某種多孔陶瓷的消聲性能試驗(yàn)

楊碧君，潘國(guó)培，賀華，丁煒，周相榮

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?，體內(nèi)具有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料，就微孔結(jié)構(gòu)形式可分為閉氣孔結(jié)構(gòu)和開口氣孔結(jié)構(gòu)[1]。

多孔陶瓷材料具有相對(duì)密度小、比表面積大、熱導(dǎo)率低、比強(qiáng)度高及吸附性能好等特點(diǎn)[2]，對(duì)液體和氣體介質(zhì)有選擇的透過(guò)性，能量吸收或阻尼特性，加之陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，使多孔陶瓷這一綠色材料可以用于氣體和液體中過(guò)濾、凈化分離、化工催化載體，它是吸聲減震材料、高級(jí)保溫材料、生物植入材料、特種墻體材料和傳感器材料，因此在多方面得到廣泛的應(yīng)用[3]。

本文就多孔陶瓷材料在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)孔源率40%多孔陶瓷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。討論其作為消聲器時(shí)的主要影響因素。

1 基礎(chǔ)理論

一般多孔材料的聲學(xué)模型有兩類，一類為剛性骨架模型[4—6]，骨架的彈性模量比空氣大若干個(gè)數(shù)量級(jí)，在受到擾動(dòng)時(shí)，骨架的響應(yīng)完全可以忽略；另一類是彈性體骨架模型[7]，聲波在多孔材料中傳播時(shí)，骨架發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生聲振耦合。根據(jù)多孔陶瓷材料的制造工藝，采用剛性骨架模型進(jìn)行聲學(xué)分析，有經(jīng)驗(yàn)公式[4]、宏觀理論[8]和微觀理論[5]三種分析途徑。Allard和Champous[9]對(duì)宏觀理論和微觀理論進(jìn)行統(tǒng)一，將流阻表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到了剛性骨架材料層的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型，彌補(bǔ)了Delany-Bazley[4]模型在低頻計(jì)算不準(zhǔn)確的缺陷。

2 多孔陶瓷在聲學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 吸聲材料

作為吸聲材料，影響其吸聲特性的主要因素是材料自身的空氣流阻孔隙率和結(jié)構(gòu)因子。目前較為常用的是采用Zwikker-Kosten模型[5]和Stinson模型[6]來(lái)描述空氣和孔壁粘性效應(yīng)和熱交互作用。Takahara[10]研究了微粒型多孔陶瓷材料的吸聲特性，其主要影響參數(shù)為微粒平均直徑、孔隙率、材料厚度和背后空腔厚度。

研究表明[11]，單獨(dú)的氣泡和密閉間隙不起吸聲作用，只有具有連通氣孔、60%以上的孔隙率、孔徑為20～150 μm以及機(jī)械強(qiáng)度較高的多孔陶瓷才能作為吸聲材料。

2.2 隔聲材料

與吸聲材料不同，具有閉氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷可用作隔聲材料，聲波傳播到材料表面時(shí)，絕大部分被反射，透射的聲波大大減小，從而起到隔聲作用。多孔陶瓷所具有隔聲性能以及優(yōu)良的耐火性[12]和耐候性[13]，使它越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于變壓器、影劇院的隔聲，以及高層建筑等防火要求較高的場(chǎng)合。

2.3 消聲器

近年來(lái)，具有剛性骨架結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料被應(yīng)用于消聲內(nèi)襯[14]，并廣泛開展了高溫、高聲壓級(jí)下多孔材料特性的研究，獲得硬壁背襯下材料表面聲阻抗的計(jì)算模型[15]，而作為阻塞型消聲器的研究卻很少。

多孔陶瓷消聲器最早出現(xiàn)于80年代，用來(lái)控制排氣噴流噪聲，已應(yīng)用于鑄鍛車間以壓縮空氣為動(dòng)力的射芯機(jī)、壓力機(jī)、分箱機(jī)和捅箱機(jī)等排氣口上，取得了30 dB(A)以上的消聲效果[16]。多孔陶瓷消聲器還用于降低蒸汽加熱管道產(chǎn)生的寬頻帶噪聲，消聲量達(dá)26 dB(A)[17]。

3 消聲性能實(shí)驗(yàn)

為確定影響多孔陶瓷聲學(xué)性能的因素，將不同規(guī)格的多孔陶瓷管通過(guò)夾具安裝在排氣口，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

測(cè)試時(shí)，將傳感器布置在距陶瓷表面1 m位置處，記錄安裝多孔陶瓷管前后的排氣噪聲。圖1為多孔陶瓷管的試驗(yàn)夾具照片。

表1 多孔陶瓷試驗(yàn)條件

圖1 多孔陶瓷管的試驗(yàn)夾具

4 消聲性能影響因素分析

4.1 孔隙率

孔隙是表征多孔陶瓷的基本參量。圖2給出了孔隙率與一些物理性能之間的關(guān)系。多孔陶瓷材料作為聲學(xué)產(chǎn)品使用時(shí)，除了滿足聲學(xué)性能要求外，其強(qiáng)度也是關(guān)鍵考慮因素。隨著孔隙率增加，材料的斷裂韌性逐漸下降，其失效過(guò)程表現(xiàn)出一定的塑性，孔隙率越高，失效強(qiáng)度越低，塑性失效越明顯[18]。

