金屬橡膠材料吸聲性能研究

金屬橡膠材料吸聲性能研究

金屬橡膠材料是一種均質(zhì)的彈性多孔材料。使用特定的工藝方法，將一定質(zhì)量、彈性和螺旋形金屬絲的有序或無序排放在沖壓或壓縮模中，然后通過冷沖壓法形成。金屬橡膠產(chǎn)品在阻尼減振、密封、節(jié)流、吸聲降噪、過濾等方面都有廣泛的應(yīng)用。金屬橡膠材料從表到里都具有大量的互相貫通的微孔和縫隙,也具有透氣性,符合多孔吸聲材料特征,屬于多孔吸聲材料。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,特別是大型強(qiáng)力風(fēng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣裝置的不斷發(fā)展,帶來了日益嚴(yán)重的強(qiáng)噪聲危害,消除或減弱由這些系統(tǒng)和設(shè)備的進(jìn)排氣傳播的強(qiáng)噪聲,即管道消聲問題,已成為改善人們工作和生活環(huán)境,提高人們生存質(zhì)量的一個(gè)重要課題。選擇適合于這種惡劣環(huán)境的多孔吸聲材料,研究其性能,揭示其機(jī)理,掌握其一般規(guī)律是管道消聲研究中的關(guān)鍵問題。特別是為了滿足航空航天及國防武器裝備等特殊應(yīng)用環(huán)境下吸聲降噪的需求,非常迫切的需要開展對具有工作溫度范圍大、抗腐蝕、強(qiáng)度高及使用壽命長等特性的多孔吸聲材料及其性能的系統(tǒng)研究。因此,在現(xiàn)代消聲器中要求使用能夠保證高效降低噪聲的多孔吸聲材料。理論研究和工程應(yīng)用實(shí)踐表明,作為性能優(yōu)良的多孔吸聲材料應(yīng)具有的主要特征是:吸聲頻帶寬、密度小、工作溫度范圍大、抗腐蝕、防蛀、對周圍環(huán)境無害、吸濕性小、結(jié)構(gòu)性好、工藝性好、壽命長、經(jīng)濟(jì)性好。選擇多孔吸聲材料取決于材料的工作條件、使用范圍和吸聲特性等。目前大多數(shù)多孔吸聲材料在惡劣環(huán)境下使用都存在著一些缺陷。為此,本文將重點(diǎn)分析研究金屬橡膠具備吸聲降噪及在惡劣環(huán)境下使用的特性,試驗(yàn)研究金屬橡膠吸聲降噪性能。1金屬橡膠吸聲性能測試方法吸聲系數(shù)和聲阻抗是表示材料吸聲性能的兩個(gè)主要參數(shù)。吸聲系數(shù)是材料吸收的聲能與入射聲能的比,反映了材料吸收聲能的大小。聲阻抗是波陣面上一定面積上的聲壓與通過這個(gè)面積上的體積速度的比,它是與材料本身特性有關(guān)的量,聲阻抗如電阻抗一樣,一般是復(fù)數(shù)?？杀磉_(dá)為式中:R、M、C分別稱為聲阻、聲質(zhì)量及聲容。為了方便分析與計(jì)算,一般用相對聲阻抗率z來代替聲阻抗Z,它們的關(guān)系可表示為式中:S0、ρ0c0分別為面積和空氣特性阻抗。從式(1)可知,聲阻抗實(shí)部主要是阻的影響,正虛數(shù)部分為慣性的影響,負(fù)虛數(shù)部分主要是彈性的影響。吸聲系數(shù)和聲阻抗之間有著非常密切的關(guān)系,吸聲系數(shù)可由聲阻抗求得,即式中:r、x分別稱為相對聲阻率和相對聲抗率,為無量綱參數(shù)。從式(3)可知,當(dāng)r=1、x=0時(shí)材料的吸聲系數(shù)最大,過大或過小的相對聲阻率r都會(huì)降低材料吸聲系數(shù)。材料吸聲性能的測量有兩種方法,一為混響室法,一為駐波管法。混響室法可以測量聲波無規(guī)入射時(shí)的吸聲系數(shù)和單個(gè)物體吸聲量。該方法測量精度高,但所需要的試件面積大,要求價(jià)格昂貴的封閉小室。用該方法測量的吸聲系數(shù)和吸聲量可在聲學(xué)設(shè)計(jì)工程中應(yīng)用。駐波管法可以測量聲波法向入射時(shí)的吸聲系數(shù)和聲阻抗。該方法所需要的試件面積小,安裝測量方便,并且測量精度可滿足科學(xué)研究要求。該方法測量的吸聲系數(shù)可用于不同材料和同種材料不同情況下吸聲性能的比較。