流体粘度对通孔泡沫铝水下声学特性的影响

姚欣鹏，何世平

(海军工程大学机械工程系，湖北武汉430033)

流体粘度对通孔泡沫铝水下声学特性的影响

姚欣鹏，何世平

(海军工程大学机械工程系，湖北武汉430033)

对流体饱和状态的通孔泡沫铝的水下声学性能进行实验研究，测试500～4 000 Hz频率范围内不同粘度流体饱和状态下的水下反声系数和透声系数。结果表明，通孔泡沫铝中充入流体的粘度对其水下声学特性有非常大的影响：低粘度流体饱和的通孔泡沫铝有优良的水下反声性能，而高粘度的流体饱和通孔泡沫铝有较好的吸声性能;流体的粘度对通孔泡沫的反声性能有所降低，对吸声性能有较大的提高;通孔泡沫铝在低粘度的流体饱和状态下隔声性能较好。

通孔泡沫铝;水下;声学性能;流体饱和;粘度

0 引言

通孔泡沫金属是一种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，具备低比重 (等效密度接近于水)、高比强度、高比刚度、高能量吸收、阻尼减振、电磁屏蔽等优良的综合性能［1－3］。目前，对泡沫金属的研究主要集中在泡沫金属的制备和性能表征上。

由于通孔泡沫铝具有良好的声学特性，有关泡沫铝声学特性机理和应用的研究成果很多。据已有的文献来看，通孔泡沫铝的声学性能研究主要集中在空气吸声的研究［4－7］，有少量的实验研究集中于通孔泡沫铝水中吸声性能［8－10］。另外，有实验研究表明，通孔泡沫铝的内部填充状态对其水下声学特性有非常大的影响［11－12］。在理论上，席根通过对声音在圆柱管和缝中传播的模型，详细讨论了多孔媒介中粘滞性和热传导性，并得到相关的理论［13］。王晓林建立了一个水下吸声优化模型，指出通过合理选择参数，粘性流体饱和的多孔金属在500 Hz附近吸声系数能达到 0.8 以上［14－15］。

泡沫铝在特征阻抗相近而粘度不同饱和流体状态下，吸声性能会由于粘滞吸收作用而提高。随着吸声系数的提高，通孔泡沫铝的反声和隔声性能相应的改变。通孔测试充入不同粘性流体的通孔泡沫铝样品在500～4 000 Hz下的水下反声系数和吸声系数，并对实验结果进行讨论，讨论流体粘度对其吸声性能、反声性能的相互影响。

1 水下声学实验方法

通孔泡沫铝的声学系数测量采用双水听器传递函数法。图1为水声声管测试系统的原理图。从图中可知，通过测量声管入射段①～②和透射段③～④两个位置的复声压，将管内驻波场中正反传播的两列波分离，并把入射段分离出来的反射波和入射波相比，可以得到声压反射系数r。将透射波和入射波相比，可以得到声压透射系数t。根据能量吸声系数α定义：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，可以求得α=1－r2－t2。

图1 水声声管反声系数测试系统Fig.1 The sketch of experimental measuring system to coefficient of sound

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，换能器向声管内发射出一列正弦波。声波在遇到被测样品会产生反射和透射。一段时间后，声管内存在入射段的入射波pi和反射波pr，透射段的透射波pt和透射反射波p2r等4个声波。这4个声波分别叠加后的信号由管中的4个水听器接收，其信号经数据采集仪采集后送至计算机进行分析计算，得出被测试样的声学性能数据 (如复反射系数、吸声系数等)。

2 实验对象

本实验将1块孔的形状不规则的通孔泡沫铝用电火花切割成2块直径均为118 mm，厚度分别为5 mm，20 mm的通孔泡沫铝试样 (见图2)，分别用水和201硅油进行饱和填充，并用聚酯薄膜封住流体。实验测试的频率范围为500～4 000 Hz，间隔100 Hz。

图2 厚度分别为5 mm和20 mm通孔泡沫铝Fig.2 Open－celled Al foam samples with 5mm and 20mm thick

表1 通孔泡沫铝实验样品参数Tab.1 The parameter of the Open－celled Al foam samples

3 实验结果

1)通孔泡沫铝的反声性能

图3 反声系数随频率的变化曲线Fig.3 Underwater sound reflection coefficient of open－celled Al foam

图3分别给出不同厚度下通孔泡沫铝水下充入硅油和水后的反射系数曲线。图中带三角形和圆形曲线分别为充入水和硅油的性能曲线。可以看出，通孔泡沫铝在不同粘性流体状态下有较好的反射性能，其整体趋势在测试范围内比较一致，并且在低粘度流体饱和状态下的反声性能要明显较强。对于厚度较大的通孔泡沫铝，高粘度流体饱和状态的反声性能有一定的提高，不同粘度状态下反声系数差异缩小。

2)通孔泡沫铝的吸声性能

图4分别给出不同厚度下通孔泡沫铝水下充入硅油和水后的吸声系数曲线。图中带三角形和圆形曲线分别为充入水和硅油的性能曲线。可以看出，通孔泡沫铝在不同粘性流体状态下有一定的吸声性能，其整体趋势测试范围内比较一致，并且在高粘度流体饱和状态下的吸声性能要明显较强。通孔泡沫铝的吸声性能在较高频率 (2 000～4 000 Hz)优于低频 (500～2 000 Hz)范围内的通孔泡沫铝。对于厚度较大的通孔泡沫铝，低粘度饱和流体状态下的吸声性能有一定的提高，不同粘度状态下吸声系数差异缩小。

