孫進(jìn)興，宋 帥，劉培生

(北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，射線束技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100875)

0 引言

多孔材料的性能研究在工程領(lǐng)域具有顯著的吸引力[1-3]。多孔制品可以應(yīng)用于很多場合，比如作為吸聲材料[4]。復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的低頻吸聲性能和較寬的吸聲頻帶等[5]，克服了單一的吸聲結(jié)構(gòu)存在的許多弊端。

一是穿孔板與吸聲材料進(jìn)行復(fù)合。利用穿孔板和吸聲材料進(jìn)行復(fù)合來提高吸聲性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到日常生活中。文獻(xiàn)[6]將不同穿孔率的穿孔板與復(fù)合材料氯化聚乙烯/滌綸短纖(CPE/SHPF)(4∶1)復(fù)合組成新型多層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效改善吸聲性能，拓寬吸聲頻率。

二是夾層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。通常由纖維增強(qiáng)材料和高分子吸聲材料組成三明治結(jié)構(gòu)，纖維增強(qiáng)材料具有高強(qiáng)度和高透聲性。文獻(xiàn)[7]較早指出這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可設(shè)計性。文獻(xiàn)[8]采用玻璃鋼與多種空心玻璃微珠混合，通過在芯層填充環(huán)氧樹脂和聚氨酯改性環(huán)氧樹脂組成夾層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)大大提高了吸聲性能。

三是分層多孔材料復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。將具有不同吸聲性能的材料按照一定的參數(shù)復(fù)合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料。文獻(xiàn)[9]用不同吸聲材料復(fù)合而成多層吸聲結(jié)構(gòu)，分析了不同材料厚度和孔隙率等對吸聲性能的影響。

四是穿孔板-吸聲材料-空腔復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10]將三維網(wǎng)狀泡沫金屬作為主要吸聲材料，在材料前面引入穿孔板，在材料背后加入空腔，復(fù)合后吸聲性能有了明顯提高。

穿孔板研究在其中也取得了一系列進(jìn)展。早期，馬大猷創(chuàng)立微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論[5]。但是穿孔結(jié)構(gòu)，特別是毫米級的孔加工起來較為復(fù)雜，導(dǎo)致造價很高。文獻(xiàn)[11]為了拓寬厚穿孔板的有效吸聲頻帶，研究了厚度為10 mm的環(huán)氧樹脂，在孔中加入微細(xì)的不銹鋼纖維并測量其吸聲性能，發(fā)現(xiàn)超細(xì)的不銹鋼纖維能有效拓寬吸聲頻帶。文獻(xiàn)[12]分析了厚度和放置方式對吸聲材料空腔聲阻抗和穿孔輻射聲阻抗的影響，為了優(yōu)化吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能，藺磊等建立了具有很高可靠性的穿孔-吸聲復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論模型。本文采用不銹鋼穿孔板結(jié)構(gòu)，用多孔吸聲陶瓷材料填充穿孔板背后空腔，即泡沫陶瓷前置穿孔板結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)具有剛度高、質(zhì)量輕、吸聲性能好等優(yōu)點。通過在泡沫陶瓷前面加入不同穿孔率的穿孔板組成穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究該復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能，探討穿孔板的類型和對泡沫陶瓷吸聲材料吸聲性能的影響關(guān)系。

1 實驗方法

1.1 泡沫陶瓷的制備

將天然沸石礦物粉末、粘結(jié)劑以及適量的添加劑和輔料進(jìn)行充分的混合，并加入自制造孔劑顆粒(由有機(jī)物與粘結(jié)劑混合造粒而成的小球,球徑為4～5 mm)，經(jīng)過模壓、干燥、燒結(jié)等步驟得到泡沫陶瓷樣品[13]。模壓是將混合后的原料放入一定規(guī)格鋁合金模具中,通過壓樣機(jī)施加90 N的壓力得到預(yù)制樣品塊。模壓制備的樣品先在室溫下放置48 h,然后放入馬弗爐中240 ℃保溫10 h充分干燥,最后采用SX-G36163型節(jié)能高溫實驗電爐以20 ℃/min加熱升溫至1 200 ℃保溫40 min后,待樣品自然冷卻取出,獲得泡沫陶瓷塊體，如圖1所示，其孔隙率為82.4%。

1.2 泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)

本文主要研究頻率在200～4 000 Hz復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。出于方便加工與清理，使用圓孔結(jié)構(gòu)的不銹鋼穿孔板，研究相同板厚、相同孔徑、不同穿孔率的穿孔板與泡沫陶瓷樣品所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。測定穿孔率的前提是保證孔在板上均勻分布，且孔徑相同。穿孔板的穿孔率是穿孔的總面積與整塊板的面積之比，用P表示。

本工作測試所用不銹鋼穿孔板均采用圖2所示的圓孔斜排結(jié)構(gòu)方式，分4種具體結(jié)構(gòu)，分別記為1號板、2號板、3號板和4號板。其中1號板和2號板直徑為100 mm，用于低頻吸聲系數(shù)的測試；3號板和4號板直徑為50 mm，用于中頻吸聲系數(shù)的測試。1號板(密穿孔板)板厚為1.20 mm,孔徑為4.3 mm，孔間距為10.4 mm，由公式計算出穿孔率為15.6%；2號板(疏穿孔板)板厚為1.20 mm,孔徑為4.3 mm，孔間距為15.4 mm，由公式計算出穿孔率為7.1%；3號板和4號板板厚為1.20 mm,孔徑為4.3 mm,孔間距分別為10.4 mm和15.4 mm，由公式計算出穿孔率分別為15.6%和7.1%。