此方法在試驗(yàn)研究中得到更廣泛的應(yīng)用。因此在對金屬橡膠吸聲性能試驗(yàn)研究中,選用駐波管法,其測量方法符合GBJ88-85國家標(biāo)準(zhǔn)。圖1是駐波管法測量金屬橡膠吸聲降噪性能試驗(yàn)裝置,圖2是它的結(jié)構(gòu)簡圖。其工作原理是:從揚(yáng)聲器中發(fā)出的聲信號(hào)為入射聲波,當(dāng)它傳到材料表面時(shí),發(fā)生反射,反射波和入射波疊加,即形成駐波。通過測量管內(nèi)駐波聲壓級(jí)峰值和谷值,以及它們所對應(yīng)的位置,就可計(jì)算出反映材料吸聲性能的兩個(gè)參數(shù)——吸聲系數(shù)和聲阻抗。2金屬橡膠的吸聲性能在現(xiàn)代消聲器使用的多孔吸聲材料中,玻璃棉、巖棉等無機(jī)纖維材料得到了比較廣泛的應(yīng)用。它們具有吸聲性能好、密度小、耐腐蝕等特點(diǎn),但易污染環(huán)境,不能直接應(yīng)用,需加保護(hù)層,這就降低了它們的吸聲特性。泡沫金屬也是現(xiàn)代消聲器中使用的一種多孔吸聲材料。泡沫金屬孔隙率高,易加工,但它的均質(zhì)性不好,機(jī)械強(qiáng)度低,容易產(chǎn)生龜裂,當(dāng)介質(zhì)振動(dòng)或脈動(dòng)大時(shí),易堵塞裝置的氣體通道。和其它多孔吸聲材料相比,金屬橡膠幾乎集成了這些材料對吸聲有利的特性:有效孔隙率(0.13~0.95)高、無死穴、比表面積大、性能穩(wěn)定、具有承受靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)載能力、工作溫度范圍大、可在各種環(huán)境下工作、制備工藝簡單。選用孔隙率0.7、金屬絲直徑0.1mm、厚度25mm的金屬橡膠,與密度30kg/m3、厚度25mm的超細(xì)玻璃棉和密度80kg/m3、厚度25mm的巖棉進(jìn)行吸聲系數(shù)的比較,如表1所示。從表1可以看出,與吸聲性能好的超細(xì)玻璃棉和巖棉相比,金屬橡膠在低頻時(shí)的吸聲系數(shù)遜于超細(xì)玻璃棉,但中高頻率吸聲系數(shù)要好于超細(xì)玻璃棉,在整個(gè)吸聲頻帶金屬橡膠與巖棉的吸聲性能相近。所以,金屬橡膠作為多孔吸聲材料的吸聲性能是比較好的。金屬橡膠能夠在現(xiàn)代消聲器中作為多孔吸聲材料使用,除了要有良好的吸聲性能外,還要具備能夠在高低溫、腐蝕等惡劣環(huán)境下工作能力。制造金屬橡膠的金屬絲一般是不銹鋼絲,這就決定了它耐高溫、耐腐蝕的特性。并且由于它的整個(gè)結(jié)構(gòu)是由不銹鋼絲組成,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,承受載荷能力強(qiáng),所以金屬橡膠的工作性能穩(wěn)定,使用壽命長。表2列出了金屬橡膠與玻璃棉、巖棉的一般性能指標(biāo)。從表2可以看出,由于金屬橡膠是由金屬絲制成,其密度要比其它材料大。但導(dǎo)熱率要比其它材料高,這樣更有利于材料內(nèi)能量的吸收與轉(zhuǎn)換,更有利于聲能的吸收。其它材料在一般情況下抗腐蝕、抗高低溫能力要低于金屬橡膠。材料的吸濕性對材料吸聲性能有很大影響。一般多孔吸聲材料在潮濕環(huán)境下的孔隙易被堵塞,容易引起材料的變質(zhì)等,影響了材料吸聲性能,甚至不能使用。而金屬橡膠吸濕性小,一般吸濕率小于5%。用含水3.3%的金屬橡膠與未含水之前的金屬橡膠進(jìn)行吸聲性能試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,金屬橡膠含水后對吸聲性能的影響較小,可在潮濕環(huán)境中工作。因此通過以上的分析可知,作為多孔吸聲材料的金屬橡膠適合于高低溫、腐蝕、潮濕等惡劣環(huán)境工作。3吸聲特性分析利用駐波管法對金屬橡膠進(jìn)行吸聲系數(shù)和聲阻抗測量,將測得結(jié)果繪成曲線,就可以直觀地分析它的吸聲特性。