低溫環境對多孔材料聲學性能的影響研究

萬 忠, 賈福鑫, 馬文庚, 孫 明, 孫麗敏

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院,哈爾濱 150001;3.大連船舶重工集團有限公司,大連 116021;4.上海空間電源研究所,上海 200245)

受全球溫室效應影響,極地船舶的應用前景愈加樂觀[1],為實現極地船舶艙室噪聲的精確預報,探究低溫環境對船舶艙室噪聲的影響成為亟需解決的問題。通常,極地船舶的艙室舾裝需要應用大量多孔材料用于保溫和降噪[2-3],同時艙室內外巨大的溫差影響了多孔材料原有的吸隔聲性能,進而影響艙室噪聲水平。因此,開展低溫環境對船舶艙室噪聲影響研究,對精確預報極地船舶艙室噪聲水平并對后續艙室噪聲控制具有重要的指導意義。

在多孔舾裝材料研究領域,Biot等[4-5]早期學者通過大量理論推導和試驗驗證,揭示了多孔材料吸聲機理,并建立了較為完善的多孔吸聲理論模型。在此基礎上,劉新金等[6-7]基于數值仿真深入分析了多孔復合吸聲材料厚度、孔隙率、和微孔半徑等材料參數與吸聲系數間的變化關系。寧少武等[8]通過等效流體模型發現吸聲材料導致的傳聲損失能夠提高雙層板等結構隔聲性能。陳林等[9]基于大量試驗和傳遞矩陣計算總結了多孔材料不同表面鋪層對吸隔聲特性的影響規律。寧方立等[10-11]將多孔材料用于環境聲學降噪領域,研究表明在空間四周使用多孔材料可以有效降低空間內的噪聲。根據上述研究可知,多孔材料因具有較高的孔隙率而具備良好的降噪特性。為進一步探索環境因素對多孔材料孔隙率及聲學性能的影響,張波等[12]基于阻抗管測試系統搭建了不同溫度場下吸聲特性的測試裝置,并成功獲得高溫下多孔材料的吸聲性能,驗證了阻抗管法對不同溫度場下多孔材料測試的有效性。李偉等[13]基于駐波管測量技術研究了常溫環境下吸聲棉含水率對材料吸聲性能的影響,提出潮濕玻璃棉高頻吸聲系數降低的主要原因為有效孔隙率的下降。王志斌等[14]基于混響法開展典型溫度下模擬艙室隔聲性能測試研究發現鋁箔玻璃棉在低溫下的隔聲性能優于常溫。

綜上分析可知,船舶舾裝材料的聲學特性會根據應用環境的變化而發生改變,進而影響船舶的艙室噪聲水平,目前針對該問題的相關研究鮮有報導。為此,本研究首先基于阻抗管直接測試法分析了低溫環境對以玻璃棉聲學性能的影響,并將測試數據作為參數輸入應用于某內河破冰船,進行低溫環境下實船艙室噪聲預報分析,旨在探究低溫環境下多孔玻璃棉材料聲學性能變化對艙室噪聲的影響,為極區船舶艙室噪聲控制提供參考。

1 材料聲學性能測試方法

遵循國標GB/T 18696.2—2002《聲學 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第2部分:傳遞函數法》中材料聲學參數測試標準,同時參考ISO 10534-2相關內容,采用阻抗管對試驗樣品開展測試,相關測試原理如下。

1.1 吸聲性能測試原理

圖1 吸聲系數測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of sound absorption coefficient test

兩個傳聲器位置上的聲壓可表示為

(1)

法向反射因數r可表示為

(2)

式中:PR為反射波聲壓;PI為入射波聲壓。

因此法向入射吸聲系數的表達式為

(3)

1.2 隔聲性能測試原理

基于阻抗管的隔聲性能測試示意圖,如圖2所示,低溫處理后的測試樣品通過四通道阻抗管測得平面波激勵下測試樣品前后兩點的聲壓,進而獲得樣品的隔聲性能及插入損失。

圖2 隔聲性能測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound insulation performance test

四通道阻抗管中傳聲管聲壓p12和受聲管聲壓p34可表示為

(4)

式中,P1、P2、P3、P4分別為對應聲波復聲壓幅值。

（3）鋼纖維混凝土在完成攤鋪作業之后，在進行初平整理時，可以先采用人工的方式進行處理，同時，在施工階段中，針對邊角區域的位置，可以按照施工人員使用振動棒進行局部振動，保證攤鋪質量得到提高，此后，直接采用平板振搗器進行全面的振搗施工。

當通過傳聲器獲得四個傳送器聲壓p1、p2、p3、p4后,聲波復聲壓幅值可表示為

(5)

當接受管末端為開口時(即P4=0),聲壓的透射系數η表示為

(6)

式中:下標a為末端開口;下標b為末端閉口。

此時,隔聲量TL可表達為

(7)

