，如氣孔率、試樣厚度、壓縮方式和穿孔率等進行了實驗研究。從現有對閉孔泡沫鋁吸聲特性的研究中可以看出，泡沫鋁的閉孔形態必須破壞成開孔或者半開孔，才能體現好出的吸聲特性[9,11?12]。

穿孔處理是一種常用的閉孔泡沫鋁開孔方式，一些研究者測試過不同商品閉孔泡沫鋁穿孔后的吸聲性能。KOVACIK等[13]在厚8.9 mm的Alulight泡沫鋁上加工直徑為1.5 mm、穿孔率為1.4%的小孔，與質量和穿孔條件均相同的實心鋁板(1.5 mm厚)相比，Alulight泡沫鋁的吸收峰增高、增寬，吸聲峰值頻率降低。MCRAE等[14]的研究結果表明，在Cymat泡沫鋁產品上加工穿孔率為2.4%和2.5%的小孔時，孔徑為1.0和1.5 mm泡沫鋁的的吸聲效果相當，而且與穿孔率為5.6%的泡沫鋁相比，其吸聲平均值、峰值和低頻值均提高，并且吸聲峰值頻率降低，對中低頻吸收有利 。LU等[12]在20 mm厚Alporas泡沫鋁樣品上加工直徑為1 mm或者2 mm的小孔，依據其在直徑100 mm試樣上每隔2或3個氣孔進行穿孔，計算其穿孔率不超過4%；與未穿孔的泡沫鋁相比，穿孔后的泡沫鋁能顯著提高吸聲效果，在1 200～1 600 Hz范圍內，幾乎可以吸收所有的聲音。盡管有上述研究結果可參考，工程人員仍然難從中獲取有效的設計參數，包括如何選擇穿孔直徑、穿孔率和背腔厚度等，而且對泡沫鋁穿孔后的吸聲機制還缺乏足夠的認識。

由于高頻噪音(2 000 Hz以上)隨著傳播距離的增加或遭遇障礙物能夠迅速衰減，而低頻噪音遞減得很慢，并能輕易穿越障礙物直入人耳，危害更大。因此，本文作者針對2 000 Hz以下的中低頻聲音，在研究原始狀態閉孔泡沫鋁吸聲特性基礎上，系統分析穿孔對閉孔泡沫鋁吸聲性能的影響，并結合其吸聲規律探討其吸聲機制。

1 實驗

1.1 材料制備及處理

以純鋁為原材料，采用熔體發泡法，通過改變加鈣量和氫化鈦量制備了氣孔率分別為75.0%、83.2%和85.2%，對應孔徑分別2.7、3.7和4.5mm的泡沫鋁材料，工藝原理參見文獻[15]。不同氣孔率的泡沫鋁試樣被從制備的大塊泡沫體上切割下來，后經電火花線切割成測試吸聲性能的圓柱形試樣。

用機械鉆床在泡沫鋁上加工直徑為1.1 mm的穿孔。穿孔方式是在同一個試樣上逐步增加孔數目，以獲得需要的穿孔率。在加工過程中，盡量使各穿孔排成間距相等的方格。穿孔率p(%)和穿孔間距b (mm)之間滿足如下關系：p=95.0/b2。

1.2 吸聲性能測試

利用駐波管裝置測量泡沫鋁的垂直入射吸聲系數，裝置示意圖如圖1所示。剛性壁是活動的，可以調節泡沫鋁試樣背后所留的背腔厚度。為了避免邊緣效應及考慮泡沫鋁結構的不均勻性，泡沫鋁被線切割成直徑為98.5 mm的圓形樣品。聲音信號為純聲1/3倍頻程，在200～1 600 Hz范圍內。測量中讀出1～3組(630 Hz及以上讀3組)聲壓極大值Pmax和聲壓極小值Pmin，利用下式計算聲壓差L:

吸聲系數則為[16]

工程中將250、500、1 000、2 000 Hz這4個頻率的吸聲系數的算術平均值稱為“降噪系數”，來粗略比較和選擇吸聲材料。本研究中用1 600 Hz的吸聲系數代替2 000 Hz時的值來計算降噪系數，用NRC′表示。