2 結(jié)果與分析

2.1 穿孔率為7.1%的穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)

將穿孔率為7.1%的不銹鋼穿孔板稱為疏穿孔板，穿孔率為15.6%的不銹鋼穿孔板稱為密穿孔板。泡沫陶瓷與疏穿孔板進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)(疏穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)),用駐波管吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)測試其吸聲性能[14]，測試面為不銹鋼穿孔板。

圖3所示為泡沫陶瓷有無疏穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)變化曲線圖。由圖可以看出，聲頻為200～1 000 Hz時，吸聲系數(shù)均小于0.2，不具備吸聲性能。在頻率1 000～4 000 Hz時，疏穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)高于單一的泡沫陶瓷吸聲結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的第一吸收峰出現(xiàn)在頻率2 500 Hz處，峰值為0.95，說明該復(fù)合結(jié)構(gòu)在該頻率處具有優(yōu)異的吸聲性能。

疏穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能優(yōu)于未加疏穿孔板的單一泡沫陶瓷。這是由于泡沫陶瓷的孔徑較大，有足夠的外部聲波進(jìn)入到多孔體內(nèi)部而實現(xiàn)衰減，同時穿孔板與泡沫陶瓷之間還形成共振結(jié)構(gòu)。因此，該復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能好于單一泡沫陶瓷吸聲材料。

2.2 穿孔率為15.6%的穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)

泡沫陶瓷與密穿孔板進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，用駐波管吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)測試其吸聲性能，測試面為不銹鋼穿孔板。圖4所示為泡沫陶瓷有無密穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)變化曲線圖，由圖可以看出，在頻率200～1 000 Hz時，兩者吸聲系數(shù)均小于0.2，不具備吸聲性能。在頻率1 000～4 000 Hz時，密穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)高于單一的泡沫陶瓷吸聲結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的第一吸收峰出現(xiàn)在頻率2 500 Hz處，吸聲系數(shù)為0.96，說明該復(fù)合結(jié)構(gòu)在該頻率處具有優(yōu)異的吸聲性能。

密穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能優(yōu)于未加密穿孔板的單一泡沫陶瓷樣品，原因與疏穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)相同。圖5所示為泡沫陶瓷添加不同類型穿孔板(疏穿孔板和密穿孔板)構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線，添加密穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能比添加疏穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能要好，但效果差異并不是很大。

2.3 泡沫陶瓷-背后空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)

在吸聲材料和剛性壁表面之間直接引入空氣層可提高結(jié)構(gòu)的吸聲性能。引入的空腔結(jié)構(gòu)如圖6所示。在如何設(shè)置空腔上，本文用了一種獨特的方法，這種方法不僅能防止泡沫陶瓷樣品在駐波管內(nèi)發(fā)生傾斜，而且保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。用硬質(zhì)橡膠片制備出外徑為100 mm、內(nèi)徑為90 mm、厚度為3 mm的圓環(huán)，在測試過程中，將圓環(huán)放置在泡沫陶瓷樣品與剛性壁之間并緊貼剛性壁，通過增加圓環(huán)的數(shù)量來增加空腔空氣層厚度。在泡沫陶瓷背后引入不同厚度空腔，厚度依次為3 mm、6 mm和9 mm。用駐波管吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)分別測試其吸聲性能，測試面為泡沫陶瓷。

泡沫陶瓷背后加入空腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖7。

由該圖可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)第一吸收峰隨著空腔厚度的增加向低頻移動，背后空腔從0 mm增加到9 mm時，第一吸收峰頻率從2 500 Hz降低到1 250 Hz，吸聲系數(shù)峰值從0.66增加到0.95。從圖8可以看出，材料背后空腔厚度從0 mm增加到9 mm，平均吸聲系數(shù)從0.32增加到0.34。其機(jī)理是通過產(chǎn)生共振結(jié)構(gòu)來提高其吸聲性能[15]。

3 結(jié)束語

1)研究了穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。分別在泡沫陶瓷前加穿孔率為7.1%和15.6%的不銹鋼穿孔板，即疏穿孔板和密穿孔板。結(jié)果表明，疏穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)和密穿孔板-泡沫陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能都要高于單一泡沫陶瓷吸聲結(jié)構(gòu)。

2)研究了泡沫陶瓷-背后空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。分別在泡沫陶瓷背后與剛性壁之間添加不同厚度的空腔層，空腔厚度從3 mm增加到9 mm。隨著空腔厚度的增加，吸聲結(jié)構(gòu)的第一吸收峰從高頻移向低頻，峰值逐漸增大；空腔從0增加到9 mm，泡沫陶瓷的平均吸聲系數(shù)從0.32增加到0.34。對泡沫陶瓷而言，增加空腔的厚度可以改進(jìn)其吸聲性能。

3)通過添加穿孔板和背后空腔提高泡沫陶瓷的吸聲性能的研究，表明復(fù)合結(jié)構(gòu)對改善材料的吸聲性能起到十分重要的作用。