低温环境对多孔材料声学性能的影响研究

万 忠, 贾福鑫, 马文庚, 孙 明, 孙丽敏

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨 150001;3.大连船舶重工集团有限公司,大连 116021;4.上海空间电源研究所,上海 200245)

受全球温室效应影响,极地船舶的应用前景愈加乐观[1],为实现极地船舶舱室噪声的精确预报,探究低温环境对船舶舱室噪声的影响成为亟需解决的问题。通常,极地船舶的舱室舾装需要应用大量多孔材料用于保温和降噪[2-3],同时舱室内外巨大的温差影响了多孔材料原有的吸隔声性能,进而影响舱室噪声水平。因此,开展低温环境对船舶舱室噪声影响研究,对精确预报极地船舶舱室噪声水平并对后续舱室噪声控制具有重要的指导意义。

在多孔舾装材料研究领域,Biot等[4-5]早期学者通过大量理论推导和试验验证,揭示了多孔材料吸声机理,并建立了较为完善的多孔吸声理论模型。在此基础上,刘新金等[6-7]基于数值仿真深入分析了多孔复合吸声材料厚度、孔隙率、和微孔半径等材料参数与吸声系数间的变化关系。宁少武等[8]通过等效流体模型发现吸声材料导致的传声损失能够提高双层板等结构隔声性能。陈林等[9]基于大量试验和传递矩阵计算总结了多孔材料不同表面铺层对吸隔声特性的影响规律。宁方立等[10-11]将多孔材料用于环境声学降噪领域,研究表明在空间四周使用多孔材料可以有效降低空间内的噪声。根据上述研究可知,多孔材料因具有较高的孔隙率而具备良好的降噪特性。为进一步探索环境因素对多孔材料孔隙率及声学性能的影响,张波等[12]基于阻抗管测试系统搭建了不同温度场下吸声特性的测试装置,并成功获得高温下多孔材料的吸声性能,验证了阻抗管法对不同温度场下多孔材料测试的有效性。李伟等[13]基于驻波管测量技术研究了常温环境下吸声棉含水率对材料吸声性能的影响,提出潮湿玻璃棉高频吸声系数降低的主要原因为有效孔隙率的下降。王志斌等[14]基于混响法开展典型温度下模拟舱室隔声性能测试研究发现铝箔玻璃棉在低温下的隔声性能优于常温。

综上分析可知,船舶舾装材料的声学特性会根据应用环境的变化而发生改变,进而影响船舶的舱室噪声水平,目前针对该问题的相关研究鲜有报导。为此,本研究首先基于阻抗管直接测试法分析了低温环境对以玻璃棉声学性能的影响,并将测试数据作为参数输入应用于某内河破冰船,进行低温环境下实船舱室噪声预报分析,旨在探究低温环境下多孔玻璃棉材料声学性能变化对舱室噪声的影响,为极区船舶舱室噪声控制提供参考。

1 材料声学性能测试方法

遵循国标GB/T 18696.2—2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分:传递函数法》中材料声学参数测试标准,同时参考ISO 10534-2相关内容,采用阻抗管对试验样品开展测试,相关测试原理如下。

1.1 吸声性能测试原理

图1 吸声系数测试示意图Fig.1 Schematic diagram of sound absorption coefficient test

两个传声器位置上的声压可表示为

(1)

法向反射因数r可表示为

(2)

式中:PR为反射波声压;PI为入射波声压。

因此法向入射吸声系数的表达式为

(3)

1.2 隔声性能测试原理

基于阻抗管的隔声性能测试示意图,如图2所示,低温处理后的测试样品通过四通道阻抗管测得平面波激励下测试样品前后两点的声压,进而获得样品的隔声性能及插入损失。

图2 隔声性能测试示意图Fig.2 Schematic diagram of sound insulation performance test

四通道阻抗管中传声管声压p12和受声管声压p34可表示为

(4)

式中,P1、P2、P3、P4分别为对应声波复声压幅值。

（3）钢纤维混凝土在完成摊铺作业之后，在进行初平整理时，可以先采用人工的方式进行处理，同时，在施工阶段中，针对边角区域的位置，可以按照施工人员使用振动棒进行局部振动，保证摊铺质量得到提高，此后，直接采用平板振捣器进行全面的振捣施工。

当通过传声器获得四个传送器声压p1、p2、p3、p4后,声波复声压幅值可表示为

(5)

当接受管末端为开口时(即P4=0),声压的透射系数η表示为

(6)

