低頻條件下泡沫銅吸聲性能的研究

彭 康，周建釗，沈新民

（中國人民解放軍理工大學，野戰工程學院，江蘇南京210007）

低頻條件下泡沫銅吸聲性能的研究

彭 康，周建釗，沈新民

（中國人民解放軍理工大學，野戰工程學院，江蘇南京210007）

泡沫金屬具有很好的高頻吸聲特性，在低頻時吸聲效果并不明顯。采用駐波管法對泡沫銅進行低頻下的吸聲系數測試，實驗結果表明，在低頻下，泡沫銅的吸聲系數很低。1800 Hz時，厚度10mm的泡沫銅吸聲系數只有0.125；當在泡沫金屬厚加入空氣層時，其吸聲性能明顯改善，1800Hz情況下，厚度10mm的泡沫銅加10mm厚空腔時，其吸聲系數增加到0.3，空腔厚度20mm時，其吸聲系數增加到0.485.

泡沫銅；吸聲性能；低頻；空氣層

噪聲困擾著人們的聽覺系統，使工作環境變得惡劣，還會加速機械設備的老化，影響其壽命和精度。正因如此，降噪問題便成為了許多科技工作者熱衷的研究方向[1，2]。

1948年，美國的B.SoSnick利用汞在熔融鋁中氣化成功得到了鋁泡沫，打開了人類研究泡沫金屬的大門[3，4]。泡沫金屬是一種在基體中分布有孔隙的多孔金屬材料。相較于傳統的吸聲材料，泡沫金屬具有高比強度和比剛度、耐高溫和潮濕及無污染等優點[5-7]，使得它在吸聲降噪領域得到了廣泛的應用，目前其已被應用于建筑、交通、機械等領域，且正在向航空航天和軍事應用等領域發展。

泡沫金屬在高頻段具有很好的吸聲性能，然而在低頻段的吸聲效果并不明顯。本文通過在泡沫金屬后加入一定厚度的空氣層，使得其形成共振結構，從而提高其在低頻段的吸聲性能[8，9]。

1 試驗方法

選用電沉積制備的泡沫銅為測量材料，厚度2~ 20 mm，平均孔隙率75%，泡沫銅加工為直徑96 mm的圓狀。選用AWA6128A型駐波管對泡沫銅進行吸聲系數測量實驗。

圖1 AWA6128A型吸聲系數測試儀結構示意圖

為了更清楚地描述泡沫金屬材料吸聲性能隨頻率的變化，本實驗不采用倍頻測量的方法，而采用全頻段測量，具體測試頻率點為100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz、950 Hz、1 100 Hz、1 300 Hz、1 500 Hz、1800 Hz.

2 結果與討論

2.1 低頻下吸聲性能

根據前文所述試驗方法對幾種厚度的泡沫銅進行吸聲系數的測試實驗，得出低頻下泡沫銅的吸聲系數曲線如圖2所示。

圖2 厚度對單層泡沫銅吸聲性能的影響

在低頻條件下（100 Hz~1 000 Hz），泡沫銅的吸聲系數整體都較小，厚度對吸聲系數的影響不明顯，在1 000 Hz時，只有厚度20 mm的泡沫銅吸聲系數超過0.2，其余情況都低于0.2，均沒有明顯的吸聲效果。

在1 000~1 800 Hz范圍內，隨著厚度增加，泡沫銅的吸聲系數增大。當厚度為2 mm時，泡沫銅的平均吸聲系數為0.044 5，基本沒有吸聲效果，且吸聲系數隨頻率的變化不明顯，基本穩定在同一水平上；而當泡沫銅材料厚度為20mm時，平均吸聲系數達到0.189，開始體現出一定的吸聲效果，且此時材料的吸聲系數隨頻率的變化相對較為明顯，吸聲系數隨著頻率的增大不斷增大。

2.2 加空腔后吸聲性能

根據低頻下泡沫銅的吸聲系數曲線可以看出，低頻下泡沫銅的吸聲系數很低，為了改善其吸聲性能，常常會在吸聲材料與敷設壁面之間留有一定的空腔，空腔的存在會使得整個結構產生共振吸聲的效果。因為共振結構的頻率是低頻段，從而使得泡沫銅在低頻處的吸聲性能得以改善。從圖2可以看出在厚度低于10 mm時泡沫銅的吸聲性能并不明顯，因此，為了更好地研究背后空氣層對吸聲性能的影響，實驗分別對10 mm和20 mm的泡沫金屬進行有空腔時的吸聲系數測量，每種厚度的材料對應的空腔厚度分別為10 mm、20 mm和30 mm，得出以下實驗結果。