2 低溫環境下多孔材料吸隔聲性能測試

2.1 測試樣品模型簡介

如圖3、圖4所示,測試樣品由無紡布、超細玻璃棉和船用鋼板組成,測試樣品直徑為100 mm和30 mm,分別用于30 mm高頻阻抗管和100 mm中低頻阻抗管,待測樣品與阻抗管內表面完全貼合。測試樣品中玻璃棉厚度為50 mm,容重為30 kg/m3,鋼板厚度為5 mm。

2.2 測試工況設置

船舶在低溫環境下航行時,艙外低溫滲透導致多孔材料內部溫度急劇下降,艙內濕潤暖空氣在多孔材料內部液化形成水珠或凝結成冰晶,改變了多孔材料微觀內部結構及孔隙介質,進而影響材料原有聲學性能。

為探究低溫環境對多孔材料聲學性能的影響規律,本文以超細玻璃棉為例,以吸聲系數和隔聲量為聲學性能評價參數,以存放玻璃棉樣品的環境溫度和玻璃棉含水率為變量開展單一變量測試,其中含水率為玻璃棉內液態水重量與含水玻璃棉重量的百分比。結合工程實際特點,試驗工況設計如表1和表2所示。

表1 吸聲性能測試工況Tab.1 Sound absorption performance test condition

表2 隔聲性能測試工況Tab.2 Sound insulation performance test condition

測試環境相對濕度為40%,溫度為20 ℃,空氣密度取1 025 kg/m3,聲速取340 m/s。

2.3 玻璃棉聲學性能測試

測試系統示意圖如圖5所示,借助低溫環境試驗箱模擬測試樣品所處低溫環境,將測試樣品存放在低溫環境中24 h后取出,根據雙通道和四通道阻抗管測試理論分別進行測試樣品吸隔聲性能測試,其中傳聲器靈敏度為78 mV/Pa,量程為18～134 dB,測試頻率取值間隔為0.5 Hz/次。

2.4 測試結果與分析

低溫環境下船舶舾裝材料內受內外溫差影響凝結成的水珠或冰晶改變了材料原有孔隙率和聲波傳遞介質,是影響多孔舾裝材料聲學性能的主要原因。根據工程實際情況,以含水率和材料所處溫度為變量,分析其對樣件吸聲性能和隔聲性能的影響。

2.4.1 玻璃棉吸聲性能測試結果分析

首先開展常溫環境下含水率對測試樣件吸聲性能的影響分析。基于上述測試方法及工況設置,將不同頻段吸聲系數擬合后得到常溫環境下不同含水率測試樣件吸聲系數頻譜曲線,如圖6所示。

由圖6可知,玻璃棉吸聲性能測試曲線在各頻段內波動較穩定,中高頻域測試曲線波動幅度隨著含水率的增加而增加。為了便于分析討論,將測試結果轉化為1/3倍頻程曲線進行分析,如圖7所示。由圖7可知,含水率為20%時,樣件吸聲性能總體趨勢隨著頻率的增加而提高,在中低頻域內隨著頻率的上升,吸聲系數曲線逐漸上升并趨近于1,在中高頻域吸聲系數曲線出現“平臺區”,即吸聲系數隨著頻率的增加起伏較小。當玻璃棉樣品含水率低于40%時,吸聲系數曲線整體趨勢一致,大小相近。當玻璃棉樣品含水率超過60%時,吸聲系數曲線峰值出現“前移”,即中低頻域內吸聲系數隨著含水率的增加而增加,出現峰值的頻率逐漸減小,峰值大小逐漸減小。含水率為60%和80%時,吸聲系數曲線峰值頻率分別為1.25 kHz和800 Hz,峰值大小分別為0.93和0.79。

圖7 玻璃棉吸聲系數1/3Oct曲線Fig.7 1/3Oct curve of sound absorption coefficient of glass wool

在艙外低溫情況下,舾裝材料溫度將低于零度,為此進一步開展低溫環境下含水率對測試樣件吸聲性能的影響分析,并將低溫和常溫兩種環境工況測試結果進行對比。低溫環境下不同含水率測試樣件吸聲系數1/3倍頻程曲線,如圖8所示。低溫和常溫不同含水率測試樣件吸聲系數1/3倍頻程曲線對比圖,如圖9所示。

圖8 玻璃棉吸聲系數1/3Oct曲線Fig.8 1/3Oct curve of the sound absorption coefficient of glass wool

分析圖8可知,在低溫環境中,樣件含水率小于20%時對吸聲性能影響較小,隨著含水率的提高,吸聲系數曲線在100 Hz～1 kHz頻域范圍內吸聲系數小幅提升,在中高頻域“平臺區”逐漸消失,吸聲系數隨著含水率的增加顯著下降。由圖9可知,相比常溫環境,低溫環境下相同含水率測試樣件中高頻吸聲性能下降趨勢更為顯著,即冰晶相比等質量的液態水對舾裝玻璃棉的吸聲性能影響更大。