汪永清等[11]研究了以木炭屑和鋸末為造孔劑的兩種吸聲陶瓷孔隙率在15%～45%之間的吸聲效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孔隙率越高，吸聲效果越好。

基于此，在本文的研究中，所選用的多孔陶瓷孔隙率都為40%，以排除孔隙率對(duì)聲學(xué)性能的影響，同時(shí)滿足試驗(yàn)過(guò)程中材料強(qiáng)度的要求。

4.2 壁厚

從理論上來(lái)看，增加厚度可以增加多孔陶瓷的聲阻抗，同時(shí)增加了氣體在多孔陶瓷內(nèi)經(jīng)歷的路程，最終導(dǎo)致消聲量的增加?；诖耍赥1工況下對(duì)壁厚為4 mm和6.6 mm的多孔陶瓷管進(jìn)行消聲量測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。無(wú)論是從頻譜還是總的消聲量上來(lái)看，壁厚為6.6 mm的多孔陶瓷的消聲量略高于壁厚為4 mm的多孔陶瓷，但兩者差異并不顯著，這是因?yàn)樵囼?yàn)所選用的兩類多孔陶瓷管壁厚的差異不至引起消聲效果的顯著變化。

圖2 孔隙率與物理性能的關(guān)系

圖3 不同壁厚的多孔陶瓷管消聲量

4.3 過(guò)濾精度（孔徑）

在其它參量相同的情況下，選擇孔徑為5 μ和20 μ的相同材質(zhì)多孔陶瓷、50 μ的碳化硅多孔陶瓷和30 μ的剛玉多孔陶瓷在T1工況下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。在這幾種規(guī)格下，20 μ多孔陶瓷管的消聲效果最佳，其次為30 μ、50 μ、5 μ，從頻譜上看，主要在125 Hz～2 kHz出現(xiàn)顯著差別。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因有以下兩種：

(1)材質(zhì)是影響消聲量的重要因素，不同材質(zhì)的多孔陶瓷，其孔隙組織結(jié)構(gòu)不同，孔隙比較通暢的材料流阻較小；孔隙曲折度越高，內(nèi)部通道越復(fù)雜的材料流阻大。

(2)在最佳消聲效果的優(yōu)化孔徑。在孔隙率相同的情況下，孔徑越大，流阻越小，反之孔徑越小，流阻越大。這兩個(gè)因素均與流阻存在直接關(guān)系。流阻是影響多孔陶瓷材料聲學(xué)性能的一個(gè)重要宏觀參數(shù)，其與溫度和聲壓有關(guān)。對(duì)于一定厚度的材料，存在一個(gè)最佳流阻。因此，這幾種規(guī)格的多孔陶瓷消聲效果不隨孔徑的增加而呈現(xiàn)單一的變化趨勢(shì)。

4.4 溫度

圖4 不同孔徑的多孔陶瓷管消聲量

兩種試驗(yàn)條件下測(cè)得的多孔陶瓷管消聲性能顯著不同（圖5），在低頻部分（250 Hz以下），因T 2工況下聲源低頻貢獻(xiàn)較小，使得多孔陶瓷管低頻消聲效果表現(xiàn)不顯著。室溫環(huán)境下2 kHz附近出現(xiàn)多孔陶瓷管的消聲谷值，而在高溫環(huán)境下，該谷值向高頻移動(dòng)，根據(jù)消聲頻譜曲線，可以預(yù)計(jì)該谷值出現(xiàn)在20 kHz以上。相應(yīng)地，1 kHz頻率處的消聲峰值也向高頻移動(dòng)，至2 kHz。溫度的變化使得聲速、流阻等物理量發(fā)生變化，對(duì)于一定波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的頻率提高，同時(shí)，流阻也隨之增大，在多種因素共同作用下，使得多孔陶瓷管的消聲頻譜特性曲線發(fā)生變化，向高頻移動(dòng)。

這兩種試驗(yàn)條件下，多孔陶瓷管的消聲效果非常明顯，接近40 dB(A)，顯著降低了排氣口噪聲。

圖5 不同溫度下多孔陶瓷管消聲量

5 結(jié)語(yǔ)

(1)孔隙率是表征多孔陶瓷材料的基本參數(shù)，與多項(xiàng)物理量存在直接關(guān)系，并與強(qiáng)度成反比。為排除孔隙率對(duì)聲學(xué)性能的影響，同時(shí)滿足試驗(yàn)時(shí)強(qiáng)度的要求，選擇孔隙率為40%的多孔陶瓷進(jìn)行其他參數(shù)的比較分析；

(2)實(shí)驗(yàn)了壁厚對(duì)消聲量的影響。從理論上來(lái)講，壁厚越厚，消聲量越好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖在一定程度上表現(xiàn)了這一趨勢(shì)，但并不顯著，這與所選的厚度差異有關(guān)；

(3)實(shí)驗(yàn)所選用的幾種過(guò)濾精度（孔徑）的多孔陶瓷，以20 μ多孔陶瓷的消聲效果最佳，這是因?yàn)椴馁|(zhì)的不同，或存在最優(yōu)過(guò)濾精度（孔徑）而引起的流阻差異導(dǎo)致的；

(4)不同溫度下，多孔陶瓷管的消聲頻譜特性曲線有顯著差異，隨溫度升高向高頻移動(dòng)。兩種試驗(yàn)條件下，總消聲效果都接近40 dB(A)，能顯著降低排氣口噪聲。

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