圖1 駐波管裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of standing wave tube

2 實驗結果

2.1 原始狀態泡沫鋁的吸聲性能

圖2所示為不同氣孔率的10 mm厚原始狀態泡沫鋁緊貼剛性壁時的吸聲特性。由圖2可知，其吸聲性能隨著氣孔率的增加而提高，但是原始狀態泡沫鋁的吸聲性能不高。例如氣孔率為83.2%的泡沫鋁，其NRC'為0.15，吸聲峰值僅為0.31；即使氣孔率達到85.2%，其NRC'和吸聲峰值也只有0.2和0.4。

圖3所示為氣孔率為83.2%的10 mm厚泡沫鋁在設置不同厚度背腔后的吸聲特性。由圖3可知，隨著背腔厚度增加，其吸聲峰值先增加而后趨于平穩，達到0.8左右；峰值頻率隨背腔厚度增加而逐漸降低，增強了低頻時的吸聲效果。在設置80 mm背腔時，其吸聲峰值為0.82，NRC'為0.31，均比不設置背腔時增加1倍左右。

圖2 原始狀態泡沫鋁緊貼剛性壁時的吸聲特性Fig.2 Sound absorption properties of aluminum foams in as-received state with no back cavity

圖3 原始狀態泡沫鋁設置不同厚度背腔后的吸聲特性Fig.3 Sound absorption properties of aluminum foams in as-received state with different thickness of back cavity

2.2 穿孔泡沫鋁的吸聲性能

圖4所示為在氣孔率83.2%的10 mm厚穿孔泡沫鋁的吸聲特性。圖4(a)所示為未穿孔和不同穿孔率條件的泡沫鋁緊貼剛性壁時的吸聲特性；圖4(b)所示為在這些泡沫鋁后面設置60 mm厚背腔時的吸聲特性；圖4(c)所示為穿孔率為0.5%留有不同厚度背腔時的吸聲特性；圖4(d) 所示為穿孔率1.0%留有不同厚度背腔時的吸聲特性。

由圖4(a)可知，在未設置背腔時，穿孔泡沫鋁的吸聲系數隨穿孔率的提高而逐漸提高。與圖4(b)中設置60 mm厚背腔時的泡沫鋁相比，無背腔時泡沫鋁的吸聲峰值應該在高于1 600 Hz的頻率出現，并且峰值頻率似乎是隨著穿孔率的提高而逐漸提高。

由圖4(b)可知，留60 mm厚背腔時，不同穿孔率下的吸聲峰值、峰值頻率和降噪系數見表1。隨穿孔率逐漸增加，吸聲峰值先升高后減小，在穿孔率為1.0%時達到最大值0.99；峰值頻率逐漸增大；NRC'體現了和峰值同樣的特性先增大后減小，穿孔率為0.5%和1.0%時分別達到最大值0.43和0.42。因此，在穿孔率為0.5%～1.0%時，穿孔泡沫鋁可以獲得更優的吸聲效果，NRC'和吸聲峰值比原始狀態泡沫鋁不留背腔時的高2倍左右。

由圖4(c)可知，改變背腔厚度時，其吸聲峰值基本不變；峰值頻率隨背腔厚度增大而逐漸降低；NRC'先增加后維持在0.43，見表2。如果使背腔厚度大于80 mm，會提高低頻段的吸聲效果，但會犧牲中頻段的吸聲效果，而NRC'會先保持不變而后逐漸降低。

穿孔率分別為0.5%和1.0%時的兩種泡沫鋁的吸聲特性具有同樣的變化特征，見圖4(d)和表3。因此，為提高整個中低頻范圍的吸聲特性，泡沫鋁的穿孔率以在0.5%～1.0%之間為宜，而相應的背腔厚度在60～80 mm范圍內最合適。

表1 設置60 mm背腔時不同穿孔率泡沫鋁的吸聲特性Table 1 Sound absorption properties of aluminum foams with different holes area ratios and 60-mm-thick back cavity

