微納米多孔梯度材料隔聲性能試驗研究

楊 坤，張 航，龐福振

(1.海軍研究院，北京 100161；2.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，艦船輻射噪聲得到了較好的治理，但隨著國外探測水平的提高和我國艦船減振降噪技術的發展，過去不太關注的空氣傳遞噪聲逐漸成為重要的治理噪聲對象，但傳統減隔振措施等對艦船艙室空氣噪聲精細化控制代價較高，亟需在聲學新材料研發方面取得突破。利用孔隙通道對聲波進行控制使得多孔材料成為較好的吸聲材料之一，包括柔性材料，諸如巖棉等柔性多孔材料，多孔鋁等固態材料，由于多孔材料相對剛度較大、密度較低、聲學性能較好等性能，在減振降噪等領域展現出良好的應用前景[1]。在復合聲學材料性能試驗研究方面，李澤成等[2]通過仿真和試驗方法研究船用50mm復合巖棉板隔聲量。鮑舒婷等[3]利用試驗測試超細玻璃棉絲的隔聲性能，纖維直徑越細、棉氈的隔聲性能及力學性能越優異。胡勝等[4]基于仿真分析和實驗，開發了一種由微穿孔板、共振板、阻尼層加鍍鋅鋼板組成的復合共振吸隔聲屏障，提高了無機纖維類多孔吸聲材料聲屏障在低頻時的隔聲和吸聲性能。周理杰等[5]基于試驗測試，研究了以棉、苧麻、絲等8種紡織材料在不同空腔深度條件下的吸聲性能，苧麻的吸聲效果最優，隨空腔深度增加結構吸聲系數增大。周國建等[6]基于試驗測試提出一種擺臂式輕質薄膜聲學超材料結構方案,通過子單胞內引入多態反共振模式實現了低頻隔聲頻帶的拓寬及隔聲量的提高。徐芹亮等[7]利用海洋平臺常用舾裝結構的隔聲量經驗值，探究舾裝結構空腔夾層厚度對隔聲性能的影響，結果顯示增加夾層厚度可提高低頻隔聲性能。張穎等[8]利用模態試驗和有限元數值模擬研究彎扭耦合層合板的振動模態特性，探究了層合板低階模態下的弱耦合性。綜上，眾多學者對多類聲學材料復合結構進行了聲學性能測試研究，尚未見微納米多孔梯度材料聲學性能試驗研究報道，相關性能參數也不知悉。隨著復合材料聲學、力學和成型工藝研究的不斷深入，通過多孔材料與其他材料進行復合形成層間梯度材料，可進一步提高力學、聲學性能的可設計性。本文從船舶艙室噪聲控制出發，開發了一種兼具聲學和力學性能的的微納米多孔梯度材料，并進行了模擬艙室敷設該聲學材料的隔聲性能測試，為未來艦船艙室噪聲控制工程應用提供新思路和數據支撐。

1 測試原理

微納米多孔梯度材料隔聲性能試驗依托模擬艙室完成，模擬艙室為艦船內部典型艙室結構進行一定程度簡化。假設艙室內設置聲源，以聲功率W輻射，則聲源室內混響聲能密度為:

式中：R1為聲源室中的房間常數；c為聲速，入射到隔聲墻的聲功率為：

假設隔墻的傳遞系數為 τ ，則透過隔墻的聲功率為：

接收室內的混響聲能密度為：

式中：R2為接受室內的房間常數，聲能密度與聲壓有如下關系：

根據式(2)～式(5)，并利用聲壓級與聲壓關系，可得隔墻的傳聲損失為：

式中：L1,L2分別為聲源室和接受室內的聲壓級，當接受內壁面吸收系數很小時，式(6)可表示為：

式中：A為接收室的吸聲面積，m2。則測得聲源室和接收室內的平均聲壓級即可由式(7)得到隔墻的傳聲損失，即表觀隔聲量，記做R′。此外，還可用標準化聲壓級差來表征房間之間的空氣聲隔聲性能。標準化聲壓級差是采用接收室內參考混響時間修正的聲壓級差，記做DnT(dB)，即

