泡沫鋁在魚雷減震降噪上的應用研究

靳廷甲

（一鳴新材料科技有限公司技術(shù)研發(fā)部，安徽 合肥 230022）

噪音污染是目前較為嚴重的問題，隨著科技的不斷進步，降噪的主要方式有主動降噪、被動降噪和有源降噪三種。泡沫鋁具有質(zhì)輕、比強度高，優(yōu)良的吸能、減震性能，良好的吸聲、隔聲性能，還具有耐高溫、抗腐蝕、不易氧化老化、耐候性好等特點［1］。因此，被廣泛地應用于生產(chǎn)生活的各個方面，如作為建筑材料，可應用于大型體育場館、展廳等大跨度建筑的裝飾吸音材料［2］；在艦船上使用，可用作駕駛艙、設(shè)備艙、發(fā)動機艙的減震、降噪，尤其是潛艇的降噪，可以有效防止噪聲向外輻射，達到隱身的目的［3］；在汽車工業(yè)中，可用作輕質(zhì)填充材料、吸能與消聲結(jié)構(gòu)［4-7］；航天航空工業(yè)中，可作為輕質(zhì)、緩沖、導熱的支撐構(gòu)件［8］。泡沫鋁內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈三維網(wǎng)狀，內(nèi)部孔多且孔隙較大，具有良好的傳熱性，當有聲波進入泡沫鋁內(nèi)部時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以將聲能轉(zhuǎn)化成熱能，從而達到降噪的目的。泡沫鋁材料的準靜態(tài)壓縮曲線中存在較長的應力平臺區(qū)，使其具有在較大應變范圍內(nèi)保持應力基本不變，將外加能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨碜冃嗡龅墓?，具有極好的緩沖吸能特性［1］。噪音問題對于魚雷來說是一大難題，魚雷在海上作戰(zhàn)時，需要隱蔽自身，接近敵方不被發(fā)現(xiàn)，如何對其降噪是一大難題。文章通過實驗設(shè)計，進行了仿真模擬，研究了泡沫鋁在魚雷降噪上的應用價值，對于未來泡沫鋁在高端武器裝備上的吸聲降噪的應用具有一定幫助。

1 泡沫鋁相關(guān)概述

1.1 泡沫鋁吸聲機理

泡沫鋁分為開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁兩種，開孔泡沫鋁的吸聲性能較好，主要是因為它內(nèi)部有較多孔隙，并且孔隙較大，在入射聲波通過泡沫鋁內(nèi)部時，一部分聲波會被泡沫鋁吸收掉，還有一部分會被材料反射回去，只剩部分聲波穿透過去。

泡沫鋁的吸聲機理就是當聲波通過空氣等傳播媒介進入到泡沫鋁的內(nèi)部后，會和泡沫鋁內(nèi)部孔隙中的空氣產(chǎn)生摩擦，引起震動。而那些靠近孔壁的空氣因為有壁面的阻擋，很難引起他們的震動，從而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。通過內(nèi)部的摩擦力和粘滯力將大量的聲能轉(zhuǎn)換成熱能，熱能通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)迅速散出到空氣中，使得聲波消減。同時，處于泡沫鋁內(nèi)部的傳播媒介也會因為摩擦震動傳向表層，形成散射或漫反射，達到吸聲的效果［9］。

