嵌入局域共振單元寬頻減振降噪蜂窩夾層結構研究進展

陳洋，吳永鵬，李忠盛，黃安畏，李曉暉，吳道勛，舒露，花澤薈，董玲抒，孫彩云

（1.海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，廣州 510300；2.西南技術工程研究所，重慶 400039）

蜂窩夾層結構由上、下面板通過膠黏劑與蜂窩芯復合而成。其中，蜂窩芯本身不具備吸/隔聲性能，當蜂窩芯與上下面板復合成夾層結構時，蜂窩芯腔體與上下面板構成密閉空腔，空腔中的氣體介質在聲波作用下將產生熱轉換和粘滯耗散吸收聲能。同時，蜂窩芯與上面板構成的蜂窩夾層結構具有較高的剛度，使得其具有較好的隔聲性能。

傳統蜂窩夾層結構在聲波中高、高頻階段具有優異的聲學性能，但其對頻率小于600 Hz 的中低、低頻聲波的作用效果較差。針對該問題，近年來，國內外學者對具有寬頻降噪性能的蜂窩夾層結構開展了大量研究，其中具有代表性的有在蜂窩芯中復合彈性薄膜構成的蜂窩夾層結構，以及在蜂窩芯中嵌入多孔尼龍薄膜復合而成的蜂窩夾層結構。這兩種結構在中、低頻段的吸/隔聲性能明顯提升。文中主要闡述了傳統降噪蜂窩夾層結構研究及應用現狀，嵌入局域共振單元新型蜂窩夾層結構的結構組成及其降噪機理，并對其制造工藝進行了探究。

1 蜂窩夾層結構研究現狀

蜂窩夾層結構中依據蜂窩芯的結構類型，分為正六邊形、正方形、菱形等蜂窩夾層結構，其中六邊形蜂窩夾層結構應用最多。依據材料類型，蜂窩芯材質主要有紙、玻璃布、鋁合金、芳綸紙（Nomex）等，上、下面板主要有膠合板、纖維板、鋁合金板、玻璃鋼板、碳纖維板等。

蜂窩夾層結構中蜂窩芯本身不具備吸/隔聲性能，當蜂窩芯與上下面板復合成夾層結構時，在聲波通過蜂窩芯中的密閉空腔過程中，空腔中的空氣介質將產生交替壓縮和膨脹，壓縮區域的體積變小，溫度升高，而膨脹區域的體積變大，溫度降低，熱量將從高溫區向低溫區流動，從而產生熱交換作用，將聲能轉化為熱能。同時，空氣介質振動時，由于其相鄰兩個質點的運動速度不同而產生相對運動發生內摩擦（也稱為粘滯力），使得相當一部分聲能耗散[1-2]。

經測試，單層芯復合蜂窩夾層結構板，當聲波頻率大于600 Hz 時，其隔聲量隨頻率的提高而增加，但其對聲波頻率小于600 Hz 聲波的作用效果較差。為進一步提升蜂窩夾層結構的降噪性能，國內外相關學者對各種類型的蜂窩夾層結構進行了研究。其中，大連交通大學采用阻尼減振性更佳的鎂合金制造出了蜂窩夾層板，并對其隔聲性能進行了研究。所采用的鎂合金阻尼減振性能比鋁合金高5～100 倍，比鋼高3 個數量級。蜂窩芯材壁厚0.04 mm，蜂窩芯邊長為8 mm/4 mm，蜂窩芯高度為18 mm，與厚度為1 mm的上下面板復合而成的蜂窩夾層結構的隔聲量曲線如圖1 所示。可以看出，鎂合金蜂窩夾層板在中、高頻段的平均隔聲量大于30 dB，而其對中、低頻聲波的隔聲性能依舊不理想，隔聲量小于15 dB[3-4]。

圖1 鎂合金蜂窩夾層板隔聲性能Fig.1 Sound insulation performance of magnesium alloy honeycomb sandwich panel

采用在蜂窩芯中填充多孔吸聲材料可進一步提升蜂窩夾層結構的降噪性能。株洲時代新材料科技股份有限公司采用蜜胺泡沫填充芳綸蜂窩芯樣品如圖2a所示。蜜胺泡沫是具有輕質、開孔率高、耐溫性能好、阻燃的新型吸聲泡沫塑料，其吸聲性能測試曲線如圖2b 所示。可以看出，填充蜜胺泡沫的芳綸蜂窩芯吸聲系數在中、高頻有一定提高，但在中、低段的提升有限[5-6]。

圖2 蜜胺泡沫填充芳綸蜂窩芯及其吸聲系數曲線Fig.2 Honeycomb core filled with melamine foam and its sound absorption coefficient curve:a) sample; b) sound absorption coefficient curve