式中:下标a为末端开口;下标b为末端闭口。

此时,隔声量TL可表达为

(7)

2 低温环境下多孔材料吸隔声性能测试

2.1 测试样品模型简介

如图3、图4所示,测试样品由无纺布、超细玻璃棉和船用钢板组成,测试样品直径为100 mm和30 mm,分别用于30 mm高频阻抗管和100 mm中低频阻抗管,待测样品与阻抗管内表面完全贴合。测试样品中玻璃棉厚度为50 mm,容重为30 kg/m3,钢板厚度为5 mm。

2.2 测试工况设置

船舶在低温环境下航行时,舱外低温渗透导致多孔材料内部温度急剧下降,舱内湿润暖空气在多孔材料内部液化形成水珠或凝结成冰晶,改变了多孔材料微观内部结构及孔隙介质,进而影响材料原有声学性能。

为探究低温环境对多孔材料声学性能的影响规律,本文以超细玻璃棉为例,以吸声系数和隔声量为声学性能评价参数,以存放玻璃棉样品的环境温度和玻璃棉含水率为变量开展单一变量测试,其中含水率为玻璃棉内液态水重量与含水玻璃棉重量的百分比。结合工程实际特点,试验工况设计如表1和表2所示。

表1 吸声性能测试工况Tab.1 Sound absorption performance test condition

表2 隔声性能测试工况Tab.2 Sound insulation performance test condition

测试环境相对湿度为40%,温度为20 ℃,空气密度取1 025 kg/m3,声速取340 m/s。

2.3 玻璃棉声学性能测试

测试系统示意图如图5所示,借助低温环境试验箱模拟测试样品所处低温环境,将测试样品存放在低温环境中24 h后取出,根据双通道和四通道阻抗管测试理论分别进行测试样品吸隔声性能测试,其中传声器灵敏度为78 mV/Pa,量程为18～134 dB,测试频率取值间隔为0.5 Hz/次。

2.4 测试结果与分析

低温环境下船舶舾装材料内受内外温差影响凝结成的水珠或冰晶改变了材料原有孔隙率和声波传递介质,是影响多孔舾装材料声学性能的主要原因。根据工程实际情况,以含水率和材料所处温度为变量,分析其对样件吸声性能和隔声性能的影响。

2.4.1 玻璃棉吸声性能测试结果分析

首先开展常温环境下含水率对测试样件吸声性能的影响分析。基于上述测试方法及工况设置,将不同频段吸声系数拟合后得到常温环境下不同含水率测试样件吸声系数频谱曲线,如图6所示。

由图6可知,玻璃棉吸声性能测试曲线在各频段内波动较稳定,中高频域测试曲线波动幅度随着含水率的增加而增加。为了便于分析讨论,将测试结果转化为1/3倍频程曲线进行分析,如图7所示。由图7可知,含水率为20%时,样件吸声性能总体趋势随着频率的增加而提高,在中低频域内随着频率的上升,吸声系数曲线逐渐上升并趋近于1,在中高频域吸声系数曲线出现“平台区”,即吸声系数随着频率的增加起伏较小。当玻璃棉样品含水率低于40%时,吸声系数曲线整体趋势一致,大小相近。当玻璃棉样品含水率超过60%时,吸声系数曲线峰值出现“前移”,即中低频域内吸声系数随着含水率的增加而增加,出现峰值的频率逐渐减小,峰值大小逐渐减小。含水率为60%和80%时,吸声系数曲线峰值频率分别为1.25 kHz和800 Hz,峰值大小分别为0.93和0.79。

图7 玻璃棉吸声系数1/3Oct曲线Fig.7 1/3Oct curve of sound absorption coefficient of glass wool

在舱外低温情况下,舾装材料温度将低于零度,为此进一步开展低温环境下含水率对测试样件吸声性能的影响分析,并将低温和常温两种环境工况测试结果进行对比。低温环境下不同含水率测试样件吸声系数1/3倍频程曲线,如图8所示。低温和常温不同含水率测试样件吸声系数1/3倍频程曲线对比图,如图9所示。

图8 玻璃棉吸声系数1/3Oct曲线Fig.8 1/3Oct curve of the sound absorption coefficient of glass wool

分析图8可知,在低温环境中,样件含水率小于20%时对吸声性能影响较小,随着含水率的提高,吸声系数曲线在100 Hz～1 kHz频域范围内吸声系数小幅提升,在中高频域“平台区”逐渐消失,吸声系数随着含水率的增加显著下降。由图9可知,相比常温环境,低温环境下相同含水率测试样件中高频吸声性能下降趋势更为显著,即冰晶相比等质量的液态水对舾装玻璃棉的吸声性能影响更大。

