葉珍霞

(海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430060)

開孔泡沫鋁水下吸聲性能實驗

葉珍霞

(海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430060)

對水飽和與空氣飽和開孔泡沫鋁進行水下吸聲性能實驗研究，比較了厚度和3種不同背襯(空氣背襯、水背襯和鋼背襯)對其吸聲性能的影響。實驗發(fā)現，在500～4 000 Hz范圍內，空氣飽和開孔泡沫鋁水下吸聲性能相對較好，水飽和開孔泡沫鋁的水下吸聲性能很弱。厚度和背襯對空氣飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響明顯，對水飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響很小。水飽和開孔泡沫鋁不宜用作水下低頻吸聲材料，而將空氣飽和開孔泡沫鋁用作水下吸聲材料時，應采取有效的防護措施，避免水滲入內部。否則，開孔泡沫鋁吸聲性能將嚴重降低。

開孔泡沫鋁;水下吸聲;空氣飽和;水飽和;背襯

0 引言

泡沫金屬是一種在金屬骨架里無序分布著大量孔洞的新型材料。它實現了結構材料的輕質多功能化，是當前高技術領域熱點材料之一。泡沫金屬具有優(yōu)良的綜合性能:重量輕(等效密度可以小于水)、高比強度、高比剛度、高能量吸收、阻尼減振及電磁屏蔽等［1］。多孔介質聲學也是非常活躍的應用性強的聲學分支之一［2］，開孔泡沫金屬作為一種新型多孔介質，受到國內外聲學研究者的廣泛關注。

據已有的文獻介紹，絕大部分研究集中于泡沫金屬的空氣吸聲問題［3-9］，僅有少量的研究集中于開孔泡沫金屬水下吸聲性能［10-13］。程桂萍、何德坪等進行過泡沫鋁水中吸聲性能的實驗研究［10-11］。實驗結果表明，吸聲系數隨著孔徑的減小和樣品厚度的增加而增加，穿孔率為75% ～80%的泡沫鋁吸聲系數最好，但低頻吸聲性能并不理想。王曉林建立了1個基本的水下吸聲優(yōu)化模型，通過合理選擇參數，粘性流體飽和的多孔金屬在低頻也具有有效的水下吸聲性能［12-13］。

然而，泡沫金屬作為一種新型多孔介質，在水聲工程中的應用還有許多問題尚待研究。如開孔泡沫金屬內部的填充狀態(tài)對水下吸聲性能的影響如何?此外，從聲學理論可知，泡沫金屬的水下吸聲性能與厚度和背襯有很大關系，那么背襯對不同狀態(tài)下的泡沫金屬的吸聲性能又有何影響?為了說明上述問題，本文對水飽和與空氣飽和開孔泡沫鋁開展了水下吸聲性能實驗研究，比較了厚度和3種不同背襯(空氣背襯、水背襯和鋼背襯)對其吸聲性能的影響。

1 水下聲學特性實驗

開孔泡沫鋁聲學性能的測量采用雙水聽器傳遞函數法。圖1為水聲聲管測試系統(tǒng)原理圖。在聲管的入射段和透射段測得復聲壓，把管內駐波場中正反傳播的2列波分離開來。把透射段分離出來的透射波和入射段分離出來的入射波進行對比便得到聲壓透射系數。把入射段分離出來的反射波和入射波進行對比便得到聲壓反射系數。

圖1 水聲聲管隔聲量測試系統(tǒng)Fig.1 The sketch of experimental measuring system

在測試過程中，為提高系統(tǒng)信噪比從而提高測試精度，采用單頻激勵的方法。由信號源發(fā)出單頻正弦波信號，經功率放大器放大后激勵水聲發(fā)射換能器，向聲管內發(fā)射出一列正弦波。測試頻率范圍為500～4 000 Hz，間隔100 Hz。聲管內入射段存在入射波pi和反射波pr，透射段內則存在透射波pt和透射反射波p2r。4個水聽器所接收的信號經數據集儀采集后送至計算機分析，計算出被測試樣的透射系數和反射系數。

其中，透射系數t定義為法向入射平面波透過試件后透射波在試件背面處的聲壓與入射波在基準面上的聲壓的復數比值，反射系數r定義為法向入射平面波在試件入射面上的反射波聲壓與入射波聲壓的復數比值，吸聲系數α定義為法向入射平面波進入試件表面后被吸收的聲功率與入射聲功率的比值，即α=1-r2-t2。

