本文關(guān)鍵詞：多級仿生耦合材料吸聲性能及機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2014年

多級仿生耦合材料吸聲性能及機(jī)理研究

王永華  

【摘要】：隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和城市建筑的發(fā)展，噪聲已成為污染人類社會環(huán)境的一大公害，使用新型吸聲降噪材料是降低噪聲污染的重要途徑。當(dāng)前，應(yīng)用材料改進(jìn)和新型聲學(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式來提高吸聲材料的吸聲性能，是吸聲材料的主流發(fā)展趨勢。 本文選用聚氨酯為基材，農(nóng)作物副產(chǎn)品稻殼為填料，制備了稻殼-聚氨酯復(fù)合多孔材料，分析了添加稻殼對聚氨酯聲學(xué)性能的影響；從聲學(xué)專業(yè)角度設(shè)計了一種能夠快速測量多孔材料特征參數(shù)的方法，測試了聚氨酯及稻殼-聚氨酯復(fù)合材料的特征參數(shù)，分析了各參數(shù)對材料聲學(xué)性能的影響，并初步探索稻殼-聚氨酯復(fù)合材料的吸聲機(jī)理；根據(jù)團(tuán)隊前期開展的鸮類仿生降噪的部分成果，基于鸮皮膚和覆羽的耦合吸聲特性，設(shè)計了多層仿生耦合吸聲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用MATLAB和工程聲學(xué)軟件ACTRAN計算了其吸聲性能及每層參數(shù)的影響，并應(yīng)用有限元法模擬分析了其對索道滑艙內(nèi)聲場的影響，探索了多層仿生結(jié)構(gòu)在交通工具上的降噪影響。 在材料方面，選擇溫度、總質(zhì)量以及多元醇與MDI的比例作為試驗因素制定試驗方案，分析了各因素對聚氨酯泡沫聲學(xué)性能的影響，并確定了制備聚氨酯的最佳條件。以優(yōu)化后配方作為基材，添加不同量的稻殼，制備了稻殼-聚氨酯復(fù)合材料。應(yīng)用紅外光譜分析技術(shù)和掃描電鏡分析了稻殼對復(fù)合材料化學(xué)成分及物理結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：稻殼未參與聚氨酯的化學(xué)反應(yīng)，僅影響復(fù)合材料的物理結(jié)構(gòu)，稻殼顯著影響聚氨酯的孔形成和孔徑分布。材料的聲學(xué)性能測試表明，在不增加厚度的前提下，添加稻殼能夠提高聚氨酯的低頻吸聲性能，且材料的吸聲性能趨勢與傳遞損失趨勢相反。 為深入研究聚氨酯泡沫及稻殼聚氨酯復(fù)合材料的聲學(xué)性能，在Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型的基礎(chǔ)上，搭建了一個特殊試驗臺，能夠采用一個試驗樣本，快速且同時測定多孔材料的所有特征參數(shù)，解決了傳統(tǒng)測試方法復(fù)雜且耗時的不足。該方法的基本原理為：通過改變多孔材料背后的邊界條件，測試相應(yīng)的材料的表面阻抗和吸聲系數(shù)，然后用MATLAB和最小二乘法來求解多孔材料的特征參數(shù)。流阻和孔隙率通過測量材料在低頻段的表面阻抗來確定，而曲率、特征長度和熱滲透性通過將吸聲系數(shù)的測試值與Johnson-Allard模型進(jìn)行擬合或者將有效密度和體積模量的試驗值與Lafarge-Allard模型進(jìn)行擬合得到。通過與其他實驗室的測試結(jié)果比較和試驗值與預(yù)測值比較來驗證該方法的可靠性。最后，利用該試驗臺測試了制備的聚氨酯及稻殼-聚氨酯復(fù)合材料的各種特征參數(shù)，分析了各因素對聚氨酯泡沫的流阻和孔隙率的影響，將得到的特征參數(shù)，通過Johnson-Allard模型和Lafarge-Allard模型計算來預(yù)測樣本在背襯30mm空腔條件下的吸聲系數(shù)曲線并與試驗測試值進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析了其吸聲性能和聲學(xué)機(jī)理。