依據馬大猷院士的 “微穿孔板共振吸聲理論”，開發出了各類型微穿孔蜂窩夾層結構板。其中，南京常榮噪聲控制環保工程有限公司在上下面板為0.5 mm、總厚度為20 mm 的鋁蜂窩夾層結構上面板，制備出了穿孔孔徑為0.25 mm、孔間距為2 mm 的超微孔吸聲蜂窩夾層結構。其吸聲系數曲線如圖3 所示，平均吸聲系數達到0.98[7-12]，但其在低頻的吸聲性能依舊不夠理想。

圖3 超微孔蜂窩夾層結構吸聲系數曲線Fig.3 Sound absorption coefficient curve of super microporous honeycomb sandwich structure

2 蜂窩夾層結構應用情況

蜂窩夾層結構具有輕質、高強、抗彎性能優異、吸/隔聲性能、隔熱、電磁屏蔽等優點，同時其各種性能具有很寬的可設計性，可通過調整其結構參數、填充增強材料等方式達到優化匹配設計[13-15]。蜂窩夾層結構作為結構功能一體化材料，已廣泛應用于武器裝備的次承力結構件以及內飾等非承力件，如飛機的機翼、進氣道、雷達罩、地板、內飾板等，火箭的安定面，導彈的隔熱板、天線罩、整流罩，衛星、飛船、航天飛機的艙蓋、整流罩等。國外部分機型中蜂窩材料的應用情況見表1。其中，Boeing 747 蜂窩夾層結構用量達4000 m2，Boeing 787 蜂窩夾層結構復合材料的質量分數達到50%。蜂窩夾層結構在航空航天領域的廣泛應用，促進了其在其他各領域的滲透，如高鐵、地鐵、汽車內飾、隔聲板、隔熱板等，同時應用于制作賽艇、游船、滑水板、沖浪板和滑雪板等，蜂窩夾層結構因其優異的吸/隔聲性能作為建筑幕墻板應用于劇院、電影院、大型會議廳/室等[16-18]。

3 嵌入局域共振單元寬頻降噪蜂窩夾層結構研究進展

針對傳統蜂窩夾層結構對中、低頻聲波聲學性能較差的問題，近年來，國內外學者對具有寬頻降噪性能的蜂窩夾層結構開展了大量研究。其中具有代表性的主要有：在蜂窩芯中復合彈性薄膜構成的蜂窩夾層結構，以及在蜂窩芯中嵌入多孔尼龍薄膜復合而成的蜂窩夾層結構。研究發現，該兩種結構在中、低頻段的吸/隔聲性能明顯提升。

表1 國外部分機型中蜂窩材料應用情況Tab.1 Application of honeycomb materials in some foreign models

其中，Ni Sui，Xiang Yan 等將厚度約為0.25 mm的橡膠薄膜與邊長為3.65 mm、厚度為25 mm 的蜂窩芯直接復合形成蜂窩夾層結構。聲波與該結構作用時，除蜂窩芯被薄膜分離的兩個密閉空腔中的介質對聲能產生聲熱轉換和粘滯耗散外，彈性薄膜作為局域共振單元，當聲波激勵頻率與彈性薄膜結構的共振頻率一致時，彈性薄膜將發生共振而產生形變，形變過程中彈性薄膜將消耗聲能，起到吸收聲波能量的作用。由于共振薄膜剛度通常較小，其共振頻率處于聲波的中、低頻段，從而對中、低頻聲波產生吸聲作用[2]。

對比測試表明，在50～1600 Hz 頻率范圍，與未引入彈性薄膜的常規蜂窩夾層結構相比，平均傳聲損失增加了9 dB，該結構及隔聲測試曲線如圖4 所示[19]。該材料已在飛機機艙的地板和天花板等部位進行了試用。

圖4 嵌入局域共振薄膜的蜂窩夾層結構及隔聲曲線Fig.4 Honeycomb sandwich structure embedded with local resonance film and sound insulation curve

Naify 等將厚度約為 0.077 mm、孔格大小為0.01 mm，孔格面積占比為30%的柔性開孔尼龍薄膜嵌入厚度為20 mm、蜂窩孔格大小為9.5 mm 的蜂窩芯材中，再與1 mm 厚的玻璃鋼板材復合成蜂窩夾層結構。復合多孔尼龍薄膜蜂窩夾層結構如圖5 所示。該結構除了利用密閉腔體聲熱耗散、粘滯耗散以及薄膜共振消耗聲能的原理外，同時利用了“亥姆霍茲共振吸聲器”原理。當聲波入射到微孔共振薄膜表面時，薄膜微孔中的氣體在聲波作用下做往返活塞運動，由于氣體具有一定質量，其將產生聲熱轉換和粘滯耗散，將聲能轉換為熱能，從而消耗部分聲能。同時聲波進入微孔時，由于孔頸壁的摩擦和阻尼，使一部分聲能轉化為熱能消耗掉，或是轉化為振動能沿微穿孔板（結構）傳遞轉移，聲能轉化為熱能[20-22]。

經測試，在50～1600 Hz 頻率范圍內，安裝一層和兩層柔性開孔尼龍薄膜的蜂窩夾層結構吸聲系數分別增加2.5 倍和1.5 倍，傳聲損失分別增加3 dB 和7 dB，在低頻段的降噪性能明顯提升。該結構的隔聲測試及理論計算曲線如圖6 所示[23-24]。

