泡沫铝在鱼雷减震降噪上的应用研究

靳廷甲

（一鸣新材料科技有限公司技术研发部，安徽 合肥 230022）

噪音污染是目前较为严重的问题，随着科技的不断进步，降噪的主要方式有主动降噪、被动降噪和有源降噪三种。泡沫铝具有质轻、比强度高，优良的吸能、减震性能，良好的吸声、隔声性能，还具有耐高温、抗腐蚀、不易氧化老化、耐候性好等特点［1］。因此，被广泛地应用于生产生活的各个方面，如作为建筑材料，可应用于大型体育场馆、展厅等大跨度建筑的装饰吸音材料［2］；在舰船上使用，可用作驾驶舱、设备舱、发动机舱的减震、降噪，尤其是潜艇的降噪，可以有效防止噪声向外辐射，达到隐身的目的［3］；在汽车工业中，可用作轻质填充材料、吸能与消声结构［4-7］；航天航空工业中，可作为轻质、缓冲、导热的支撑构件［8］。泡沫铝内部结构呈三维网状，内部孔多且孔隙较大，具有良好的传热性，当有声波进入泡沫铝内部时，其内部结构可以将声能转化成热能，从而达到降噪的目的。泡沫铝材料的准静态压缩曲线中存在较长的应力平台区，使其具有在较大应变范围内保持应力基本不变，将外加能量转变为自身变形所做的功，具有极好的缓冲吸能特性［1］。噪音问题对于鱼雷来说是一大难题，鱼雷在海上作战时，需要隐蔽自身，接近敌方不被发现，如何对其降噪是一大难题。文章通过实验设计，进行了仿真模拟，研究了泡沫铝在鱼雷降噪上的应用价值，对于未来泡沫铝在高端武器装备上的吸声降噪的应用具有一定帮助。

1 泡沫铝相关概述

1.1 泡沫铝吸声机理

泡沫铝分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝两种，开孔泡沫铝的吸声性能较好，主要是因为它内部有较多孔隙，并且孔隙较大，在入射声波通过泡沫铝内部时，一部分声波会被泡沫铝吸收掉，还有一部分会被材料反射回去，只剩部分声波穿透过去。

泡沫铝的吸声机理就是当声波通过空气等传播媒介进入到泡沫铝的内部后，会和泡沫铝内部孔隙中的空气产生摩擦，引起震动。而那些靠近孔壁的空气因为有壁面的阻挡，很难引起他们的震动，从而产生内摩擦力。通过内部的摩擦力和粘滞力将大量的声能转换成热能，热能通过网状结构迅速散出到空气中，使得声波消减。同时，处于泡沫铝内部的传播媒介也会因为摩擦震动传向表层，形成散射或漫反射，达到吸声的效果［9］。

1.2 影响泡沫铝吸声性能的因素

泡沫铝的吸声性能与材料和结构有关，主要的影响因素有以下几点：第一，孔隙率。不同的孔隙率对吸声峰值的频率影响不大，孔隙率主要是改变了吸声系数的大小，而气孔率越大，吸声系数越高，吸声效果越好。第二，厚度。泡沫铝材料的厚度选择也是非常重要，需要有一个合适的厚度才能发挥最佳效果。当材料厚度较薄时，吸声能力会减弱，当材料过厚时，对于低频范围的声波吸声能力较弱。其三，孔径。孔径越大吸声系数越高。因为孔径越大，泡孔壁上的微孔及裂纹缺陷越多，一方面增加了泡沫铝材料内部总表面积，有利于吸声；另一方面微孔及裂纹使得泡孔贯通，增强了微孔内的空气振动，产生的粘滞阻力使得振动空气的动能转化为热能耗散。但是较大的孔径会导致力学性能降低，在实际的应用中需要综合考量。其四，空腔的厚度。空腔指孔壁之间空气层的厚度，在材料和孔壁之间增加空气层，可以有效提高泡沫铝对低频声波的吸收效果，空气层越厚，吸收效果越好，但增长趋势会变缓，当达到一定厚度时，泡沫铝的吸声性能基本不会有增长趋势了。其五，温度和湿度。声波的波长会随着温度的变化而改变，进而影响泡沫铝的吸声性能，当湿度过大时，泡沫铝材料容易受潮会堵塞泡沫铝的微孔隙，降低吸声能力，湿度越大，对声波的吸收效果越差。

1.3 泡沫铝应在鱼雷减震降噪上的应用前景

鱼雷作为一种水中武器，主要目的是用于攻击敌方舰船和潜艇，因此对于鱼雷的隐蔽性要求较高。鱼雷在运行中会发出较大噪音，容易被人察觉，其噪音来源主要有三个方面，一是鱼雷外壳和水摩擦发出较大响声；二是鱼雷的螺旋桨转动声以及转动时带动的水流运动声；三是鱼雷的动力系统在运转时产生的机械噪声，这是鱼雷噪声来源最主要的一点［10］。泡沫铝的减震、吸声、防火性能让它在鱼雷减噪上具有非常大的优势。在鱼雷的动力系统上包裹上一层泡沫铝，可以很大程度的改善鱼雷动力装置产生的噪音向周围扩散，并且因为泡沫铝质轻的特点，对鱼雷的重量也不会增加太多，不会影响鱼雷航行的速度。泡沫铝还有减震的效果，安装在鱼雷的动力装置外部，可以减少部分机械振动摩擦产生的声音。另外，泡沫铝也具有优异的防火性能，它在1000 ℃左右不会燃烧或者丧失完整性，大大增强了鱼雷的安全性。从以上分析可以看出，泡沫铝的特性让其在鱼雷的应用上拥有广阔的前景。

