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(yán)重的問題，隨著科技的不斷進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)［1］。因此，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面，如作為建筑材料，可應(yīng)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(jī)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(dá)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(dǎo)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(dāng)有聲波進(jìn)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(dá)到降噪的目的。泡沫鋁材料的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮曲線中存在較長的應(yīng)力平臺區(qū)，使其具有在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持應(yīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了仿真模擬，研究了泡沫鋁在魚雷降噪上的應(yīng)用價(jià)值，對于未來泡沫鋁在高端武器裝備上的吸聲降噪的應(yīng)用具有一定幫助。

1 泡沫鋁相關(guān)概述

1.1 泡沫鋁吸聲機(jī)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?yàn)樗鼉?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(jī)理就是當(dāng)聲波通過空氣等傳播媒介進(jìn)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?yàn)橛斜诿娴淖钃?，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?yàn)槟Σ琳饎觽飨虮韺?，形成散射或漫反射，達(dá)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(diǎn)：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(dāng)材料厚度較薄時，吸聲能力會減弱，當(dāng)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?yàn)榭讖皆酱螅菘妆谏系奈⒖准傲鸭y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(qiáng)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(dǎo)致力學(xué)性能降低，在實(shí)際的應(yīng)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(dāng)達(dá)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(jìn)而影響泡沫鋁的吸聲性能，當(dāng)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(yīng)在魚雷減震降噪上的應(yīng)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(yùn)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(yùn)動聲；三是魚雷的動力系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，這是魚雷噪聲來源最主要的一點(diǎn)［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(kuò)散，并且因?yàn)榕菽X質(zhì)輕的特點(diǎn)，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(jī)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(qiáng)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(yīng)用上擁有廣闊的前景。

2 泡沫鋁在魚雷減震降噪上的應(yīng)用

通過調(diào)查研究，了解到孔徑1.0 mm 左右，孔隙率達(dá)到65%的開孔泡沫鋁吸聲性能是最好的［11］，通過仿真試驗(yàn)，對泡沫鋁在魚雷的減震降噪上的應(yīng)用進(jìn)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(yàn)方法

試驗(yàn)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(jìn)行剪裁，當(dāng)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(jī)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(jìn)行對比分析。

2.2 泡沫鋁制備過程與優(yōu)化

（1）模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)對于泡沫鋁板材制備來說是至關(guān)重要的，在模具設(shè)計(jì)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(jì)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(yù)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(shí)現(xiàn)對預(yù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)，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(yù)熱到500 ℃的多孔塊體注入鋁液中，在滲透的過程中用液壓機(jī)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(jìn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)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(dāng)頻率處于500 Hz 時，泡沫鋁的降噪效果最佳，降噪值達(dá)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(dá)到125 Hz 和2000 Hz 時，降噪值達(dá)到了8 dB，當(dāng)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(yàn)分析，可以得出結(jié)論，泡沫鋁在魚雷外殼的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(dāng)程度下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了泡沫鋁在魚雷減震降噪方面的應(yīng)用可行性。