某种多孔陶瓷的消声性能试验

杨碧君，潘国培，贺华，丁炜，周相荣

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

多孔陶瓷是一种经高温烧成，体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料，就微孔结构形式可分为闭气孔结构和开口气孔结构[1]。

多孔陶瓷材料具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸附性能好等特点[2]，对液体和气体介质有选择的透过性，能量吸收或阻尼特性，加之陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、化学稳定性和结构尺寸稳定性，使多孔陶瓷这一绿色材料可以用于气体和液体中过滤、净化分离、化工催化载体，它是吸声减震材料、高级保温材料、生物植入材料、特种墙体材料和传感器材料，因此在多方面得到广泛的应用[3]。

本文就多孔陶瓷材料在声学领域的应用作简要介绍，并对孔源率40%多孔陶瓷进行实验。讨论其作为消声器时的主要影响因素。

1 基础理论

一般多孔材料的声学模型有两类，一类为刚性骨架模型[4—6]，骨架的弹性模量比空气大若干个数量级，在受到扰动时，骨架的响应完全可以忽略；另一类是弹性体骨架模型[7]，声波在多孔材料中传播时，骨架发生振动，产生声振耦合。根据多孔陶瓷材料的制造工艺，采用刚性骨架模型进行声学分析，有经验公式[4]、宏观理论[8]和微观理论[5]三种分析途径。Allard和Champous[9]对宏观理论和微观理论进行统一，将流阻表达式进行了简化，得到了刚性骨架材料层的经验关系模型，弥补了Delany-Bazley[4]模型在低频计算不准确的缺陷。

2 多孔陶瓷在声学领域中的应用

2.1 吸声材料

作为吸声材料，影响其吸声特性的主要因素是材料自身的空气流阻孔隙率和结构因子。目前较为常用的是采用Zwikker-Kosten模型[5]和Stinson模型[6]来描述空气和孔壁粘性效应和热交互作用。Takahara[10]研究了微粒型多孔陶瓷材料的吸声特性，其主要影响参数为微粒平均直径、孔隙率、材料厚度和背后空腔厚度。

研究表明[11]，单独的气泡和密闭间隙不起吸声作用，只有具有连通气孔、60%以上的孔隙率、孔径为20～150 μm以及机械强度较高的多孔陶瓷才能作为吸声材料。

2.2 隔声材料

与吸声材料不同，具有闭气孔结构的多孔陶瓷可用作隔声材料，声波传播到材料表面时，绝大部分被反射，透射的声波大大减小，从而起到隔声作用。多孔陶瓷所具有隔声性能以及优良的耐火性[12]和耐候性[13]，使它越来越被广泛地应用于变压器、影剧院的隔声，以及高层建筑等防火要求较高的场合。

2.3 消声器

近年来，具有刚性骨架结构的多孔金属材料被应用于消声内衬[14]，并广泛开展了高温、高声压级下多孔材料特性的研究，获得硬壁背衬下材料表面声阻抗的计算模型[15]，而作为阻塞型消声器的研究却很少。

多孔陶瓷消声器最早出现于80年代，用来控制排气喷流噪声，已应用于铸锻车间以压缩空气为动力的射芯机、压力机、分箱机和捅箱机等排气口上，取得了30 dB(A)以上的消声效果[16]。多孔陶瓷消声器还用于降低蒸汽加热管道产生的宽频带噪声，消声量达26 dB(A)[17]。

3 消声性能实验

为确定影响多孔陶瓷声学性能的因素，将不同规格的多孔陶瓷管通过夹具安装在排气口，实验条件见表1。

测试时，将传感器布置在距陶瓷表面1 m位置处，记录安装多孔陶瓷管前后的排气噪声。图1为多孔陶瓷管的试验夹具照片。

表1 多孔陶瓷试验条件

图1 多孔陶瓷管的试验夹具

4 消声性能影响因素分析

4.1 孔隙率

孔隙是表征多孔陶瓷的基本参量。图2给出了孔隙率与一些物理性能之间的关系。多孔陶瓷材料作为声学产品使用时，除了满足声学性能要求外，其强度也是关键考虑因素。随着孔隙率增加，材料的断裂韧性逐渐下降，其失效过程表现出一定的塑性，孔隙率越高，失效强度越低，塑性失效越明显[18]。