式中：T為接收室內的混響時間；T0為參考混響時間；同時需要測量得接受室內的混響時間來計算標準化聲壓級差。在實際應用中，測量房間內若干位置聲壓級Lj，室內平均聲壓級為：

2 試驗模型和測試工況

2.1 試驗模型

試驗對象為內部（除艙室底面外）敷設微納米多孔梯度材料的模擬艙室，模擬艙室忽略艙室內部小尺度加強筋、弧面等，呈長方體，長L=2.4 m，寬度D=1.8 m，高度H=2.4 m，板厚0.004 m，內部總表面積S=23.6 m2，模擬艙室實物見圖1。

圖1 模擬艙室實物圖Fig.1 Physical drawing of simulated cabin

敷設微納米多孔梯度材料由大孔微納米材料-氣凝膠-中孔微納米材料-氣凝膠-微孔微納米材料5層構成，梯度主要體現在2個方面：1）微納米材料孔徑在厚度方向按照大（毫米級）-中（百微米級）-微（百納米級）梯度變化，如圖2所示；2）3層多孔材料之間采用氣凝膠層，梯度變化，梯度材料總厚度50 mm，各層厚度10 mm（氣凝膠適當壓緊后），整體密度1.1 g/cm3、等效彈性模量約400 MPa，大孔鋁密度1.08 g/cm3，孔隙率60%，中孔鋁密度1.215 g/cm3、孔隙率55%，微孔鋁密度1.35 g/cm3、孔隙率50%。采用駐波管法對微納米多孔梯度材料吸聲性能標準樣件進行吸聲測試，標準樣件如圖3所示，測試結果如圖4所示。

圖2 微納米多孔材料樣件Fig.2 Sample of micro-nano porous gradient materials

圖3 微納米多孔材料標準樣件Fig.3 Standard sample of micro-nano porous gradient materials

圖4 微納米多孔梯度材料樣件吸聲系數Fig.4 Sound absorption coefficient of micro-nano porous gradient materials

根據標準樣件的結構構型制備米級微納米多孔梯度材料板材，通過機械連接敷設在模擬艙室內表面，參考實船舾裝工藝，在微納米多孔梯度材料表面敷設一層鋁箔作為表面鋪層，敷設后的模擬艙室見圖5。

圖5 模擬艙室敷設微納米多孔梯度材料實物圖Fig.5 Physical drawing of micro-nano porous gradient materials in simulated cabin

2.2 測試工況

模擬艙室敷設微納米多孔梯度材料測點布置如圖6所示。無指向性白噪聲聲源激勵點布置在模擬艙室外#1位置，模擬艙室內沿長度方向布置4個傳聲器#1～#4，采集模擬艙室內空氣噪聲，傳聲器采用支架固定，經數據處理后得到艙室內平均聲壓，艙外聲壓考核點#5，#6分置聲源激勵點左右，采用同樣方法處理艙室外平均聲壓。將模擬艙室內外平均聲壓做差值即可得敷設微納米多孔梯度材料前后模擬艙室的隔聲性能，測試過程中保證信噪比大于10 dB。

圖6 試驗測試原理圖Fig.6 Schematic diagram of test

3 測試結果和數據分析

3.1 混響時間測試

微納米多孔梯度材料敷設導致模擬艙室聲學控制效果大幅變化，將導致艙室內測得的聲壓因存在聲學混響現象而產生誤差。隔聲量試驗前，先進行模擬艙室混響時間測量，并依據規范修正聲壓級混響時間項，混響時間測量采用聲源截斷法，即通過在模擬艙室布置無指向性聲源，分別對無敷設和有敷設微納米多孔梯度材料的模擬艙室進行混響時間測量（T20測試法），測試結果如圖7所示。

