多级仿生耦合材料吸声性能及机理研究

发布时间：2016-11-15 06:22

  本文关键词：多级仿生耦合材料吸声性能及机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2014年

多级仿生耦合材料吸声性能及机理研究

王永华  

【摘要】：随着工业生产、交通运输和城市建筑的发展，噪声已成为污染人类社会环境的一大公害，使用新型吸声降噪材料是降低噪声污染的重要途径。当前，应用材料改进和新型声学结构相结合的方式来提高吸声材料的吸声性能，是吸声材料的主流发展趋势。 本文选用聚氨酯为基材，农作物副产品稻壳为填料，制备了稻壳-聚氨酯复合多孔材料，分析了添加稻壳对聚氨酯声学性能的影响；从声学专业角度设计了一种能够快速测量多孔材料特征参数的方法，测试了聚氨酯及稻壳-聚氨酯复合材料的特征参数，分析了各参数对材料声学性能的影响，并初步探索稻壳-聚氨酯复合材料的吸声机理；根据团队前期开展的鸮类仿生降噪的部分成果，基于鸮皮肤和覆羽的耦合吸声特性，设计了多层仿生耦合吸声结构，应用MATLAB和工程声学软件ACTRAN计算了其吸声性能及每层参数的影响，并应用有限元法模拟分析了其对索道滑舱内声场的影响，探索了多层仿生结构在交通工具上的降噪影响。 在材料方面，选择温度、总质量以及多元醇与MDI的比例作为试验因素制定试验方案，分析了各因素对聚氨酯泡沫声学性能的影响，并确定了制备聚氨酯的最佳条件。以优化后配方作为基材，添加不同量的稻壳，制备了稻壳-聚氨酯复合材料。应用红外光谱分析技术和扫描电镜分析了稻壳对复合材料化学成分及物理结构的影响。结果表明：稻壳未参与聚氨酯的化学反应，仅影响复合材料的物理结构，稻壳显著影响聚氨酯的孔形成和孔径分布。材料的声学性能测试表明，在不增加厚度的前提下，添加稻壳能够提高聚氨酯的低频吸声性能，且材料的吸声性能趋势与传递损失趋势相反。 为深入研究聚氨酯泡沫及稻壳聚氨酯复合材料的声学性能，在Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型的基础上，搭建了一个特殊试验台，能够采用一个试验样本，快速且同时测定多孔材料的所有特征参数，解决了传统测试方法复杂且耗时的不足。该方法的基本原理为：通过改变多孔材料背后的边界条件，测试相应的材料的表面阻抗和吸声系数，然后用MATLAB和最小二乘法来求解多孔材料的特征参数。流阻和孔隙率通过测量材料在低频段的表面阻抗来确定，而曲率、特征长度和热渗透性通过将吸声系数的测试值与Johnson-Allard模型进行拟合或者将有效密度和体积模量的试验值与Lafarge-Allard模型进行拟合得到。通过与其他实验室的测试结果比较和试验值与预测值比较来验证该方法的可靠性。最后，利用该试验台测试了制备的聚氨酯及稻壳-聚氨酯复合材料的各种特征参数，分析了各因素对聚氨酯泡沫的流阻和孔隙率的影响，将得到的特征参数，通过Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型计算来预测样本在背衬30mm空腔条件下的吸声系数曲线并与试验测试值进行对比，进一步分析了其吸声性能和声学机理。该方法最大的优势就是快速，且不需要其他专业的测试仪器，为多孔材料特征参数的测试提供了一种新的思路。 在结构方面，基于鸮皮肤和覆羽的多层次组织结构与形态特征，建立了梯形棱纹表面，背衬空腔以及多层耦合仿生模型。通过MATLAB计算及声学软件ACTRAN分析了模型的声学性能，以及各层参数对模型声学性能的影响。不同表面模型的声学性能分析表明：多孔材料背衬空腔，显著提高材料低频段的吸声性能，且吸声系数曲线的峰值向低频方向移动；多孔材料设计为梯形棱纹表面，，可显著提高材料中高频段的吸声系数。多孔材料设计为梯形棱纹表面且背衬空腔，吸声性能最好，吸声系数曲线的峰值向低频移动，并且在整个频段内吸声系数显著提高。对于多层耦合模型，仿生耦合模型具有最佳的吸声能力。0-2000Hz内的垂直入射平均吸声系数达到0.778，200-2000Hz内达到0.85。低频吸声系数的显著提高可归功于微缝板和柔性微穿孔膜的Helmholtz效应，与多孔材料结合则导致宽频段内吸声系数的进一步提高。 以索道滑舱为对象，将多层仿生耦合模型粘贴于滑舱内座椅和地毯部分，用ACTRAN计算滑舱空腔的声学模态，分析添加吸声材料前后的滑舱内声场变化，人耳附近的声压级变化，并计算各板块的贡献量。结果表明：由于车厢空腔的横向和垂向的对称性，使车厢空腔声场的各阶模态振型的横向和垂向两侧对称分布，且频率越高，形变越复杂。添加五种吸声模型后，人耳附近的声压级显著降低，其中，模型2和5表现出最好的吸声效率。正如所期望的，所有部位均添加吸声材料对滑舱内人耳附近的声压级降低最有效，其中地毯的贡献占主导。表明声压级曲线向低频范围移动，吸声材料增加了系统的质量。由吸声结构所提供的声吸收在低频范围非常低，但随着频率增加而提高，多层吸声结构在50Hz以下几乎无能量散射。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB34;TB383.4
【目录】：

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本文编号：175331