影響金屬橡膠吸聲降噪性能的因素主要是材料的厚度、孔隙率、金屬絲直徑以及材料背后的空氣層。圖4所示為用于試驗(yàn)研究金屬橡膠吸聲降噪性能的部分試件實(shí)物。3.1金屬橡膠材料的吸聲系數(shù)金屬橡膠的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括材料的厚度、孔隙率和金屬絲直徑。在其它兩個(gè)參數(shù)不變的情況下(參數(shù)不變時(shí)的值設(shè)為厚度h=20mm、孔隙率P=0.8、金屬絲直徑d=0.1mm),分別對這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析金屬橡膠不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖5~圖10所示。其中頻率與相對聲阻抗率關(guān)系曲線圖包括兩族曲線,分別是相對聲阻抗率的實(shí)部(相對聲阻率)曲線和虛部(相對聲抗率)曲線。從圖5可看出,隨著金屬橡膠厚度的增加,提高了低頻吸聲系數(shù),且中高頻吸聲效果也有所改善。從圖6可知,在低頻處隨著厚度的增加,材料的聲容增大,也就是材料的彈性增加。故加大材料厚度,增加空腔可改進(jìn)金屬橡膠低頻吸收。從圖7可以看出,減小金屬橡膠孔隙率可提高低頻吸收,但過高或過低的孔隙率不利于中高頻的吸收。從圖8可知,隨著孔隙率的減小,材料的聲阻增大,也就是材料的流阻增大。控制材料流阻,使其有適當(dāng)?shù)穆曌?可以提高金屬橡膠的吸聲系數(shù)。從圖9可看出,隨著金屬絲直徑的增加,金屬橡膠在整個(gè)吸聲頻帶的吸聲系數(shù)都減小。從圖10可知,隨著金屬絲直徑的增加,材料的聲阻有所減小?？赏ㄟ^改變材料的孔隙率,以提高大金屬絲直徑的吸聲系數(shù)。因此,通過圖5~圖10可知,改變金屬橡膠的結(jié)構(gòu)參數(shù),優(yōu)化這些參數(shù)的配置,可極大地提高金屬橡膠的吸聲性能。3.2金屬橡膠吸聲系數(shù)的提高金屬橡膠材料置于剛性壁前一定距離,即材料背后具有一定深度的空氣層或空腔,其作用相當(dāng)于加大材料的厚度,可以改善低頻的吸收。它比增加材料厚度來提高低頻吸收可以節(jié)省材料。選用厚度h=25mm、孔隙率P=0.7、金屬絲直徑d=0.1mm的金屬橡膠,當(dāng)背后空氣層厚度不同時(shí)對其進(jìn)行吸聲性能試驗(yàn)研究,結(jié)果如圖11和圖12所示。金屬橡膠背后有空氣層時(shí),材料的孔隙率對它的吸聲性能影響較大。取空氣層厚度L=50mm,選用厚度h=20mm、金屬絲直徑d=0.1mm的金屬橡膠,對它的不同孔隙率進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果如圖13和圖14所示。從圖11可知,增加金屬橡膠背后空氣層的厚度可提高低頻吸收,作用相當(dāng)于增加了金屬橡膠的厚度。中高頻的吸收與金屬橡膠背后無空氣層相比,吸聲系數(shù)的頻率選擇性較強(qiáng)。從圖12可知,金屬橡膠背后增加空氣層可提高聲容,也就是增加了材料的彈性,對金屬橡膠低頻吸收有較大影響。且空氣層厚度越大,相對聲阻抗率隨頻率的變化越大,從而金屬橡膠吸聲系數(shù)的頻率選擇性越強(qiáng)。從圖13可知,當(dāng)金屬橡膠背后設(shè)有空氣層時(shí),減小金屬橡膠孔隙率可增加低頻吸收,但過高或過低的孔隙率不利于中高頻的吸收。從圖14可知,在整個(gè)吸聲頻帶金屬橡膠孔隙率越小,聲阻相對越大,過大聲阻會(huì)降低金屬橡膠的吸聲性能。金屬橡膠孔隙率越大,聲阻和聲抗隨頻率的變化越大,從而吸聲系數(shù)的頻率選擇性越強(qiáng)。因此通過圖11~圖14可知,適當(dāng)增加金屬橡膠背后空氣層厚度,選擇合適的孔隙率,可提高金屬橡膠整個(gè)吸聲頻帶的吸聲性能。通過分析金屬橡膠材料厚度、孔隙率、金屬絲直徑和背后空氣層對吸聲性能的影響關(guān)系可知,提高材料低頻吸聲性能可增加材料厚度、減小孔隙率、減小金屬絲直徑或