圖2 厚度分別為10 mm和30 mm開孔泡沫鋁試樣Fig.2 Open-celled al foam samples

實驗的研究對象為2個厚度分別為10 mm和30 mm，直徑為118 mm的開孔泡沫鋁，如圖2所示。2個試樣的質量、孔隙率、孔徑、樣品尺寸和等效密度等主要參數如表1所示。2個開孔泡沫鋁試樣的孔隙率、孔徑和等效密度近似相同。開孔泡沫鋁水下聲學性能實驗分2種情況:一是空氣飽和試樣，實驗時用聚酯薄膜將開孔泡沫鋁試樣表面封孔，使水不能進入;二是水飽和試樣，將開孔泡沫鋁放入水聲聲管，經充分浸潤后進行測試。測試時，試樣的背部狀態(tài)分水背襯、空氣背襯和24 mm厚的鋼背襯3種。

?

2 結果與分析

2.1 內部填充狀態(tài)對開孔泡沫鋁水下吸聲性能的影響

圖3給出了30 mm厚空氣飽和與水飽和開孔泡沫鋁在水背襯條件下的吸聲系數曲線。圖中虛線和實線分別為空氣飽和與水飽和開孔泡沫鋁吸聲系數曲線。從圖3可看出，開孔泡沫鋁的內部填充狀態(tài)對水下吸聲性能有明顯的影響?？諝怙柡烷_孔泡沫鋁試樣的吸聲性能較好，在500～4 000 Hz范圍內，吸聲系數隨頻率呈振蕩上升的趨勢，平均吸聲系數為0.54。水飽和開孔泡沫鋁試樣吸聲性能較差，在500～4 000 Hz范圍內，吸聲系數隨頻率呈相對平坦的趨勢，平均吸聲系數為0.18。

圖3 開孔泡沫鋁在水背襯條件下的吸聲系數曲線Fig.3 Frequency variation of absorption coefficient of open-celled al foam with water backing

2.2 厚度對開孔泡沫鋁水下吸聲性能的影響

圖4和圖5分別比較了1 cm和3 cm厚空氣飽和開孔泡沫鋁、水飽和開孔泡沫鋁在水背襯條件下的吸聲系數曲線。圖中虛線為1 cm厚泡沫鋁吸聲系數曲線，實線為3 cm厚泡沫鋁吸聲系數曲線。從圖4可看出，厚度對空氣飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響較大，從整體上講，厚度越大，吸聲系數越大。從圖5可看出，厚度對水飽和開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁的吸聲性能影響較小。

圖4 厚1 cm和3 cm空氣飽和開孔泡沫鋁吸聲系數比較Fig.4 Absorption coefficient of air-saturated open-celled al foam samples

2.3 背襯對泡沫鋁水下吸聲性能的影響

圖5 厚1 cm和3 cm水飽和開孔泡沫鋁吸聲系數比較Fig.5 Absorption coefficient of water-saturated open-celled al foam samples

一般來說，背襯對材料的吸聲性能有較大的影響［14］。圖6和圖7比較了3種不同背襯(空氣背襯、水背襯和24 mm厚鋼背襯)條件下30 mm厚空氣飽和與水飽和開孔泡沫鋁的水下吸聲系數曲線。圖中虛線、點劃線和實線分別為空氣背襯、水背襯和24 mm厚鋼背襯時開孔泡沫鋁的吸聲系數曲線。從圖6中可看出，背襯對空氣飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響明顯，吸聲峰值的位置和大小發(fā)生了明顯的變化。從圖7中可看出，背襯對水飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響很小。

3 結語

本文對水飽和與空氣飽和開孔泡沫鋁開展了水下吸聲性能實驗研究，比較了厚度和3種不同背襯(空氣背襯、水背襯和鋼背襯)對其吸聲性能的影響。實驗結果發(fā)現，在500～4 000 Hz范圍內，空氣飽和開孔泡沫鋁水下吸聲性能相對較好，水飽和開孔泡沫鋁的水下吸聲性能很弱。厚度和背襯對空氣飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響明顯，對水飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響不大。對水飽和開孔泡沫鋁的吸聲性能影響很小。

水飽和開孔泡沫鋁不宜用作水下低頻吸聲材料，而將空氣飽和開孔泡沫鋁用作水下吸聲材料時，應采取有效防護措施，避免水滲入內部。否則，開孔泡沫鋁將喪失吸聲功能。

［1］LEFEBVRE L P，BANHART J，DUNAND D C.Porous metals and metallic foams:current status and recent developments［J］.Advanced Engineering Materials，2008，10(9):775-787.

