嵌入局域共振單元寬頻減振降噪蜂窩夾層結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

陳洋，吳永鵬，李忠盛，黃安畏，李曉暉，吳道勛，舒露，花澤薈，董玲抒，孫彩云

（1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510300；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由上、下面板通過(guò)膠黏劑與蜂窩芯復(fù)合而成。其中，蜂窩芯本身不具備吸/隔聲性能，當(dāng)蜂窩芯與上下面板復(fù)合成夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，蜂窩芯腔體與上下面板構(gòu)成密閉空腔，空腔中的氣體介質(zhì)在聲波作用下將產(chǎn)生熱轉(zhuǎn)換和粘滯耗散吸收聲能。同時(shí)，蜂窩芯與上面板構(gòu)成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，使得其具有較好的隔聲性能。

傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在聲波中高、高頻階段具有優(yōu)異的聲學(xué)性能，但其對(duì)頻率小于600 Hz 的中低、低頻聲波的作用效果較差。針對(duì)該問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)具有寬頻降噪性能的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量研究，其中具有代表性的有在蜂窩芯中復(fù)合彈性薄膜構(gòu)成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以及在蜂窩芯中嵌入多孔尼龍薄膜復(fù)合而成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)在中、低頻段的吸/隔聲性能明顯提升。文中主要闡述了傳統(tǒng)降噪蜂窩夾層結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，嵌入局域共振單元新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及其降噪機(jī)理，并對(duì)其制造工藝進(jìn)行了探究。

1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中依據(jù)蜂窩芯的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，分為正六邊形、正方形、菱形等蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其中六邊形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。依據(jù)材料類(lèi)型，蜂窩芯材質(zhì)主要有紙、玻璃布、鋁合金、芳綸紙（Nomex）等，上、下面板主要有膠合板、纖維板、鋁合金板、玻璃鋼板、碳纖維板等。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中蜂窩芯本身不具備吸/隔聲性能，當(dāng)蜂窩芯與上下面板復(fù)合成夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，在聲波通過(guò)蜂窩芯中的密閉空腔過(guò)程中，空腔中的空氣介質(zhì)將產(chǎn)生交替壓縮和膨脹，壓縮區(qū)域的體積變小，溫度升高，而膨脹區(qū)域的體積變大，溫度降低，熱量將從高溫區(qū)向低溫區(qū)流動(dòng)，從而產(chǎn)生熱交換作用，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。同時(shí)，空氣介質(zhì)振動(dòng)時(shí)，由于其相鄰兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度不同而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生內(nèi)摩擦（也稱(chēng)為粘滯力），使得相當(dāng)一部分聲能耗散[1-2]。

經(jīng)測(cè)試，單層芯復(fù)合蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，當(dāng)聲波頻率大于600 Hz 時(shí)，其隔聲量隨頻率的提高而增加，但其對(duì)聲波頻率小于600 Hz 聲波的作用效果較差。為進(jìn)一步提升蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的降噪性能，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)各種類(lèi)型的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。其中，大連交通大學(xué)采用阻尼減振性更佳的鎂合金制造出了蜂窩夾層板，并對(duì)其隔聲性能進(jìn)行了研究。所采用的鎂合金阻尼減振性能比鋁合金高5～100 倍，比鋼高3 個(gè)數(shù)量級(jí)。蜂窩芯材壁厚0.04 mm，蜂窩芯邊長(zhǎng)為8 mm/4 mm，蜂窩芯高度為18 mm，與厚度為1 mm的上下面板復(fù)合而成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的隔聲量曲線如圖1 所示。可以看出，鎂合金蜂窩夾層板在中、高頻段的平均隔聲量大于30 dB，而其對(duì)中、低頻聲波的隔聲性能依舊不理想，隔聲量小于15 dB[3-4]。

圖1 鎂合金蜂窩夾層板隔聲性能Fig.1 Sound insulation performance of magnesium alloy honeycomb sandwich panel