1.2 影響泡沫鋁吸聲性能的因素

泡沫鋁的吸聲性能與材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要的影響因素有以下幾點：第一，孔隙率。不同的孔隙率對吸聲峰值的頻率影響不大，孔隙率主要是改變了吸聲系數(shù)的大小，而氣孔率越大，吸聲系數(shù)越高，吸聲效果越好。第二，厚度。泡沫鋁材料的厚度選擇也是非常重要，需要有一個合適的厚度才能發(fā)揮最佳效果。當材料厚度較薄時，吸聲能力會減弱，當材料過厚時，對于低頻范圍的聲波吸聲能力較弱。其三，孔徑?？讖皆酱笪曄禂?shù)越高。因為孔徑越大，泡孔壁上的微孔及裂紋缺陷越多，一方面增加了泡沫鋁材料內(nèi)部總表面積，有利于吸聲；另一方面微孔及裂紋使得泡孔貫通，增強了微孔內(nèi)的空氣振動，產(chǎn)生的粘滯阻力使得振動空氣的動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散。但是較大的孔徑會導致力學性能降低，在實際的應用中需要綜合考量。其四，空腔的厚度?？涨恢缚妆谥g空氣層的厚度，在材料和孔壁之間增加空氣層，可以有效提高泡沫鋁對低頻聲波的吸收效果，空氣層越厚，吸收效果越好，但增長趨勢會變緩，當達到一定厚度時，泡沫鋁的吸聲性能基本不會有增長趨勢了。其五，溫度和濕度。聲波的波長會隨著溫度的變化而改變，進而影響泡沫鋁的吸聲性能，當濕度過大時，泡沫鋁材料容易受潮會堵塞泡沫鋁的微孔隙，降低吸聲能力，濕度越大，對聲波的吸收效果越差。

1.3 泡沫鋁應在魚雷減震降噪上的應用前景

魚雷作為一種水中武器，主要目的是用于攻擊敵方艦船和潛艇，因此對于魚雷的隱蔽性要求較高。魚雷在運行中會發(fā)出較大噪音，容易被人察覺，其噪音來源主要有三個方面，一是魚雷外殼和水摩擦發(fā)出較大響聲；二是魚雷的螺旋槳轉(zhuǎn)動聲以及轉(zhuǎn)動時帶動的水流運動聲；三是魚雷的動力系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機械噪聲，這是魚雷噪聲來源最主要的一點［10］。泡沫鋁的減震、吸聲、防火性能讓它在魚雷減噪上具有非常大的優(yōu)勢。在魚雷的動力系統(tǒng)上包裹上一層泡沫鋁，可以很大程度的改善魚雷動力裝置產(chǎn)生的噪音向周圍擴散，并且因為泡沫鋁質(zhì)輕的特點，對魚雷的重量也不會增加太多，不會影響魚雷航行的速度。泡沫鋁還有減震的效果，安裝在魚雷的動力裝置外部，可以減少部分機械振動摩擦產(chǎn)生的聲音。另外，泡沫鋁也具有優(yōu)異的防火性能，它在1000 ℃左右不會燃燒或者喪失完整性，大大增強了魚雷的安全性。從以上分析可以看出，泡沫鋁的特性讓其在魚雷的應用上擁有廣闊的前景。

2 泡沫鋁在魚雷減震降噪上的應用

通過調(diào)查研究，了解到孔徑1.0 mm 左右，孔隙率達到65%的開孔泡沫鋁吸聲性能是最好的［11］，通過仿真試驗，對泡沫鋁在魚雷的減震降噪上的應用進行測試，采用孔徑為0.9～1.2 mm 的泡沫鋁板作為測試材料。

2.1 試驗方法

試驗選用孔徑為0.9～1.2 mm、孔隙率為65%，厚度為10 mm 的泡沫鋁，按照魚雷海水泵的尺寸大小進行剪裁，當尺寸合適后將其安裝到魚雷海水泵的表面，用自制的小喇叭模擬魚雷內(nèi)部機械動力裝置產(chǎn)生的噪音，將其放置在海水泵的內(nèi)部，并將其和信號發(fā)生器以及功率放大器相連，以此讓喇叭發(fā)出聲音。分別記錄未安裝泡沫鋁和安裝了泡沫鋁的海水泵發(fā)出的噪音值，根據(jù)數(shù)據(jù)進行對比分析。

2.2 泡沫鋁制備過程與優(yōu)化

（1）模具設(shè)計

模具設(shè)計對于泡沫鋁板材制備來說是至關(guān)重要的，在模具設(shè)計中需要注意模具的密封性，防止鋁液的外漏，還要注意在脫模時要保證樣品能夠順利退出，下圖是泡沫鋁板材模具的設(shè)計圖。