［2］ARENAS J P，CROCKER M J.Recent trends in porous sound-absorbing materials［J］.Sound ＆ Vibration，2010，(6):12-17.

［3］LU T J，HESS A，ASHBY M F.Sound absorption in metallic foams［J］.Journal of Applied Physics，1999，85(11):7528-7539.

［4］LU T J，CHEN F， HE De-ping.Sound absorption of cellular metals with semiopen cells［J］.J.Acoust.Soc.Am，2000，108(4):1697-1709.

［5］CHEVILLOTTE F，PERROT C，et al.Microstructure based model for sound absorption predictions of perforated closedcell metallic foams［J］.J.Acoust.Soc.Am，2010，128(4):1766-1776.

［6］HAN F，SEIFFERT G，ZHAO Yu-yuan，et al.Acoustic absorption behavior of an open-celled aluminium foam［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2003，36:294-302.

［7］朱紀磊，湯慧萍，葛淵，等.多孔吸聲材料發(fā)展現狀與展望［J］.功能材料，2007，38:3723-3726.

ZHU Ji-lei，TANG Hui-ping，GE Yuan，et al.Present research and prospect of porous absorption materials［J］.Functional Materials，2007，38:3723-3726.

［8］SUN F，CHEN Hua-ling，WU Jiu-hui，FENG Kai.Sound absorbing characteristics of fibrous metal materials at high temperatures［J］.Applied Acoustics，2010，71:221-235.

［9］JAOUEN L，BéCOT F X.Reinforcement of acoustical material properties using multiple scales［C］.Proceedings of SIA Conference，Le Mans，Franco，2008.

［10］CHENG G P，He D P，SHU G J.Underwater sound absorption property of porous aluminum［J］.Colloids and Surfaces A，Physicochemical and Engineering Aspects，2001，179(2-3):191-194.

［11］王月.孔結構對通孔泡沫鋁水聲吸聲性能的影響［J］.材料開發(fā)與應用，2001，16(4):16-18.

WANG Yue.Influence of pore structures on the underwater sound absorbing properties of open pore foamed aluminum［J］.Development and Application of Materials，2001，16(4):16-18.

［12］王曉林.金屬多孔材料吸聲板的優(yōu)化模型［J］.聲學學報，2007，32(2):116-121.

WANG Xiao-lin.An optimized model for porpous metal sound absorbers［J］.Acta Acoustica，2007，32(2):116-121.

［13］WANG Xiao-lin.Porous metal absorbers for underwater sound［J］.J.Acost.Soc.Am，2007，122(5):2626-2635.

［14］何世平，湯渭霖，何琳.水下吸聲覆蓋層聲管測試的背襯研究［J］.應用聲學，2007，20(2):83-88.

HE Shi-ping，TANG Wei-lin，HE Lin.Effect of backing in the mesaurement of underwater anechoic coating with an acoustic［J］.Applied Acoustics，2007，20(2):83-88.

Experimental study of underwater sound absorption of open-celled Al foam

YE Zhen-xia
(Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment，Wuhan 430060，China)

Experimental study of underwater sound absorption coefficients of air-saturated and watersaturated open-celled Al foam are carried out.The influences of thickness and three kinds of backings(air backing，water backing，and steel backing)on underwater sound absorption performance are compared.The results show that the sound absorption performance of air-saturated open-celled Al foam is relatively good within the［500，4000］Hz frequency range，and that the sound absorption performance of water-saturated open-celled Al foam is relatively poor.The influences of thickness and backings on underwater sound absorption coefficients of air-saturated open-celled Al foam are very large，while the influences of thickness and backings on underwater sound absorption coefficients of water-saturated open-celled Al foam are very small.Water-saturated open-celled Al foam is not a good underwater sound absorption material.When airsaturated open-celled Al foam is used as underwater sound absorption material，some protect measurements must be taken to avoid water penetrating into its inner space.Otherwise，the underwater sound absorption performance of open-celled Al foam will degrade.

open-celled Al foam;underwater sound absorption;air-saturated;water-saturated;backing

TB34;TB535;O427

A

1672-7649(2012)04-0022-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2012.04.005

2011-10-16;

2011-11-16

葉珍霞(1980-)，男，碩士，工程師，研究方向為艦船減振降噪技術。