采用在蜂窩芯中填充多孔吸聲材料可進(jìn)一步提升蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的降噪性能。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司采用蜜胺泡沫填充芳綸蜂窩芯樣品如圖2a所示。蜜胺泡沫是具有輕質(zhì)、開(kāi)孔率高、耐溫性能好、阻燃的新型吸聲泡沫塑料，其吸聲性能測(cè)試曲線如圖2b 所示。可以看出，填充蜜胺泡沫的芳綸蜂窩芯吸聲系數(shù)在中、高頻有一定提高，但在中、低段的提升有限[5-6]。

圖2 蜜胺泡沫填充芳綸蜂窩芯及其吸聲系數(shù)曲線Fig.2 Honeycomb core filled with melamine foam and its sound absorption coefficient curve:a) sample; b) sound absorption coefficient curve

依據(jù)馬大猷院士的 “微穿孔板共振吸聲理論”，開(kāi)發(fā)出了各類(lèi)型微穿孔蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板。其中，南京常榮噪聲控制環(huán)保工程有限公司在上下面板為0.5 mm、總厚度為20 mm 的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上面板，制備出了穿孔孔徑為0.25 mm、孔間距為2 mm 的超微孔吸聲蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。其吸聲系數(shù)曲線如圖3 所示，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.98[7-12]，但其在低頻的吸聲性能依舊不夠理想。

圖3 超微孔蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)曲線Fig.3 Sound absorption coefficient curve of super microporous honeycomb sandwich structure

2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗彎性能優(yōu)異、吸/隔聲性能、隔熱、電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其各種性能具有很寬的可設(shè)計(jì)性，可通過(guò)調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)、填充增強(qiáng)材料等方式達(dá)到優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)[13-15]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)功能一體化材料，已廣泛應(yīng)用于武器裝備的次承力結(jié)構(gòu)件以及內(nèi)飾等非承力件，如飛機(jī)的機(jī)翼、進(jìn)氣道、雷達(dá)罩、地板、內(nèi)飾板等，火箭的安定面，導(dǎo)彈的隔熱板、天線罩、整流罩，衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)的艙蓋、整流罩等。國(guó)外部分機(jī)型中蜂窩材料的應(yīng)用情況見(jiàn)表1。其中，Boeing 747 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)用量達(dá)4000 m2，Boeing 787 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了其在其他各領(lǐng)域的滲透，如高鐵、地鐵、汽車(chē)內(nèi)飾、隔聲板、隔熱板等，同時(shí)應(yīng)用于制作賽艇、游船、滑水板、沖浪板和滑雪板等，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的吸/隔聲性能作為建筑幕墻板應(yīng)用于劇院、電影院、大型會(huì)議廳/室等[16-18]。

3 嵌入局域共振單元寬頻降噪蜂窩夾層結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

針對(duì)傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)對(duì)中、低頻聲波聲學(xué)性能較差的問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)具有寬頻降噪性能的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量研究。其中具有代表性的主要有：在蜂窩芯中復(fù)合彈性薄膜構(gòu)成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以及在蜂窩芯中嵌入多孔尼龍薄膜復(fù)合而成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，該兩種結(jié)構(gòu)在中、低頻段的吸/隔聲性能明顯提升。

表1 國(guó)外部分機(jī)型中蜂窩材料應(yīng)用情況Tab.1 Application of honeycomb materials in some foreign models

其中，Ni Sui，Xiang Yan 等將厚度約為0.25 mm的橡膠薄膜與邊長(zhǎng)為3.65 mm、厚度為25 mm 的蜂窩芯直接復(fù)合形成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。聲波與該結(jié)構(gòu)作用時(shí)，除蜂窩芯被薄膜分離的兩個(gè)密閉空腔中的介質(zhì)對(duì)聲能產(chǎn)生聲熱轉(zhuǎn)換和粘滯耗散外，彈性薄膜作為局域共振單元，當(dāng)聲波激勵(lì)頻率與彈性薄膜結(jié)構(gòu)的共振頻率一致時(shí)，彈性薄膜將發(fā)生共振而產(chǎn)生形變，形變過(guò)程中彈性薄膜將消耗聲能，起到吸收聲波能量的作用。由于共振薄膜剛度通常較小，其共振頻率處于聲波的中、低頻段，從而對(duì)中、低頻聲波產(chǎn)生吸聲作用[2]。