圖4 穿孔泡沫鋁的吸聲特性Fig.4 Sound absorption properties of aluminum foams after drilling holes: (a) With different holes area ratios and no back cavity; (b) With different holes area ratios and 60-mm-thick back cavity; (c) With 0.5% holes area ratio and different thickness of back cavity; (d) With 1.0% holes area ratio and different thickness of back cavity

表2 設置不同厚度背腔時穿孔率0.5%泡沫鋁的吸聲特性Table 2 Sound absorption properties of aluminum foams with 0.5% holes area ratio and different thickness of back cavity

表3 設置不同厚度背腔時穿孔率1.0%泡沫鋁的吸聲特性Table 3 Sound absorption properties of aluminum foams with 1.0% holes area ratio and different thickness of back cavity

3 討論

3.1 原始狀態泡沫鋁的吸聲機制

由于泡沫鋁的金屬骨架本身阻尼性能很低，所以材料自身振動對吸聲的作用有限。從圖3可以看出，泡沫鋁背后加背腔體現了明顯的Helmholtz共振吸聲特性。因此，可以推斷泡沫鋁雖是閉孔結構，但其中含有一定量的通透結構，否則泡沫鋁的吸聲性能僅由表面孔形態決定，與背腔無關。通透結構是在泡沫鋁制備中產生的，其形式是裂紋或穿孔等缺陷。這樣在原始狀態泡沫鋁不設置背腔時，其吸聲性能主要由通透結構產生的粘滯和熱效應決定。當泡沫鋁的氣孔率提高時，依據泡沫鋁的制備工藝，增加了泡沫鋁中含有通透結構的幾率，所以表現出吸聲特性會隨氣孔率提高而增加。而在泡沫鋁留背腔時吸聲特性主要由通透結構引起的Helmholtz共振決定。

3.2 穿孔泡沫鋁的吸聲機制

在泡沫鋁上鉆孔，會形成如圖5所示的穿孔形態。依據氣泡與所穿的孔位置不同，氣泡上被打開的孔口大小不一。如果形成了微米級的開口，如圖5中數字1標明的小開口，那么由于粘滯作用聲波穿透該開口會損失較大的聲能。這就是泡沫鋁穿孔之后在未留背腔時吸聲性能比未穿孔前有大幅提高的原因。氣泡上的小開口與氣泡本身也會形成Helmholtz共振，該共振頻率由下式計算

式中：c為聲音在介質中的傳播速度；s為氣泡孔上開口的截面積；l為開口的頸長；V是氣泡孔的體積。因為氣泡孔的直徑均小于10 mm，所以共振頻率的值遠超過20 kHz，可以不考慮該結構對吸聲的影響。

圖5 泡沫鋁穿孔處理后氣泡孔開口狀態示意圖Fig.5 Schematic diagram of openings on cells formed by drilling process: 1—Small openings; 2, 3—Large openings

如果在泡沫鋁背后設置背腔，沿泡沫板厚度方向的穿孔會與背腔形成Helmholtz共振。可以應用微穿孔理論[17?18]來描述這種共振的效果，如式(4)、(5)和(6)。

式(4)～(6)中相關參數可用下列各式表達：

式中: c為聲音在介質中的傳播速度，取340 m/s；d為穿孔直徑，mm；p為穿孔率，%；t為穿孔板的厚度，mm；D為背腔厚度，mm；f為聲音頻率，kHz。式(4)給出了微穿孔板的吸聲系數α的表達式，式(5)和式(6)分別是由式(4)導出的吸聲峰值αmax和共振頻率f0的表達式。如果穿孔直徑不是比板厚小得多，這3個公式適用于任何材料的微穿孔板。

式(4)～(6)描述的Helmholtz共振可以解釋這樣的吸聲規律：1) 隨著穿孔率的增加，吸聲峰值先增加后減小，峰值頻率逐漸增加；2) 隨著背腔厚度的增加，吸聲峰值不變，峰值頻率逐漸降低。但是正如比較圖6中穿孔泡沫鋁和穿孔實心鋁板的吸聲特性可知，簡單化的Helmholtz共振機制不能完全反映穿孔泡沫鋁設置背腔后的吸聲特點。圖6所示為穿孔直徑為1.1 mm、穿孔率為1.0%、厚度為10 mm的泡沫鋁設置有80 mm背腔時的吸聲曲線。與同樣穿孔直徑、同樣穿孔率、同樣板厚的實心板(圖6中虛線所示)和同樣穿孔直徑、同樣穿孔率、同樣質量(厚1.7 mm)的實心板(圖6中實線所示)的吸聲特性相比，穿孔泡沫鋁的降噪系數、吸聲峰值、峰值頻率、峰的半高寬均更大。

