泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能研究

唐振正， 崔承勛

( 延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002 )

0 引言

泡沫鋁作為一種新型材料，具有良好的減震、阻尼、吸音、隔聲、散熱、吸收沖擊能等性能，但由于其本身強(qiáng)度不高，因此難以單獨(dú)作為吸能結(jié)構(gòu)件[1].為了提高泡沫鋁的強(qiáng)度，黃小清等[2]研究了泡沫鋁的初始密度、孔徑和試件尺寸大小等因素對其力學(xué)性能的影響，得出泡沫鋁應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要由初始密度決定，即初始密度越大泡沫鋁的屈服強(qiáng)度越高.王耀琦[3]研究了由梯度泡沫鋁填充脹環(huán)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能，結(jié)果表明其減振、抗緩沖性能優(yōu)于脹環(huán)結(jié)構(gòu).陳明營等[4]將泡沫純鋁基體變?yōu)殇X合金基體，并向基體中加入非金屬硬質(zhì)顆粒、纖維等，結(jié)果表明添加非金屬對泡沫鋁材料的性能有顯著提升.目前，泡沫鋁復(fù)合與其他材料的隔聲性能的對比尚未有文獻(xiàn)報(bào)道.基于此，本文將擠壓鋁板和泡沫鋁板組成不同厚度的泡沫鋁復(fù)合板，并對泡沫鋁復(fù)合板與其他材料的隔聲量進(jìn)行了對比.

1 泡沫鋁復(fù)合板傳聲理論分析

泡沫鋁復(fù)合板具有耐火、耐高溫、吸聲、吸熱及高強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于緩沖、減震、隔聲、保溫以及環(huán)保等領(lǐng)域[5].圖1為泡沫鋁復(fù)合板的橫截面示意圖，圖中間為多孔金屬泡沫鋁，兩邊為鋁板.

圖1 泡沫鋁復(fù)合板的橫截面示意圖

圖2為泡沫鋁復(fù)合板示意圖.圖2中σ為外層板的面密度，d0為泡沫鋁板的厚度，p0、p1、p2、p3為各表面的聲壓，Z1、Z2、Z3為各表面的聲阻抗.

圖2 泡沫鋁復(fù)合板模擬圖

Z3為空氣介質(zhì)的阻抗，其計(jì)算公式為：

Z3=ρ0c0.

(1)

Z3對應(yīng)于初始點(diǎn)的值，用ZT來表示：

(2)

ε=arctan h (Z0/ZT).

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)可以得到：

Z2=ρ0c0-iωσ,

(4)

Z1=Z0coth(bd0+ε).

(5)

用p0表示泡沫鋁復(fù)合板前方的聲壓， 用p3表示透過泡沫鋁復(fù)合板的聲壓，則結(jié)構(gòu)的隔聲量為p0/p3.

首先計(jì)算聲壓值的相互關(guān)聯(lián).根據(jù)慣性質(zhì)量層的運(yùn)動(dòng)方程以及阻抗的定義，可得

(6)

利用相同的辦法把p1和p2聯(lián)系起來，則層中的聲壓可以記為

p=2Acosh(bz+ε),

(7)

其中A為常數(shù)，z為垂直于層面上的量度坐標(biāo).

由式(3)—式(7)可得

(8)

由于前鋁板的p0、p1的轉(zhuǎn)換效果與后鋁板的p2、p3的轉(zhuǎn)換效果類似，所以可得

(9)

(10)

2 泡沫鋁復(fù)合板的隔聲量測定

本文主要根據(jù)《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量 第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》(GB/T 31004.1—2014)的相關(guān)規(guī)定對泡沫鋁復(fù)合板的隔音效果進(jìn)行測定.表1為泡沫鋁復(fù)合板試件A、B、C、D的技術(shù)參數(shù).

表1 試件A、B、C、D的技術(shù)參數(shù)

2.1 泡沫鋁復(fù)合板試件A、B的隔聲量測定

通過勁度實(shí)驗(yàn)，得試件A的勁度要高于試件B.試件A、B的隔聲量測定結(jié)果如圖3所示.由圖3中的折線可知，試件A、B的隔聲量符合質(zhì)量定律，并且試件A、B在250 Hz和500 Hz時(shí)分別發(fā)生一階共振和二階共振.

圖3 試件A、B的隔聲量

2.2 泡沫鋁復(fù)合板試件C、D的隔聲量測定

通過勁度實(shí)驗(yàn)，測得試件D的勁度高于試件C.試件C、D的隔聲量測定結(jié)果如圖4所示.由圖4中的折線可知，當(dāng)頻率低于700 Hz時(shí)，試件C、D的隔聲量符合質(zhì)量定律，并且試件C、D在160 Hz和400 Hz時(shí)分別發(fā)生一階共振和二階共振，且這兩處的隔聲量出現(xiàn)下降.

圖4 試件C、D的隔聲量

2.3 泡沫鋁復(fù)合板試件A、C的隔聲量對比

圖5為試件A、C的隔聲量對比圖.圖5中的折線表明，試件C的隔聲性能高于試件A.由于試件C的面密度高于試件A(表1)，因此可知板的面密度能夠影響隔聲性能.

圖5 試件A、C的隔聲量

2.4 泡沫鋁復(fù)合板與其他材料的隔聲量對比

選用膠合板(plywood)和諾美克斯蜂窩板(nomex honeycomb)與泡沫鋁復(fù)合板(試件A)進(jìn)行隔聲量對比，各材料的參數(shù)如表2所示.

表2 不同材料的技術(shù)參數(shù)

圖6為膠合板與泡沫鋁復(fù)合板的隔聲量對比圖.從圖6可以看出，兩種材料的隔聲量相似.從兩種材料的物理性能來看，膠合板的面密度、厚度高于泡沫鋁復(fù)合板，但其勁度較低：所以從綜合考慮來看，泡沫鋁復(fù)合板的隔聲性能優(yōu)于膠合板.

圖6 泡沫鋁復(fù)合板與膠合板的隔聲量對比

圖7為諾美克斯蜂窩板與泡沫鋁復(fù)合板的隔聲量對比圖.從圖7可以看出，泡沫鋁復(fù)合板的隔聲量始終高于諾美克斯蜂窩板.從兩種材料的物理性能來看，諾美克斯蜂窩板的面密度和厚度低于泡沫鋁復(fù)合板，且勁度過低，不能承受過大的彎曲應(yīng)力：所以，無論在隔聲性能上，還是在物理性能上，泡沫鋁復(fù)合板都要優(yōu)于諾美克斯蜂窩板.

圖7 泡沫鋁復(fù)合板與諾美克斯蜂窩板的隔聲量對比

3 結(jié)論

將泡沫鋁復(fù)合板的隔聲量與膠合板和諾美克斯蜂窩的隔音量進(jìn)行了對比，結(jié)果表明泡沫鋁復(fù)合板的隔音性能優(yōu)于這兩種材料，且泡沫鋁復(fù)合板的隔聲性能隨著面密度和厚度的增加而增強(qiáng).本文所得結(jié)果可以為泡沫鋁復(fù)合板的隔聲應(yīng)用提供參考.本文在實(shí)驗(yàn)中沒有考慮泡沫鋁孔隙的大小對隔聲量的影響，今后將進(jìn)一步研究泡沫鋁孔隙大小對隔聲性能的影響.