對(duì)比測(cè)試表明，在50～1600 Hz 頻率范圍，與未引入彈性薄膜的常規(guī)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比，平均傳聲損失增加了9 dB，該結(jié)構(gòu)及隔聲測(cè)試曲線如圖4 所示[19]。該材料已在飛機(jī)機(jī)艙的地板和天花板等部位進(jìn)行了試用。

圖4 嵌入局域共振薄膜的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及隔聲曲線Fig.4 Honeycomb sandwich structure embedded with local resonance film and sound insulation curve

Naify 等將厚度約為 0.077 mm、孔格大小為0.01 mm，孔格面積占比為30%的柔性開(kāi)孔尼龍薄膜嵌入厚度為20 mm、蜂窩孔格大小為9.5 mm 的蜂窩芯材中，再與1 mm 厚的玻璃鋼板材復(fù)合成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。復(fù)合多孔尼龍薄膜蜂窩夾層結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該結(jié)構(gòu)除了利用密閉腔體聲熱耗散、粘滯耗散以及薄膜共振消耗聲能的原理外，同時(shí)利用了“亥姆霍茲共振吸聲器”原理。當(dāng)聲波入射到微孔共振薄膜表面時(shí)，薄膜微孔中的氣體在聲波作用下做往返活塞運(yùn)動(dòng)，由于氣體具有一定質(zhì)量，其將產(chǎn)生聲熱轉(zhuǎn)換和粘滯耗散，將聲能轉(zhuǎn)換為熱能，從而消耗部分聲能。同時(shí)聲波進(jìn)入微孔時(shí)，由于孔頸壁的摩擦和阻尼，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，或是轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能沿微穿孔板（結(jié)構(gòu)）傳遞轉(zhuǎn)移，聲能轉(zhuǎn)化為熱能[20-22]。

經(jīng)測(cè)試，在50～1600 Hz 頻率范圍內(nèi)，安裝一層和兩層柔性開(kāi)孔尼龍薄膜的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)分別增加2.5 倍和1.5 倍，傳聲損失分別增加3 dB 和7 dB，在低頻段的降噪性能明顯提升。該結(jié)構(gòu)的隔聲測(cè)試及理論計(jì)算曲線如圖6 所示[23-24]。

圖5 蜂窩復(fù)合多孔尼龍薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)Fig.5 Resonance sound absorption structure of honeycomb composite porous nylon film

圖6 蜂窩復(fù)合多孔尼龍薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)隔聲曲線Fig.6 Sound insulation curve of honeycomb composite porous nylon film resonance sound absorption structure

研究表明，當(dāng)共振薄膜上的開(kāi)孔直徑小于300 μm時(shí)，微孔共振薄膜蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的吸聲性能可以在保留原共振吸聲結(jié)構(gòu)優(yōu)越的聲學(xué)性能的基礎(chǔ)上，吸聲系數(shù)和吸聲頻帶寬度進(jìn)一步提高。同時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)密閉空腔高度和薄膜的穿孔率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)吸聲頻段的調(diào)節(jié)。適當(dāng)降低共振薄膜厚度可以改善吸聲帶寬，降低結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)嵌入局域共振薄膜及微開(kāi)孔工藝探究

