流體粘度對通孔泡沫鋁水下聲學特性的影響

姚欣鵬，何世平

(海軍工程大學機械工程系，湖北武漢430033)

流體粘度對通孔泡沫鋁水下聲學特性的影響

姚欣鵬，何世平

(海軍工程大學機械工程系，湖北武漢430033)

對流體飽和狀態的通孔泡沫鋁的水下聲學性能進行實驗研究，測試500～4 000 Hz頻率范圍內不同粘度流體飽和狀態下的水下反聲系數和透聲系數。結果表明，通孔泡沫鋁中充入流體的粘度對其水下聲學特性有非常大的影響：低粘度流體飽和的通孔泡沫鋁有優良的水下反聲性能，而高粘度的流體飽和通孔泡沫鋁有較好的吸聲性能;流體的粘度對通孔泡沫的反聲性能有所降低，對吸聲性能有較大的提高;通孔泡沫鋁在低粘度的流體飽和狀態下隔聲性能較好。

通孔泡沫鋁;水下;聲學性能;流體飽和;粘度

0 引言

通孔泡沫金屬是一種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，具備低比重 (等效密度接近于水)、高比強度、高比剛度、高能量吸收、阻尼減振、電磁屏蔽等優良的綜合性能［1－3］。目前，對泡沫金屬的研究主要集中在泡沫金屬的制備和性能表征上。

由于通孔泡沫鋁具有良好的聲學特性，有關泡沫鋁聲學特性機理和應用的研究成果很多。據已有的文獻來看，通孔泡沫鋁的聲學性能研究主要集中在空氣吸聲的研究［4－7］，有少量的實驗研究集中于通孔泡沫鋁水中吸聲性能［8－10］。另外，有實驗研究表明，通孔泡沫鋁的內部填充狀態對其水下聲學特性有非常大的影響［11－12］。在理論上，席根通過對聲音在圓柱管和縫中傳播的模型，詳細討論了多孔媒介中粘滯性和熱傳導性，并得到相關的理論［13］。王曉林建立了一個水下吸聲優化模型，指出通過合理選擇參數，粘性流體飽和的多孔金屬在500 Hz附近吸聲系數能達到 0.8 以上［14－15］。

泡沫鋁在特征阻抗相近而粘度不同飽和流體狀態下，吸聲性能會由于粘滯吸收作用而提高。隨著吸聲系數的提高，通孔泡沫鋁的反聲和隔聲性能相應的改變。通孔測試充入不同粘性流體的通孔泡沫鋁樣品在500～4 000 Hz下的水下反聲系數和吸聲系數，并對實驗結果進行討論，討論流體粘度對其吸聲性能、反聲性能的相互影響。

1 水下聲學實驗方法

通孔泡沫鋁的聲學系數測量采用雙水聽器傳遞函數法。圖1為水聲聲管測試系統的原理圖。從圖中可知，通過測量聲管入射段①～②和透射段③～④兩個位置的復聲壓，將管內駐波場中正反傳播的兩列波分離，并把入射段分離出來的反射波和入射波相比，可以得到聲壓反射系數r。將透射波和入射波相比，可以得到聲壓透射系數t。根據能量吸聲系數α定義：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，可以求得α=1－r2－t2。

圖1 水聲聲管反聲系數測試系統Fig.1 The sketch of experimental measuring system to coefficient of sound

測試過程中，為提高系統信噪比從而提高測試精度，采用單頻激勵的方法。由信號源發出單頻正弦波信號，經功率放大器放大后激勵水聲發射換能器，換能器向聲管內發射出一列正弦波。聲波在遇到被測樣品會產生反射和透射。一段時間后，聲管內存在入射段的入射波pi和反射波pr，透射段的透射波pt和透射反射波p2r等4個聲波。這4個聲波分別疊加后的信號由管中的4個水聽器接收，其信號經數據采集儀采集后送至計算機進行分析計算，得出被測試樣的聲學性能數據 (如復反射系數、吸聲系數等)。

2 實驗對象

本實驗將1塊孔的形狀不規則的通孔泡沫鋁用電火花切割成2塊直徑均為118 mm，厚度分別為5 mm，20 mm的通孔泡沫鋁試樣 (見圖2)，分別用水和201硅油進行飽和填充，并用聚酯薄膜封住流體。實驗測試的頻率范圍為500～4 000 Hz，間隔100 Hz。

