开孔泡沫铝水下吸声性能实验

叶珍霞

(海军驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430060)

开孔泡沫铝水下吸声性能实验

叶珍霞

(海军驻武汉地区军事代表局，湖北 武汉 430060)

对水饱和与空气饱和开孔泡沫铝进行水下吸声性能实验研究，比较了厚度和3种不同背衬(空气背衬、水背衬和钢背衬)对其吸声性能的影响。实验发现，在500～4 000 Hz范围内，空气饱和开孔泡沫铝水下吸声性能相对较好，水饱和开孔泡沫铝的水下吸声性能很弱。厚度和背衬对空气饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响明显，对水饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响很小。水饱和开孔泡沫铝不宜用作水下低频吸声材料，而将空气饱和开孔泡沫铝用作水下吸声材料时，应采取有效的防护措施，避免水渗入内部。否则，开孔泡沫铝吸声性能将严重降低。

开孔泡沫铝;水下吸声;空气饱和;水饱和;背衬

0 引言

泡沫金属是一种在金属骨架里无序分布着大量孔洞的新型材料。它实现了结构材料的轻质多功能化，是当前高技术领域热点材料之一。泡沫金属具有优良的综合性能:重量轻(等效密度可以小于水)、高比强度、高比刚度、高能量吸收、阻尼减振及电磁屏蔽等［1］。多孔介质声学也是非常活跃的应用性强的声学分支之一［2］，开孔泡沫金属作为一种新型多孔介质，受到国内外声学研究者的广泛关注。

据已有的文献介绍，绝大部分研究集中于泡沫金属的空气吸声问题［3-9］，仅有少量的研究集中于开孔泡沫金属水下吸声性能［10-13］。程桂萍、何德坪等进行过泡沫铝水中吸声性能的实验研究［10-11］。实验结果表明，吸声系数随着孔径的减小和样品厚度的增加而增加，穿孔率为75% ～80%的泡沫铝吸声系数最好，但低频吸声性能并不理想。王晓林建立了1个基本的水下吸声优化模型，通过合理选择参数，粘性流体饱和的多孔金属在低频也具有有效的水下吸声性能［12-13］。

然而，泡沫金属作为一种新型多孔介质，在水声工程中的应用还有许多问题尚待研究。如开孔泡沫金属内部的填充状态对水下吸声性能的影响如何?此外，从声学理论可知，泡沫金属的水下吸声性能与厚度和背衬有很大关系，那么背衬对不同状态下的泡沫金属的吸声性能又有何影响?为了说明上述问题，本文对水饱和与空气饱和开孔泡沫铝开展了水下吸声性能实验研究，比较了厚度和3种不同背衬(空气背衬、水背衬和钢背衬)对其吸声性能的影响。

1 水下声学特性实验

开孔泡沫铝声学性能的测量采用双水听器传递函数法。图1为水声声管测试系统原理图。在声管的入射段和透射段测得复声压，把管内驻波场中正反传播的2列波分离开来。把透射段分离出来的透射波和入射段分离出来的入射波进行对比便得到声压透射系数。把入射段分离出来的反射波和入射波进行对比便得到声压反射系数。

图1 水声声管隔声量测试系统Fig.1 The sketch of experimental measuring system

在测试过程中，为提高系统信噪比从而提高测试精度，采用单频激励的方法。由信号源发出单频正弦波信号，经功率放大器放大后激励水声发射换能器，向声管内发射出一列正弦波。测试频率范围为500～4 000 Hz，间隔100 Hz。声管内入射段存在入射波pi和反射波pr，透射段内则存在透射波pt和透射反射波p2r。4个水听器所接收的信号经数据集仪采集后送至计算机分析，计算出被测试样的透射系数和反射系数。

其中，透射系数t定义为法向入射平面波透过试件后透射波在试件背面处的声压与入射波在基准面上的声压的复数比值，反射系数r定义为法向入射平面波在试件入射面上的反射波声压与入射波声压的复数比值，吸声系数α定义为法向入射平面波进入试件表面后被吸收的声功率与入射声功率的比值，即α=1-r2-t2。

图2 厚度分别为10 mm和30 mm开孔泡沫铝试样Fig.2 Open-celled al foam samples

实验的研究对象为2个厚度分别为10 mm和30 mm，直径为118 mm的开孔泡沫铝，如图2所示。2个试样的质量、孔隙率、孔径、样品尺寸和等效密度等主要参数如表1所示。2个开孔泡沫铝试样的孔隙率、孔径和等效密度近似相同。开孔泡沫铝水下声学性能实验分2种情况:一是空气饱和试样，实验时用聚酯薄膜将开孔泡沫铝试样表面封孔，使水不能进入;二是水饱和试样，将开孔泡沫铝放入水声声管，经充分浸润后进行测试。测试时，试样的背部状态分水背衬、空气背衬和24 mm厚的钢背衬3种。

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2 结果与分析

2.1 内部填充状态对开孔泡沫铝水下吸声性能的影响

图3给出了30 mm厚空气饱和与水饱和开孔泡沫铝在水背衬条件下的吸声系数曲线。图中虚线和实线分别为空气饱和与水饱和开孔泡沫铝吸声系数曲线。从图3可看出，开孔泡沫铝的内部填充状态对水下吸声性能有明显的影响。空气饱和开孔泡沫铝试样的吸声性能较好，在500～4 000 Hz范围内，吸声系数随频率呈振荡上升的趋势，平均吸声系数为0.54。水饱和开孔泡沫铝试样吸声性能较差，在500～4 000 Hz范围内，吸声系数随频率呈相对平坦的趋势，平均吸声系数为0.18。