4.1 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)嵌入局域共振薄膜

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中常選用環(huán)氧膠膜。該膠膜粘結(jié)能力強(qiáng)，固化后收縮率、蠕變性低，具有耐潮、耐熱、耐腐蝕性能，且厚度均勻，施膠量準(zhǔn)確，施工工藝簡(jiǎn)單，但環(huán)氧膠膜固化后脆性大、韌性較差，無(wú)法作為彈性薄膜引入蜂窩共振夾層結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)近年研制的端環(huán)氧基丁腈橡膠（主增韌劑）和聚芳醚酮（輔助增韌劑）增韌環(huán)氧樹(shù)脂彈性膠膜具有良好的粘接強(qiáng)度和較高的彈性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示。其在常溫下的剪切強(qiáng)度大于20 MPa，常溫?cái)嗔焉扉L(zhǎng)率達(dá)到了26.48%。該膠膜同時(shí)具有良好的耐熱性能，150 ℃下其剪切強(qiáng)度大于8 MPa，其5%熱失重時(shí)的溫度達(dá)到了349.5 ℃[25-28]。

圖7 彈性膠膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress strain curve of elastic film

該型膠膜的黏-溫曲線如圖8 所示。其最低點(diǎn)黏度大于 2500 Pa·s，遠(yuǎn)大于環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜(200～500)Pa·s 的最低點(diǎn)黏度。該型膠膜在上下蜂窩芯粘結(jié)過(guò)程中，膠膜不會(huì)產(chǎn)生延流塌陷現(xiàn)場(chǎng)，固化后能保持薄膜結(jié)構(gòu)完整。

圖8 彈性膠膜黏-溫曲線Fig.8 Viscosity temperature curve of elastic film

4.2 局域共振薄膜微開(kāi)孔工藝

局域共振薄膜微開(kāi)孔過(guò)程中，在保證開(kāi)孔均勻的同時(shí)，需要開(kāi)孔過(guò)程對(duì)薄膜不造成損害。由于開(kāi)孔直徑需小于300 μm，傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)孔方式已無(wú)法適用。激光加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于激光薄膜切割、激光薄膜打孔、激光薄膜熱封等，激光可在金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、紙張、皮革、高分子，甚至細(xì)胞膜上打孔。激光打孔相比其他打孔工藝的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：激光打孔的孔徑小，可開(kāi)微孔孔徑范圍為20～300 μm；開(kāi)孔邊緣光滑無(wú)殘留物質(zhì)；激光打孔不會(huì)使薄膜破裂，甚至由于微孔具有熔化邊緣可防止微孔破裂；開(kāi)孔孔徑可通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率和打孔時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)；開(kāi)孔速度快，精度高，可適用于工業(yè)生產(chǎn)。高分子薄膜激光打孔效果如圖9 所示[29-32]。

圖9 高分子薄膜激光打孔效果Fig.9 Laser drilling effect of polymer film: a) sample before fracture; b) sample after crushing; c) micro-hole cross section

激光打孔采用傳統(tǒng)的CO2激光器，因?yàn)榫钟蚬舱癖∧楦叻肿硬牧希浼t外吸收譜含有若干個(gè)尖峰，激光波長(zhǎng)的微小變化將會(huì)對(duì)薄膜的激光吸收系數(shù)產(chǎn)生巨大影響，因此需要對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行選擇。當(dāng)激光波長(zhǎng)與共振薄膜材料的紅外吸收光譜的尖峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相同時(shí)，會(huì)極大提高打孔速度。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在中、低頻段聲學(xué)性能較差的問(wèn)題，近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的嵌入局域共振彈性薄膜蜂窩夾層結(jié)構(gòu)能有效地提高其在中、低頻段吸/隔聲性能。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在局域共振彈性薄膜上引入微孔，使該微孔與蜂窩芯中的密閉空腔形成亥姆霍茲共振吸聲器，可進(jìn)一步提升其在中、低頻段的吸聲帶寬以及吸聲性能。國(guó)內(nèi)最近開(kāi)發(fā)出的端環(huán)氧基丁腈橡膠和聚芳醚酮增韌環(huán)氧樹(shù)脂彈性膠膜，因其具有較大的最低點(diǎn)黏度以及固化后具有良好的彈性，可用于制備蜂窩芯復(fù)合共振彈性薄膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可采用CO2激光器在局域共振薄膜上引入微孔，最終成型復(fù)合微孔局域共振彈性薄膜蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。