圖2 厚度分別為5 mm和20 mm通孔泡沫鋁Fig.2 Open－celled Al foam samples with 5mm and 20mm thick

表1 通孔泡沫鋁實驗樣品參數Tab.1 The parameter of the Open－celled Al foam samples

3 實驗結果

1)通孔泡沫鋁的反聲性能

圖3 反聲系數隨頻率的變化曲線Fig.3 Underwater sound reflection coefficient of open－celled Al foam

圖3分別給出不同厚度下通孔泡沫鋁水下充入硅油和水后的反射系數曲線。圖中帶三角形和圓形曲線分別為充入水和硅油的性能曲線。可以看出，通孔泡沫鋁在不同粘性流體狀態下有較好的反射性能，其整體趨勢在測試范圍內比較一致，并且在低粘度流體飽和狀態下的反聲性能要明顯較強。對于厚度較大的通孔泡沫鋁，高粘度流體飽和狀態的反聲性能有一定的提高，不同粘度狀態下反聲系數差異縮小。

2)通孔泡沫鋁的吸聲性能

圖4分別給出不同厚度下通孔泡沫鋁水下充入硅油和水后的吸聲系數曲線。圖中帶三角形和圓形曲線分別為充入水和硅油的性能曲線。可以看出，通孔泡沫鋁在不同粘性流體狀態下有一定的吸聲性能，其整體趨勢測試范圍內比較一致，并且在高粘度流體飽和狀態下的吸聲性能要明顯較強。通孔泡沫鋁的吸聲性能在較高頻率 (2 000～4 000 Hz)優于低頻 (500～2 000 Hz)范圍內的通孔泡沫鋁。對于厚度較大的通孔泡沫鋁，低粘度飽和流體狀態下的吸聲性能有一定的提高，不同粘度狀態下吸聲系數差異縮小。

3)通孔泡沫鋁的隔聲性能

圖4 吸聲系數隨頻率的變化曲線Fig.4 Underwater sound absorption coefficient of open－celled Al foam

圖5 隔聲系數隨頻率的變化曲線Fig.5 Underwater sound insulation coefficient of open－celled Al foam

圖5分別給出不同厚度下通孔泡沫鋁的不同粘度流體飽和狀態下的水下隔聲量曲線。圖中帶三角形和圓形曲線分別為充入水和硅油的性能曲線。可以看出通孔泡沫鋁在不同粘性流體狀態下有優良的隔聲性能，并且在低頻段 (500～1 500 Hz)和高頻段 (2 500～4 000 Hz)較差，在中頻段 (1 500～2 500 Hz)較好。在不同粘性流體狀態下，低粘度流體飽和狀態下的隔聲性能要較好。對于厚度較大的通孔泡沫鋁，其隔聲性能有一定的提高，并且厚度對低粘度流體飽和狀態通孔泡沫鋁的隔聲性能提高較大，但對高粘度流體飽和狀態的隔聲性能影響較小。

4)測量頻段的平均結果

表2 通孔泡沫鋁在500～4 000 Hz的聲學系數Tab.2 The acoustical parameter of open－celled Al foam from 500 Hz to 4 000 Hz

表2聲學實驗測量結果表明，通孔泡沫鋁在高粘度流體飽和狀態下的吸聲性能有優于低粘度流體飽和狀態的吸聲系數，但是在低粘度流體飽和狀態下的反聲系數優于高粘度流體飽和的反聲系數，通孔泡沫鋁在低粘度狀態下的隔聲量較好。

4 討論與分析

媒介聲學性能和其密度、聲速、頻率和粘度有關。聲波在水中引起的流體和泡沫鋁框架的摩擦導致的損耗幾乎不存在，媒介的吸聲作用主要是流體本身的粘度。實驗中水和硅油的密度相當，聲速也相當，但是二者的粘度差別巨大 (見表3)。

表3 水和硅油的參數Tab.3 The parameters of water and silicon oil

在忽略煤質熱吸聲效應的情況下，根據聲吸收系數的經典公式——斯托克斯－克希霍夫公式，可以得到粘性流體的聲波吸收系數。

式中：αη為聲波的吸收系數;w為圓頻率;η為流體的運動粘度;ρ為流體的密度;c為聲速。

在同等頻率下，硅油和水的聲波吸收系數和其粘度成正比，即硅油吸聲系數遠大于水的聲波吸聲系數。從圖6可以看出，對厚5 mm和20 mm的水和硅油在500～4 000 Hz下的吸聲系數進行比較可知，硅油的吸聲系數遠大于水的吸聲系數。這是導致通孔泡沫鋁在硅油飽和狀態下的吸聲性能高于水飽和狀態下的吸聲系數的原因。但是隨著吸收系數的提高，其反聲系數略有下降。

圖6 不同厚度粘性流體的水下吸聲系數變化曲線對比Fig.6 Comparison of underwater sound absorption of fluid with different viscidity.