3)通孔泡沫铝的隔声性能

图4 吸声系数随频率的变化曲线Fig.4 Underwater sound absorption coefficient of open－celled Al foam

图5 隔声系数随频率的变化曲线Fig.5 Underwater sound insulation coefficient of open－celled Al foam

图5分别给出不同厚度下通孔泡沫铝的不同粘度流体饱和状态下的水下隔声量曲线。图中带三角形和圆形曲线分别为充入水和硅油的性能曲线。可以看出通孔泡沫铝在不同粘性流体状态下有优良的隔声性能，并且在低频段 (500～1 500 Hz)和高频段 (2 500～4 000 Hz)较差，在中频段 (1 500～2 500 Hz)较好。在不同粘性流体状态下，低粘度流体饱和状态下的隔声性能要较好。对于厚度较大的通孔泡沫铝，其隔声性能有一定的提高，并且厚度对低粘度流体饱和状态通孔泡沫铝的隔声性能提高较大，但对高粘度流体饱和状态的隔声性能影响较小。

4)测量频段的平均结果

表2 通孔泡沫铝在500～4 000 Hz的声学系数Tab.2 The acoustical parameter of open－celled Al foam from 500 Hz to 4 000 Hz

表2声学实验测量结果表明，通孔泡沫铝在高粘度流体饱和状态下的吸声性能有优于低粘度流体饱和状态的吸声系数，但是在低粘度流体饱和状态下的反声系数优于高粘度流体饱和的反声系数，通孔泡沫铝在低粘度状态下的隔声量较好。

4 讨论与分析

媒介声学性能和其密度、声速、频率和粘度有关。声波在水中引起的流体和泡沫铝框架的摩擦导致的损耗几乎不存在，媒介的吸声作用主要是流体本身的粘度。实验中水和硅油的密度相当，声速也相当，但是二者的粘度差别巨大 (见表3)。

表3 水和硅油的参数Tab.3 The parameters of water and silicon oil

在忽略煤质热吸声效应的情况下，根据声吸收系数的经典公式——斯托克斯－克希霍夫公式，可以得到粘性流体的声波吸收系数。

式中：αη为声波的吸收系数;w为圆频率;η为流体的运动粘度;ρ为流体的密度;c为声速。

在同等频率下，硅油和水的声波吸收系数和其粘度成正比，即硅油吸声系数远大于水的声波吸声系数。从图6可以看出，对厚5 mm和20 mm的水和硅油在500～4 000 Hz下的吸声系数进行比较可知，硅油的吸声系数远大于水的吸声系数。这是导致通孔泡沫铝在硅油饱和状态下的吸声性能高于水饱和状态下的吸声系数的原因。但是随着吸收系数的提高，其反声系数略有下降。

图6 不同厚度粘性流体的水下吸声系数变化曲线对比Fig.6 Comparison of underwater sound absorption of fluid with different viscidity.

从整体隔声效果来看，通孔泡沫充入高粘度的流体后，并没有提高其隔声性能。粘性流体对通孔泡沫铝的反声性能没有很好的提高。这是由于粘性流体吸声系数的提高小于其反声系数的减小。

5 结语

对不同粘度流体饱和状态下的通孔泡沫铝进行水下声学实验研究结果表明，通孔泡沫铝填充流体的粘度对其水下声学性能有非常大的影响。

低粘度饱和状态的通孔泡沫铝的水下反射性能明显优于高粘性流体饱和状态下的通孔泡沫铝，低粘度饱和状态下通孔泡沫铝的水下吸声性能差于高粘度饱和状态下的通孔泡沫铝，对于整体的隔声系数，低粘度饱和状态的泡沫铝性能更佳。

低粘度流体饱和状态下通孔泡沫铝的水下声学性能受其厚度的影响较大，这不仅和其粘度本身有关，还和通孔泡沫铝本身的结构有关，其水下声学机理有待进一步开展理论研究和实验验证。

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The effect of fluid viscosity in open-cell foam aluminum on underwater acoustic characteristics

YAO Xin－peng，HE Shi－ping
(Department of Mechanical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Experimentally investigated the underwater acoustic performance of open－cell aluminum foam within fluid saturation.Tested the reflection coefficients and absorption coefficients of the aluminum foam with different viscosity fluid saturation in the frequency from 500 Hz to 4 000 Hz.Experimental results showed that the viscosity of the internal fluid in the open－cell aluminum foam effects strongly on underwater acoustics properties.The low viscosity fluid saturation open－cell aluminum foam has excellent underwater reflected performance，and high viscosity fluid saturated one has good absorption properties.The viscosity of the fluid in the open－cell foam does not improve its reflection performance，but has greatly improved its absorption performance.Open－cell aluminum foam has better sound insulation performance in a low viscosity fluid saturation.

open－cell aluminum foam;underwater;acoustics properties;fluid saturation;viscosity

O427

A

1672－7649(2014)06－0068－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.013

2013－04－02;

2013－05－28

姚欣鹏(1988－)，男，硕士研究生，研究方向为声学材料。