2 泡沫铝在鱼雷减震降噪上的应用

通过调查研究，了解到孔径1.0 mm 左右，孔隙率达到65%的开孔泡沫铝吸声性能是最好的［11］，通过仿真试验，对泡沫铝在鱼雷的减震降噪上的应用进行测试，采用孔径为0.9～1.2 mm 的泡沫铝板作为测试材料。

2.1 试验方法

试验选用孔径为0.9～1.2 mm、孔隙率为65%，厚度为10 mm 的泡沫铝，按照鱼雷海水泵的尺寸大小进行剪裁，当尺寸合适后将其安装到鱼雷海水泵的表面，用自制的小喇叭模拟鱼雷内部机械动力装置产生的噪音，将其放置在海水泵的内部，并将其和信号发生器以及功率放大器相连，以此让喇叭发出声音。分别记录未安装泡沫铝和安装了泡沫铝的海水泵发出的噪音值，根据数据进行对比分析。

2.2 泡沫铝制备过程与优化

（1）模具设计

模具设计对于泡沫铝板材制备来说是至关重要的，在模具设计中需要注意模具的密封性，防止铝液的外漏，还要注意在脱模时要保证样品能够顺利退出，下图是泡沫铝板材模具的设计图。

①模具整体采用的是分体式结构，接头表面采用特殊的密封结构。为了便于拆模，水平夹紧装置将用于垂直分体式结构。模板被夹紧和闭合，夹紧装置打开，中间的模板可以在垂直方向上移除。在模具底部放置一个具有均匀排气孔的均流板，均流板与底座之间形成空腔，在底座侧面留有与外界空气相通的孔管，用于渗透真空吸铸法施加真空，流板和中间板上留有两个螺纹孔，这些孔用于连接环，以便于拆卸和模具清洁［12］。

②为了确保模具和填料颗粒的整体预热，在中间模板的外表面上特别添加了四个加热板，并且在每个加热板内部都设置了七个加热棒。为了便于操作，两个加热板没有固定，另外两个是固定的。为了实现对预热温度分布的合理控制，可以合理地布置加热棒，以确保在渗漏过程中铝液被平稳地填充。

③为了避免热量的损失，模具外表面采用特殊的绝缘层进行绝缘，极大的简化了整个模具的结构和操作过程，提高了生产的效率。

（2）制备过程

此次实验，采用的是高压渗透法，这是一种较为成熟的制备方法。高压渗透法也就是将事先处理过的铝液倒入模具中，然后将预热到500 ℃的多孔块体注入铝液中，在渗透的过程中用液压机加压，直至铝液液体完全渗透。等到铝液冷却凝固后，从模具中取出胚料，用水溶解或者加热的方式进行清洗加工。这就完成了泡沫铝板材的制作［13］。

在制备工作中需要注意一个问题，当多孔块体注入铝液中时，容易造成铝液溢出，等到铝液凝固后，块体无法取出，增加操作难度。为了解决这种问题，可以用和模具尺寸大小相同的石墨压头隔在铝液和多孔块体之间，避免再用压头加压时，铝液上涌凝固［14］。

2.3 实验结果与分析

在不同频率的声波下，泡沫铝的吸声性能有较大差异。当频率处于500 Hz 时，泡沫铝的降噪效果最佳，降噪值达到了15d B；频率在4000 Hz 时，降噪效果其次，降噪值为11 dB；频率在31 Hz、62 Hz 时降噪效果是一样的，降噪值都为7dB，频率达到125 Hz 和2000 Hz 时，降噪值达到了8 dB，当频率处于250 Hz 和8000 Hz 时，泡沫铝的吸声效果较弱，只有5 dB 和3 dB。根据图中分析，泡沫铝的吸声性能和频率高低并没有直接联系，也没有找到明确的规律。但是总体上来说，泡沫铝在鱼雷外壳上的降噪效果在500～4000 Hz 的频率范围内最佳，平均降噪值为11 dB。

通过整体的模拟试验分析，可以得出结论，泡沫铝在鱼雷外壳的应用，对于噪音的吸收和消减起到了良好的效果。对于鱼雷来说，降低一分贝都是极其重要的，泡沫铝在8000 Hz 频率以内的平均降噪值为8.2 分贝，说明泡沫铝在鱼雷的减振降噪中拥有良好的应用前景，在未来的发展中，可以大力研究泡沫铝在鱼雷等高端武器装备中的应用。

3 结 语

通过文章的分析阐述，可以了解到泡沫铝主要是通过其内部的孔隙和声波的摩擦导致声能转换成热能耗散而起到降噪作用的；孔隙率、厚度、孔径、空腔厚度、温度和湿度等都会影响泡沫铝的吸 声性能；良好的吸声性、防火性、抗震性让泡沫铝成为了鱼雷减振降噪的优良材料；通过实验发现安装了泡沫铝后的鱼雷海水泵的噪音测量值有相当程度下降，进一步验证了泡沫铝在鱼雷减震降噪方面的应用可行性。