圖3是10mm厚泡沫銅在不同厚度空腔下的吸聲系數曲線，從圖中可以看出，空腔的存在使得泡沫銅吸聲性能得以改善，當頻率低于600 Hz時，空腔對于泡沫銅吸聲性能的影響并不明顯，當頻率超過600 Hz時，空腔帶來的影響就逐漸顯著，有空腔的情況下泡沫銅的吸聲系數明顯高于沒有空腔的情況，隨著空腔厚度的增加，吸聲性能越來越好。

圖3空腔厚度對10mm厚泡沫銅吸聲系數的影響

圖4 是20mm厚泡沫銅在不同厚度空腔下的吸聲系數曲線，從圖中可以看出，與10mm厚泡沫銅加空腔情況相比，20mm厚的泡沫銅加空腔的吸聲系數變化更加明顯，在1 800 Hz時，單層泡沫銅的吸聲系數反而高于有10mm厚空腔下的吸聲系數，且20mm厚空腔和30mm厚空腔下的吸聲系數沒有明顯差異，兩種情況均說明此時空腔的存在對吸聲系數的增加效果不存在，即空腔對吸聲系數的增強主要是在低頻范圍內，當頻率超過一定值時，不再有增強效果。

圖4 空腔厚度對20mm厚泡沫銅吸聲系數的影響

3 結論

（1）低頻條件下單層泡沫銅的吸聲系數很低，厚度對其吸聲性能的影響不明顯，且頻率對吸聲系數也沒有顯著影響。1 000Hz時，只有20mm厚泡沫銅的吸聲系數超過0.2，無明顯吸聲效果。

（2）加入10mm厚空腔后，泡沫銅的低頻吸聲性能得以改善，尤其是在頻率超過600Hz時，吸聲系數顯著增加。1 800Hz時，10mm厚泡沫銅加10mm空腔的吸聲系數為0.3，而不加空腔時僅為0.125.

（3）加入20mm厚空腔時，吸聲系數增加的趨勢更為明顯，但在頻率超過1 800Hz后，加入空腔并不能增加吸聲系數，空腔的存在只能改善低頻下的吸聲性能。

參考文獻：

[1]許慶彥，陳玉勇，李慶春.加壓滲流鑄造多孔鋁合金及其吸聲性能[J].鑄造，1998（04）：2-5.

[2]孫明倩，魏兵，張會玲.泡沫鋁在船舶艙室中的降噪應用[J].河北工業科技，2014，31（01）：65-68.

[3]B.Sosnick.Process for making foam-like mass of metal[P]. 1948-01-20.

[4]J.C.Elliot.Method of producingmetal foam[P].1956-06-19.

[5]甘秋蘭.泡沫金屬的基本力學性質及本構關系[D].湘潭：湘潭大學，2004.

[6]曹立宏，馬穎.多孔泡沫金屬材料的性能及其應用[J].甘肅科技，2006，22（06）：117-119.

[7]孟慶瑞，胡治流.泡沫鋁主要性能特征研究及工業應用[J].有色金屬加工，2010，39（05）：6-8.

[8]張江濤.泡沫金屬吸聲性能的優化研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[9]李海斌.泡沫金屬吸聲性能的研究[D].保定：華北電力大學，2009.

The Research on Sound Absorption Performance of Copper Foam Under the Condition of Low Frequency

PENG Kang，ZHOU Jian-zhao，SHEN Xin-min
（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

Metal foam have good sound absorption properties under high frequency，while the effece is not obvious under low frequency.Standing wavemethod is used to test the sound absorption coefficient of copper foam under low frequency，the results show that the sound absorption coefficient of the copper foam is very low under the low frequency，the absorption coefficient of 10 mm copper foam is only 0.125 under 1800Hz.The sound absorption performance is obviously improved when join in a certain thickness of air layer，with a cavity of 10 mm，the sound absorption coefficient increases to 0.3 of 10mm copper foam and increases to 0.485 of 20mm copper foam. Key words：copper foam；sound absorption；low frequency；cavity

TG146.2

A

1672-545X（2017）04-0056-03

2017-01-04

江蘇省自然科學基金青年基金項目（BK20150714）

彭康（1992-），男，貴州人，碩士研究生，研究方向：多孔吸聲材料；周建釗（1965-），男，山東人，教授，博士，研究方向：機械制造及無人化裝備。