圖5 蜂窩復合多孔尼龍薄膜共振吸聲結構Fig.5 Resonance sound absorption structure of honeycomb composite porous nylon film

圖6 蜂窩復合多孔尼龍薄膜共振吸聲結構隔聲曲線Fig.6 Sound insulation curve of honeycomb composite porous nylon film resonance sound absorption structure

研究表明，當共振薄膜上的開孔直徑小于300 μm時，微孔共振薄膜蜂窩夾層結構的吸聲性能可以在保留原共振吸聲結構優越的聲學性能的基礎上，吸聲系數和吸聲頻帶寬度進一步提高。同時，可通過調節密閉空腔高度和薄膜的穿孔率來實現對結構吸聲頻段的調節。適當降低共振薄膜厚度可以改善吸聲帶寬，降低結構整體質量。

4 蜂窩夾層結構嵌入局域共振薄膜及微開孔工藝探究

4.1 蜂窩夾層結構嵌入局域共振薄膜

蜂窩夾層結構制造過程中常選用環氧膠膜。該膠膜粘結能力強，固化后收縮率、蠕變性低，具有耐潮、耐熱、耐腐蝕性能，且厚度均勻，施膠量準確，施工工藝簡單，但環氧膠膜固化后脆性大、韌性較差，無法作為彈性薄膜引入蜂窩共振夾層結構。

國內近年研制的端環氧基丁腈橡膠（主增韌劑）和聚芳醚酮（輔助增韌劑）增韌環氧樹脂彈性膠膜具有良好的粘接強度和較高的彈性，其應力-應變曲線如圖7 所示。其在常溫下的剪切強度大于20 MPa，常溫斷裂伸長率達到了26.48%。該膠膜同時具有良好的耐熱性能，150 ℃下其剪切強度大于8 MPa，其5%熱失重時的溫度達到了349.5 ℃[25-28]。

圖7 彈性膠膜應力-應變曲線Fig.7 Stress strain curve of elastic film

該型膠膜的黏-溫曲線如圖8 所示。其最低點黏度大于 2500 Pa·s，遠大于環氧結構膠膜(200～500)Pa·s 的最低點黏度。該型膠膜在上下蜂窩芯粘結過程中，膠膜不會產生延流塌陷現場，固化后能保持薄膜結構完整。

圖8 彈性膠膜黏-溫曲線Fig.8 Viscosity temperature curve of elastic film

4.2 局域共振薄膜微開孔工藝

局域共振薄膜微開孔過程中，在保證開孔均勻的同時，需要開孔過程對薄膜不造成損害。由于開孔直徑需小于300 μm，傳統的機械開孔方式已無法適用。激光加工技術已廣泛應用于激光薄膜切割、激光薄膜打孔、激光薄膜熱封等，激光可在金屬、陶瓷、半導體、紙張、皮革、高分子，甚至細胞膜上打孔。激光打孔相比其他打孔工藝的優勢主要體現在：激光打孔的孔徑小，可開微孔孔徑范圍為20～300 μm；開孔邊緣光滑無殘留物質；激光打孔不會使薄膜破裂，甚至由于微孔具有熔化邊緣可防止微孔破裂；開孔孔徑可通過調節激光功率和打孔時間進行調節；開孔速度快，精度高，可適用于工業生產。高分子薄膜激光打孔效果如圖9 所示[29-32]。

圖9 高分子薄膜激光打孔效果Fig.9 Laser drilling effect of polymer film: a) sample before fracture; b) sample after crushing; c) micro-hole cross section

激光打孔采用傳統的CO2激光器，因為局域共振薄膜為高分子材料，其紅外吸收譜含有若干個尖峰，激光波長的微小變化將會對薄膜的激光吸收系數產生巨大影響，因此需要對激光器的波長進行選擇。當激光波長與共振薄膜材料的紅外吸收光譜的尖峰所對應的波長相同時，會極大提高打孔速度。

5 結語

針對傳統蜂窩夾層結構在中、低頻段聲學性能較差的問題，近年來開發出的嵌入局域共振彈性薄膜蜂窩夾層結構能有效地提高其在中、低頻段吸/隔聲性能。同時研究發現，通過在局域共振彈性薄膜上引入微孔，使該微孔與蜂窩芯中的密閉空腔形成亥姆霍茲共振吸聲器，可進一步提升其在中、低頻段的吸聲帶寬以及吸聲性能。國內最近開發出的端環氧基丁腈橡膠和聚芳醚酮增韌環氧樹脂彈性膠膜，因其具有較大的最低點黏度以及固化后具有良好的彈性，可用于制備蜂窩芯復合共振彈性薄膜結構。同時，可采用CO2激光器在局域共振薄膜上引入微孔，最終成型復合微孔局域共振彈性薄膜蜂窩夾層結構。