圖7 敷設微納米多孔梯度材料前后模擬艙室混響時間對比Fig.7 Comparison of reverberation time of simulated cabin before and after laying micro-nano porous gradient materials

由圖7可知，無敷設模擬艙室混響時間呈現“低頻大、高頻小”的特點，敷設微納米多孔梯度材料后模擬艙室全頻段混響時間基本無變化。

3.2 隔聲性能測試

按圖6布置聲源和傳聲器，無指向性聲源作為試驗載荷輸入，激勵源為20 Hz～20 kHz頻段白噪聲，無敷設和有敷設條件下艙室內外傳聲器位置完全相同，采用傳聲器測得艙室內外典型測點標準化聲壓級，結合采集的背景噪聲和混響時間，對數據進行背景噪聲和混響時間修正，結果如圖8和圖9所示。

圖8 模擬艙室內外平均聲壓時域信號Fig.8 Time domain signal of mean sound pressure inside and outside simulated cabin

圖9 模擬艙室內外測點平均聲壓級Fig.9 Frequency domain signal of mean sound pressure inside and outside simulated cabin

根據模擬艙室內外平均聲壓級測試結果，分別計算有無敷設微納米多孔梯度材料下的隔聲量，相應計算結果見圖10。

圖10 微納米多孔梯度材料敷設前后隔聲量結果Fig.10 Results of sound insulation of micro-nano porous gradient materials before and after laying

由圖10可知，聲源白噪聲激勵下，20 Hz～20 kHz頻段范圍內，敷設微納米多孔梯度材料能大幅提高模擬艙室隔聲量。在20 Hz～20 kHz頻段，無聲學材料敷設模擬艙室隔聲量總級為18.7 dB（A）；敷設微納米多孔梯度材料后，模擬艙室隔聲量為37.0 dB（A），隔聲量提高18.3 dB（A），可有效控制艦船艙室噪聲。在40 Hz，100 Hz頻點處，敷設微納米多孔梯度材料隔聲量有明顯下降，主要是因為白噪聲激勵引起模擬艙室結構共振，導致該頻段內隔聲效果減弱。

為分析微納米多孔梯度材料在各頻段內的隔聲效果，對20 Hz～20 kHz頻段進行劃分，分別對比低頻（≤200 Hz）、中頻（200～1 000 Hz）和高頻（≥1 000 Hz）各頻段下隔聲量試驗結果，如表1所示。

表1 各工況下不同頻段隔聲量曲線總級（dB）Tab.1 Sound insulation loss of different frequency bands under various conditions（dB）

由表1可知，對于不同頻段內艙室敷設微納米多孔梯度材料較無敷設時噪聲控制效果有所差異，在中低頻段內隔聲性能較好，這主要與材料孔隙率、彈性模型和密度設計有關。考慮到實際艙室應用中，由于機械設備機械引起的空氣噪聲頻段強度各不相同，可結合微納米多孔梯度材料的聲學、力學可設計性特點，針對性進行開發。

4 結 語

本文針對艦船艙室空氣噪聲控制難題，提出一種組合毫米級、微米級、納米級不同孔徑多孔鋁和氣凝膠的微納米多孔梯度聲學材料，并測得其吸聲性能、密度等參數，搭建模擬艙室敷設微納米多孔梯度材料隔聲性能測試系統，開展了隔聲量對比測試。

1）80 Hz～20 kHz頻段范圍內，無敷設模擬艙室混響時間呈“低頻大、高頻小”的特點，敷設微納米多孔梯度材料模擬艙室全頻段混響時間基本無變化。

2）敷設微納米多孔梯度材料后，模擬艙室隔聲量提高18.3 dB（A），具備較大的聲學優勢，且因具備一定的彈性模量，安裝更為方便。

3）綜合微納米多孔梯度材料密度、基本力學性能和隔聲能力，未來進一步對微納米多孔梯度材料進行重量、力學和聲學綜合優化設計，兼具結構和降噪功能，可作為艦船艙室空氣噪聲控制技術發展方向之一。