2.4.2 隔聲性能分析

在低溫環境下,艙壁舾裝材料內形成的水珠或冰晶影響了玻璃棉的傳遞損失,進而導致樣件隔聲性能發生改變,為探究多孔材料含水率對艙壁隔聲量的影響,開展測試樣件隔聲性能測試,測試結果如圖10所示。

圖10 玻璃棉隔聲量1/3Oct曲線Fig.10 1/3Oct curve of sound transmission loss of glass wool

由圖10可知,測試樣件隔聲量隨著頻率的增加而提高,在中低頻段內隔聲量隨頻率增加速度較快,高頻段內增加速率逐漸減緩。對比玻璃棉不同含水率下測試樣件的隔聲量可知,隨著玻璃棉含水率的增加測試樣件的隔聲性能逐漸提高,含水率為40%、60%、80%時,樣件在100 Hz～6.3 kHz頻域內隔聲量總級分別提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

3 低溫環境對船舶艙室噪聲的影響研究

選取某內河破冰船為研究對象,以低溫環境下玻璃棉吸隔聲性能實測數據作為輸入,基于統計能量分析法實現低溫環境船舶艙室噪聲的預報,探究低溫環境對敷設多孔舾裝材料的艙室噪聲水平影響。

3.1 低溫環境船舶艙室噪聲仿真模型

某內河破冰船相關參數及統計能量模型如表3和圖11所示,以駕駛艙為考核艙室,提取低溫及常溫環境下考核艙室1～2 m高度處聲腔平均聲壓進行分析,駕駛艙統計能量模型,如圖12所示。

表3 破冰船主尺度表Tab.3 Icebreaker master scale

圖11 破冰船SEA艙室噪聲預報模型Fig.11 Noise prediction model of icebreaker SEA cabin

圖12 駕駛室SEA子系統離散示意圖Fig.12 Schematic of the cab SEA subsystem

根據工程實際情況,全船上建艙室艙壁敷設50 mm玻璃棉作為舾裝材料,并以無紡布為內襯材料,分析過程考慮外部低溫環境對上建艙室艙壁舾裝材料聲學參數的影響,受暖氣系統影響,與船舶外環境無直接接觸的艙壁上敷設的舾裝材料不受低溫環境的影響。結合實船振動噪聲源設備實際裝備情況,基于實測數據及CCS載荷估算公式獲取噪聲預報模型激勵載荷參數并加載[15]。

3.2 低溫環境對船舶艙室噪聲影響分析

根據上述舾裝材料在低溫環境下的測試數據,以低溫環境下60%含水率的玻璃棉聲學參數作為低溫環境下多孔舾裝材料聲學輸入參數,進行基于實船的低溫環境艙室噪聲預報分析,其中駕駛室聲壓級頻譜曲線,如圖13所示。

圖13 駕駛室聲壓級頻譜曲線Fig.13 The spectrum curve of SPL

根據仿真計算結果分析,駕駛室在低溫環境和常溫環境下的聲壓級頻譜曲線趨勢基本一致、大小相近。在考核頻域內,低溫環境下的駕駛室艙室噪聲總級與常溫環境下艙室噪聲總級相差0.9 dB(A)。在63 Hz～1.6 kHz中低頻段內,由于低溫環境下多孔材料吸聲系數曲線“前移”,導致艙室聲壓級小于常溫環境;在1.6～8 kHz高頻頻域內,低溫環境下多孔材料吸聲系數隨頻率增加不斷下降,導致艙室聲壓級大于常溫環境。由于中低頻域的權重較大,從總級上分析低溫環境導致的多孔材料聲學性能的改變并不會提高目標艙室噪聲的超標風險。

4 結 論

本研究針對低溫環境下船舶艙室噪聲的預報問題,基于阻抗管測試,分析了不同溫度和濕度環境對玻璃棉聲學性能的影響,基于統計能量法進行低溫環境和常溫環境下目標艙室的艙室噪聲預報分析,探究低溫環境下多孔舾裝材料聲學性能的變化對艙室噪聲的影響,研究結論如下:

(1) 隨著含水率的增加,在常溫環境中多孔材料吸聲系數在中低頻域內緩慢增加,高頻域內顯著下降,且在低溫環境中高頻吸收系數下降趨勢更加明顯。

(2) 隨著含水率的增加,多孔材料的傳遞損失逐漸增加,隨著頻率的增加,敷設潮濕玻璃棉的艙壁隔聲量呈上升趨勢,當含水率為40%、60%、80%時,該樣件隔聲性能分別提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

(3) 低溫環境導致的多孔材料聲學性能的改變不會提高目標艙室噪聲的超標風險,在全頻段內,低溫環境下的目標艙室噪聲總級較常溫環境下降低0.9 dB(A)。