穿孔泡沫鋁中除了穿孔這種主要結構特征，原本存在的缺陷組成的通透結構引起Helmholtz共振、氣泡孔上被打開的小開口引起的粘滯效應和熱效應，均會增加泡沫鋁的整體吸聲性能。另外，即使對穿孔特征而言，由于大多數穿孔會穿過氣泡，而不是穿過孔棱邊界，所以穿孔的孔型不是圓形，并且穿孔的實際長度會發生變化。這三方面因素即是穿孔泡沫鋁有優于同等條件穿孔實心鋁板吸聲性能的原因。

圖6 設置有80 mm背腔時穿孔泡沫鋁和穿孔實心鋁板的吸聲特性Fig.6 Sound absorption properties of aluminum foam and aluminum solid sheets after drilling holes with 80-mm-thick back cavity (Curves of solid sheets are calculated according to Eqn.(4))

4 結論

1) 原始狀態泡沫鋁中所含有的一定量通透結構決定了其吸聲性能。背后未設置背腔時，通透結構起粘滯和熱效應作用；設置背腔后通透結構與背腔組成Helmholtz共振結構，泡沫鋁的吸聲峰值和降噪系數可以明顯提高。

2) 穿孔泡沫鋁設置背腔后的吸聲特性符合Helmholtz共振吸聲規律，即隨穿孔率的增加，吸聲峰值先增加而后減小，峰值頻率逐漸增加；隨背腔厚度的增加，吸聲峰值不變，峰值頻率逐漸降低。在泡沫鋁上加工直徑1.1 mm，穿孔率0.5%～1.0%的穿孔，設置60～80 mm厚的背腔可使吸聲峰值接近1，降噪系數超過0.42，比原始狀態泡沫鋁不設置背腔時的降噪系數高2倍左右。

3) 簡單化的Helmholtz共振機制不能完全反映穿孔泡沫鋁設置背腔后的吸聲特點。它的吸聲特性受到穿孔結構、泡沫鋁原本存在的缺陷組成的通透結構和氣泡孔在穿孔過程中被打開的小口等三方面因素的影響。

致謝：

本項研究得到浙江省科技研究計劃的支持(2009C31049)，泡沫鋁制備在杭州龍邦合金科技有限公司完成，特此致謝！

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(編輯 何學鋒)

Improving sound absorption of aluminum foams by drilling holes

YUAN Wen-wen, Li Yan-xiang, CHEN Xiang
(Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Aluminum foams with various cell sizes and porosities were prepared by the melt foaming process. The sound absorption properties of aluminum foams with different porosities in as-

state and with drilling holes of 1.1 mm diameter were investigated. The results show that the aluminum foams in as-received state with no back cavity do not possess high sound absorbability, while setting up a back cavity behind the foam can improve the sound absorbability according to some permeable structures existing inside the aluminum foam; the noise reduction coefficients of the aluminum foams with 0.5%?1.0% holes area ratio and 60?80 mm thick back cavity are above 0.42, which are about twice more than that of the aluminum foam in as-received state with no back cavity. The sound absorption coefficients of the aluminum foams with drilling holes comply with the characteristics of Helmholtz-type resonators when a back cavity exists. But they are affected by the structure of the drilling holes, the permeable structures derived from inherent defect inside the aluminum foam and the small openings on the cells formed by drilling process.

aluminum foam; drilling holes; sound absorption; Helmholtz-type resonator

TG146.21

A

1004-0609(2011)01-0138-07

浙江省科技研究計劃資助項目(2009C31049)

2010-03-04；

2010-04-15

李言祥，教授，博士；電話: 010-62773640; E-mail: yanxiang@tsinghua.edu.cn