图3 开孔泡沫铝在水背衬条件下的吸声系数曲线Fig.3 Frequency variation of absorption coefficient of open-celled al foam with water backing

2.2 厚度对开孔泡沫铝水下吸声性能的影响

图4和图5分别比较了1 cm和3 cm厚空气饱和开孔泡沫铝、水饱和开孔泡沫铝在水背衬条件下的吸声系数曲线。图中虚线为1 cm厚泡沫铝吸声系数曲线，实线为3 cm厚泡沫铝吸声系数曲线。从图4可看出，厚度对空气饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响较大，从整体上讲，厚度越大，吸声系数越大。从图5可看出，厚度对水饱和开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝的吸声性能影响较小。

图4 厚1 cm和3 cm空气饱和开孔泡沫铝吸声系数比较Fig.4 Absorption coefficient of air-saturated open-celled al foam samples

2.3 背衬对泡沫铝水下吸声性能的影响

图5 厚1 cm和3 cm水饱和开孔泡沫铝吸声系数比较Fig.5 Absorption coefficient of water-saturated open-celled al foam samples

一般来说，背衬对材料的吸声性能有较大的影响［14］。图6和图7比较了3种不同背衬(空气背衬、水背衬和24 mm厚钢背衬)条件下30 mm厚空气饱和与水饱和开孔泡沫铝的水下吸声系数曲线。图中虚线、点划线和实线分别为空气背衬、水背衬和24 mm厚钢背衬时开孔泡沫铝的吸声系数曲线。从图6中可看出，背衬对空气饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响明显，吸声峰值的位置和大小发生了明显的变化。从图7中可看出，背衬对水饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响很小。

3 结语

本文对水饱和与空气饱和开孔泡沫铝开展了水下吸声性能实验研究，比较了厚度和3种不同背衬(空气背衬、水背衬和钢背衬)对其吸声性能的影响。实验结果发现，在500～4 000 Hz范围内，空气饱和开孔泡沫铝水下吸声性能相对较好，水饱和开孔泡沫铝的水下吸声性能很弱。厚度和背衬对空气饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响明显，对水饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响不大。对水饱和开孔泡沫铝的吸声性能影响很小。

水饱和开孔泡沫铝不宜用作水下低频吸声材料，而将空气饱和开孔泡沫铝用作水下吸声材料时，应采取有效防护措施，避免水渗入内部。否则，开孔泡沫铝将丧失吸声功能。

［1］LEFEBVRE L P，BANHART J，DUNAND D C.Porous metals and metallic foams:current status and recent developments［J］.Advanced Engineering Materials，2008，10(9):775-787.

［2］ARENAS J P，CROCKER M J.Recent trends in porous sound-absorbing materials［J］.Sound ＆ Vibration，2010，(6):12-17.

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

［4］LU T J，CHEN F， HE De-ping.Sound absorption of cellular metals with semiopen cells［J］.J.Acoust.Soc.Am，2000，108(4):1697-1709.

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

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

［7］朱纪磊，汤慧萍，葛渊，等.多孔吸声材料发展现状与展望［J］.功能材料，2007，38:3723-3726.

ZHU Ji-lei，TANG Hui-ping，GE Yuan，et al.Present research and prospect of porous absorption materials［J］.Functional Materials，2007，38:3723-3726.

［8］SUN F，CHEN Hua-ling，WU Jiu-hui，FENG Kai.Sound absorbing characteristics of fibrous metal materials at high temperatures［J］.Applied Acoustics，2010，71:221-235.

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

［10］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.

［11］王月.孔结构对通孔泡沫铝水声吸声性能的影响［J］.材料开发与应用，2001，16(4):16-18.

WANG Yue.Influence of pore structures on the underwater sound absorbing properties of open pore foamed aluminum［J］.Development and Application of Materials，2001，16(4):16-18.

［12］王晓林.金属多孔材料吸声板的优化模型［J］.声学学报，2007，32(2):116-121.

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

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

［14］何世平，汤渭霖，何琳.水下吸声覆盖层声管测试的背衬研究［J］.应用声学，2007，20(2):83-88.

HE Shi-ping，TANG Wei-lin，HE Lin.Effect of backing in the mesaurement of underwater anechoic coating with an acoustic［J］.Applied Acoustics，2007，20(2):83-88.

Experimental study of underwater sound absorption of open-celled Al foam

YE Zhen-xia
(Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment，Wuhan 430060，China)

Experimental study of underwater sound absorption coefficients of air-saturated and watersaturated open-celled Al foam are carried out.The influences of thickness and three kinds of backings(air backing，water backing，and steel backing)on underwater sound absorption performance are compared.The results show that the sound absorption performance of air-saturated open-celled Al foam is relatively good within the［500，4000］Hz frequency range，and that the sound absorption performance of water-saturated open-celled Al foam is relatively poor.The influences of thickness and backings on underwater sound absorption coefficients of air-saturated open-celled Al foam are very large，while the influences of thickness and backings on underwater sound absorption coefficients of water-saturated open-celled Al foam are very small.Water-saturated open-celled Al foam is not a good underwater sound absorption material.When airsaturated open-celled Al foam is used as underwater sound absorption material，some protect measurements must be taken to avoid water penetrating into its inner space.Otherwise，the underwater sound absorption performance of open-celled Al foam will degrade.

open-celled Al foam;underwater sound absorption;air-saturated;water-saturated;backing

TB34;TB535;O427

A

1672-7649(2012)04-0022-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2012.04.005

2011-10-16;

2011-11-16

叶珍霞(1980-)，男，硕士，工程师，研究方向为舰船减振降噪技术。