①模具整體采用的是分體式結(jié)構(gòu)，接頭表面采用特殊的密封結(jié)構(gòu)。為了便于拆模，水平夾緊裝置將用于垂直分體式結(jié)構(gòu)。模板被夾緊和閉合，夾緊裝置打開，中間的模板可以在垂直方向上移除。在模具底部放置一個具有均勻排氣孔的均流板，均流板與底座之間形成空腔，在底座側(cè)面留有與外界空氣相通的孔管，用于滲透真空吸鑄法施加真空，流板和中間板上留有兩個螺紋孔，這些孔用于連接環(huán)，以便于拆卸和模具清潔［12］。

②為了確保模具和填料顆粒的整體預熱，在中間模板的外表面上特別添加了四個加熱板，并且在每個加熱板內(nèi)部都設(shè)置了七個加熱棒。為了便于操作，兩個加熱板沒有固定，另外兩個是固定的。為了實現(xiàn)對預熱溫度分布的合理控制，可以合理地布置加熱棒，以確保在滲漏過程中鋁液被平穩(wěn)地填充。

③為了避免熱量的損失，模具外表面采用特殊的絕緣層進行絕緣，極大的簡化了整個模具的結(jié)構(gòu)和操作過程，提高了生產(chǎn)的效率。

（2）制備過程

此次實驗，采用的是高壓滲透法，這是一種較為成熟的制備方法。高壓滲透法也就是將事先處理過的鋁液倒入模具中，然后將預熱到500 ℃的多孔塊體注入鋁液中，在滲透的過程中用液壓機加壓，直至鋁液液體完全滲透。等到鋁液冷卻凝固后，從模具中取出胚料，用水溶解或者加熱的方式進行清洗加工。這就完成了泡沫鋁板材的制作［13］。

在制備工作中需要注意一個問題，當多孔塊體注入鋁液中時，容易造成鋁液溢出，等到鋁液凝固后，塊體無法取出，增加操作難度。為了解決這種問題，可以用和模具尺寸大小相同的石墨壓頭隔在鋁液和多孔塊體之間，避免再用壓頭加壓時，鋁液上涌凝固［14］。

2.3 實驗結(jié)果與分析

在不同頻率的聲波下，泡沫鋁的吸聲性能有較大差異。當頻率處于500 Hz 時，泡沫鋁的降噪效果最佳，降噪值達到了15d B；頻率在4000 Hz 時，降噪效果其次，降噪值為11 dB；頻率在31 Hz、62 Hz 時降噪效果是一樣的，降噪值都為7dB，頻率達到125 Hz 和2000 Hz 時，降噪值達到了8 dB，當頻率處于250 Hz 和8000 Hz 時，泡沫鋁的吸聲效果較弱，只有5 dB 和3 dB。根據(jù)圖中分析，泡沫鋁的吸聲性能和頻率高低并沒有直接聯(lián)系，也沒有找到明確的規(guī)律。但是總體上來說，泡沫鋁在魚雷外殼上的降噪效果在500～4000 Hz 的頻率范圍內(nèi)最佳，平均降噪值為11 dB。

通過整體的模擬試驗分析，可以得出結(jié)論，泡沫鋁在魚雷外殼的應用，對于噪音的吸收和消減起到了良好的效果。對于魚雷來說，降低一分貝都是極其重要的，泡沫鋁在8000 Hz 頻率以內(nèi)的平均降噪值為8.2 分貝，說明泡沫鋁在魚雷的減振降噪中擁有良好的應用前景，在未來的發(fā)展中，可以大力研究泡沫鋁在魚雷等高端武器裝備中的應用。

3 結(jié) 語

通過文章的分析闡述，可以了解到泡沫鋁主要是通過其內(nèi)部的孔隙和聲波的摩擦導致聲能轉(zhuǎn)換成熱能耗散而起到降噪作用的；孔隙率、厚度、孔徑、空腔厚度、溫度和濕度等都會影響泡沫鋁的吸 聲性能；良好的吸聲性、防火性、抗震性讓泡沫鋁成為了魚雷減振降噪的優(yōu)良材料；通過實驗發(fā)現(xiàn)安裝了泡沫鋁后的魚雷海水泵的噪音測量值有相當程度下降，進一步驗證了泡沫鋁在魚雷減震降噪方面的應用可行性。