從整體隔聲效果來看，通孔泡沫充入高粘度的流體后，并沒有提高其隔聲性能。粘性流體對通孔泡沫鋁的反聲性能沒有很好的提高。這是由于粘性流體吸聲系數的提高小于其反聲系數的減小。

5 結語

對不同粘度流體飽和狀態下的通孔泡沫鋁進行水下聲學實驗研究結果表明，通孔泡沫鋁填充流體的粘度對其水下聲學性能有非常大的影響。

低粘度飽和狀態的通孔泡沫鋁的水下反射性能明顯優于高粘性流體飽和狀態下的通孔泡沫鋁，低粘度飽和狀態下通孔泡沫鋁的水下吸聲性能差于高粘度飽和狀態下的通孔泡沫鋁，對于整體的隔聲系數，低粘度飽和狀態的泡沫鋁性能更佳。

低粘度流體飽和狀態下通孔泡沫鋁的水下聲學性能受其厚度的影響較大，這不僅和其粘度本身有關，還和通孔泡沫鋁本身的結構有關，其水下聲學機理有待進一步開展理論研究和實驗驗證。

［1］LEFEBVRE，LOUIS－PHILIPPE，BANHART J，et al.Porous metals and metallic foams：current status and recent developments［J］.Advanced Engineering Materials，2008，10(9)：775－787.

［2］何德坪，陳鋒，張勇.發展中的新型多孔泡沫金屬［J］.材料導報，1993，7(4)：11.

HE De－ping，CHEN Feng，ZHANG Yong.The developing new kinds of porous foaming metals［J］.Materials Review，1993，7(4)：11.

［3］陳祥，李言祥.金屬泡沫材料研究進展［J］.材料導報，2003，17(5)：5 －8.

CHEN Xiang，LIYan－xiang.Porousmetals：research advances and applications［J］.Materials Review，2003，17(5)：5－8.

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

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

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

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

［8］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.

［9］程桂萍，陳宏燈，何德坪，等.多孔鋁在不同介質中的吸聲性能［J］.噪聲與振動控制，1998(5)：29－31.

CHENG Gui－ping，CHEN Hong－deng，HE De－ping，et al.The acoustic properties of porous aluminum in different medium［J］.Noise and Vibration Control，1998(5)：29－31.

［10］王月.泡沫鋁的水下聲吸收特性及影響因素［J］.艦船科學技術，2001，22(6)：61 －64.

WANG Yue.Sound absorption characteristics of foamed aluminum［J］.Ship Science and Technology，2001，22(6)：61－64.

［11］何世平.開孔泡沫鋁水下聲學特性實驗研究［C］.第十三屆船舶水下噪聲學術討論會論文集，2011.

HE Shi－ping.Experimental study of underwater sound characteristics of open－celled Al foam［C］.The Thirteenth Ship Underwater Noise Symposium Translation，2011.

［12］葉珍霞.開孔泡沫鋁水下吸聲性能實驗［J］.艦船科學技術，2012，34(4)：22 －25.

YE Zhen－xia.Experimental study of underwater sound absorption of open－celled Al foam［J］.Ship Science and Technology，2012，34(4)：22 －25.

［13］ZWIKKER C，KOSTEN C W.Sound absorbing materials［M］.New York：Elsevier，1949.

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

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

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

The effect of fluid viscosity in open-cell foam aluminum on underwater acoustic characteristics

YAO Xin－peng，HE Shi－ping
(Department of Mechanical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Experimentally investigated the underwater acoustic performance of open－cell aluminum foam within fluid saturation.Tested the reflection coefficients and absorption coefficients of the aluminum foam with different viscosity fluid saturation in the frequency from 500 Hz to 4 000 Hz.Experimental results showed that the viscosity of the internal fluid in the open－cell aluminum foam effects strongly on underwater acoustics properties.The low viscosity fluid saturation open－cell aluminum foam has excellent underwater reflected performance，and high viscosity fluid saturated one has good absorption properties.The viscosity of the fluid in the open－cell foam does not improve its reflection performance，but has greatly improved its absorption performance.Open－cell aluminum foam has better sound insulation performance in a low viscosity fluid saturation.

open－cell aluminum foam;underwater;acoustics properties;fluid saturation;viscosity

O427

A

1672－7649(2014)06－0068－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.013

2013－04－02;

2013－05－28

姚欣鵬(1988－)，男，碩士研究生，研究方向為聲學材料。