2.4.2 隔声性能分析

在低温环境下,舱壁舾装材料内形成的水珠或冰晶影响了玻璃棉的传递损失,进而导致样件隔声性能发生改变,为探究多孔材料含水率对舱壁隔声量的影响,开展测试样件隔声性能测试,测试结果如图10所示。

图10 玻璃棉隔声量1/3Oct曲线Fig.10 1/3Oct curve of sound transmission loss of glass wool

由图10可知,测试样件隔声量随着频率的增加而提高,在中低频段内隔声量随频率增加速度较快,高频段内增加速率逐渐减缓。对比玻璃棉不同含水率下测试样件的隔声量可知,随着玻璃棉含水率的增加测试样件的隔声性能逐渐提高,含水率为40%、60%、80%时,样件在100 Hz～6.3 kHz频域内隔声量总级分别提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

3 低温环境对船舶舱室噪声的影响研究

选取某内河破冰船为研究对象,以低温环境下玻璃棉吸隔声性能实测数据作为输入,基于统计能量分析法实现低温环境船舶舱室噪声的预报,探究低温环境对敷设多孔舾装材料的舱室噪声水平影响。

3.1 低温环境船舶舱室噪声仿真模型

某内河破冰船相关参数及统计能量模型如表3和图11所示,以驾驶舱为考核舱室,提取低温及常温环境下考核舱室1～2 m高度处声腔平均声压进行分析,驾驶舱统计能量模型,如图12所示。

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

图11 破冰船SEA舱室噪声预报模型Fig.11 Noise prediction model of icebreaker SEA cabin

图12 驾驶室SEA子系统离散示意图Fig.12 Schematic of the cab SEA subsystem

根据工程实际情况,全船上建舱室舱壁敷设50 mm玻璃棉作为舾装材料,并以无纺布为内衬材料,分析过程考虑外部低温环境对上建舱室舱壁舾装材料声学参数的影响,受暖气系统影响,与船舶外环境无直接接触的舱壁上敷设的舾装材料不受低温环境的影响。结合实船振动噪声源设备实际装备情况,基于实测数据及CCS载荷估算公式获取噪声预报模型激励载荷参数并加载[15]。

3.2 低温环境对船舶舱室噪声影响分析

根据上述舾装材料在低温环境下的测试数据,以低温环境下60%含水率的玻璃棉声学参数作为低温环境下多孔舾装材料声学输入参数,进行基于实船的低温环境舱室噪声预报分析,其中驾驶室声压级频谱曲线,如图13所示。

图13 驾驶室声压级频谱曲线Fig.13 The spectrum curve of SPL

根据仿真计算结果分析,驾驶室在低温环境和常温环境下的声压级频谱曲线趋势基本一致、大小相近。在考核频域内,低温环境下的驾驶室舱室噪声总级与常温环境下舱室噪声总级相差0.9 dB(A)。在63 Hz～1.6 kHz中低频段内,由于低温环境下多孔材料吸声系数曲线“前移”,导致舱室声压级小于常温环境;在1.6～8 kHz高频频域内,低温环境下多孔材料吸声系数随频率增加不断下降,导致舱室声压级大于常温环境。由于中低频域的权重较大,从总级上分析低温环境导致的多孔材料声学性能的改变并不会提高目标舱室噪声的超标风险。

4 结 论

本研究针对低温环境下船舶舱室噪声的预报问题,基于阻抗管测试,分析了不同温度和湿度环境对玻璃棉声学性能的影响,基于统计能量法进行低温环境和常温环境下目标舱室的舱室噪声预报分析,探究低温环境下多孔舾装材料声学性能的变化对舱室噪声的影响,研究结论如下:

(1) 随着含水率的增加,在常温环境中多孔材料吸声系数在中低频域内缓慢增加,高频域内显著下降,且在低温环境中高频吸收系数下降趋势更加明显。

(2) 随着含水率的增加,多孔材料的传递损失逐渐增加,随着频率的增加,敷设潮湿玻璃棉的舱壁隔声量呈上升趋势,当含水率为40%、60%、80%时,该样件隔声性能分别提高2 dB、3.8 dB、7.9 dB。

(3) 低温环境导致的多孔材料声学性能的改变不会提高目标舱室噪声的超标风险,在全频段内,低温环境下的目标舱室噪声总级较常温环境下降低0.9 dB(A)。