汪永清等[11]研究了以木炭屑和锯末为造孔剂的两种吸声陶瓷孔隙率在15%～45%之间的吸声效果，结果发现孔隙率越高，吸声效果越好。

基于此，在本文的研究中，所选用的多孔陶瓷孔隙率都为40%，以排除孔隙率对声学性能的影响，同时满足试验过程中材料强度的要求。

4.2 壁厚

从理论上来看，增加厚度可以增加多孔陶瓷的声阻抗，同时增加了气体在多孔陶瓷内经历的路程，最终导致消声量的增加。基于此，在T1工况下对壁厚为4 mm和6.6 mm的多孔陶瓷管进行消声量测试，结果如图3所示。无论是从频谱还是总的消声量上来看，壁厚为6.6 mm的多孔陶瓷的消声量略高于壁厚为4 mm的多孔陶瓷，但两者差异并不显著，这是因为试验所选用的两类多孔陶瓷管壁厚的差异不至引起消声效果的显著变化。

图2 孔隙率与物理性能的关系

图3 不同壁厚的多孔陶瓷管消声量

4.3 过滤精度（孔径）

在其它参量相同的情况下，选择孔径为5 μ和20 μ的相同材质多孔陶瓷、50 μ的碳化硅多孔陶瓷和30 μ的刚玉多孔陶瓷在T1工况下进行试验，结果如图4所示。在这几种规格下，20 μ多孔陶瓷管的消声效果最佳，其次为30 μ、50 μ、5 μ，从频谱上看，主要在125 Hz～2 kHz出现显著差别。出现这种结果的原因有以下两种：

(1)材质是影响消声量的重要因素，不同材质的多孔陶瓷，其孔隙组织结构不同，孔隙比较通畅的材料流阻较小；孔隙曲折度越高，内部通道越复杂的材料流阻大。

(2)在最佳消声效果的优化孔径。在孔隙率相同的情况下，孔径越大，流阻越小，反之孔径越小，流阻越大。这两个因素均与流阻存在直接关系。流阻是影响多孔陶瓷材料声学性能的一个重要宏观参数，其与温度和声压有关。对于一定厚度的材料，存在一个最佳流阻。因此，这几种规格的多孔陶瓷消声效果不随孔径的增加而呈现单一的变化趋势。

4.4 温度

图4 不同孔径的多孔陶瓷管消声量

两种试验条件下测得的多孔陶瓷管消声性能显著不同（图5），在低频部分（250 Hz以下），因T 2工况下声源低频贡献较小，使得多孔陶瓷管低频消声效果表现不显著。室温环境下2 kHz附近出现多孔陶瓷管的消声谷值，而在高温环境下，该谷值向高频移动，根据消声频谱曲线，可以预计该谷值出现在20 kHz以上。相应地，1 kHz频率处的消声峰值也向高频移动，至2 kHz。温度的变化使得声速、流阻等物理量发生变化，对于一定波长来说，相应的频率提高，同时，流阻也随之增大，在多种因素共同作用下，使得多孔陶瓷管的消声频谱特性曲线发生变化，向高频移动。

这两种试验条件下，多孔陶瓷管的消声效果非常明显，接近40 dB(A)，显著降低了排气口噪声。

图5 不同温度下多孔陶瓷管消声量

5 结语

(1)孔隙率是表征多孔陶瓷材料的基本参数，与多项物理量存在直接关系，并与强度成反比。为排除孔隙率对声学性能的影响，同时满足试验时强度的要求，选择孔隙率为40%的多孔陶瓷进行其他参数的比较分析；

(2)实验了壁厚对消声量的影响。从理论上来讲，壁厚越厚，消声量越好，实验结果虽在一定程度上表现了这一趋势，但并不显著，这与所选的厚度差异有关；

(3)实验所选用的几种过滤精度（孔径）的多孔陶瓷，以20 μ多孔陶瓷的消声效果最佳，这是因为材质的不同，或存在最优过滤精度（孔径）而引起的流阻差异导致的；

(4)不同温度下，多孔陶瓷管的消声频谱特性曲线有显著差异，随温度升高向高频移动。两种试验条件下，总消声效果都接近40 dB(A)，能显著降低排气口噪声。

[1]何飞，赫晓东.多孔陶瓷制备工艺及性能研究[J].宇航材料工艺，2003(5)：12-16.

[2]王慧，曾令可，张海文，等.多孔陶瓷—绿色功能材料[J].中国陶瓷，2002，38(3)：6-9.

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