該方法最大的優(yōu)勢就是快速，且不需要其他專業(yè)的測試儀器，為多孔材料特征參數(shù)的測試提供了一種新的思路。 在結(jié)構(gòu)方面，基于鸮皮膚和覆羽的多層次組織結(jié)構(gòu)與形態(tài)特征，建立了梯形棱紋表面，背襯空腔以及多層耦合仿生模型。通過MATLAB計算及聲學(xué)軟件ACTRAN分析了模型的聲學(xué)性能，以及各層參數(shù)對模型聲學(xué)性能的影響。不同表面模型的聲學(xué)性能分析表明：多孔材料背襯空腔，顯著提高材料低頻段的吸聲性能，且吸聲系數(shù)曲線的峰值向低頻方向移動；多孔材料設(shè)計為梯形棱紋表面，，可顯著提高材料中高頻段的吸聲系數(shù)。多孔材料設(shè)計為梯形棱紋表面且背襯空腔，吸聲性能最好，吸聲系數(shù)曲線的峰值向低頻移動，并且在整個頻段內(nèi)吸聲系數(shù)顯著提高。對于多層耦合模型，仿生耦合模型具有最佳的吸聲能力。0-2000Hz內(nèi)的垂直入射平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.778，200-2000Hz內(nèi)達(dá)到0.85。低頻吸聲系數(shù)的顯著提高可歸功于微縫板和柔性微穿孔膜的Helmholtz效應(yīng)，與多孔材料結(jié)合則導(dǎo)致寬頻段內(nèi)吸聲系數(shù)的進(jìn)一步提高。 以索道滑艙為對象，將多層仿生耦合模型粘貼于滑艙內(nèi)座椅和地毯部分，用ACTRAN計算滑艙空腔的聲學(xué)模態(tài)，分析添加吸聲材料前后的滑艙內(nèi)聲場變化，人耳附近的聲壓級變化，并計算各板塊的貢獻(xiàn)量。結(jié)果表明：由于車廂空腔的橫向和垂向的對稱性，使車廂空腔聲場的各階模態(tài)振型的橫向和垂向兩側(cè)對稱分布，且頻率越高，形變越復(fù)雜。添加五種吸聲模型后，人耳附近的聲壓級顯著降低，其中，模型2和5表現(xiàn)出最好的吸聲效率。正如所期望的，所有部位均添加吸聲材料對滑艙內(nèi)人耳附近的聲壓級降低最有效，其中地毯的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)。表明聲壓級曲線向低頻范圍移動，吸聲材料增加了系統(tǒng)的質(zhì)量。由吸聲結(jié)構(gòu)所提供的聲吸收在低頻范圍非常低，但隨著頻率增加而提高，多層吸聲結(jié)構(gòu)在50Hz以下幾乎無能量散射。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB34;TB383.4
【目錄】：

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7 周洪;高分子微粒聲學(xué)材料的制備、性能及聲學(xué)機(jī)理研究[D];四川大學(xué);2007年

8 楊家富;木竹復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能堯物理性能試驗研究分析[D];南京林業(yè)大學(xué);2013年

9 陳鑫;基于SEA方法的轎車車內(nèi)噪聲分析與控制研究[D];吉林大學(xué);2008年

10 陳繼浩;隔聲屏障結(jié)構(gòu)聲學(xué)模擬、設(shè)計與性能優(yōu)化應(yīng)用研究[D];中國建筑材料科學(xué)研究總院;2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 曹書豪;聚氨酯泡沫及聚丙烯纖維復(fù)合材料的吸聲性能研究[D];西南交通大學(xué);2013年

2 石琢;纖維/顆�！獦渲鶎雍蠌�(fù)合材料的吸聲性能研究[D];浙江理工大學(xué);2010年

3 張錦寬;針刺非織造材料吸聲性能研究[D];東華大學(xué);2011年

4 馬永喜;復(fù)合針刺非織造材料吸聲性能研究[D];東華大學(xué);2010年

5 李曉佳;通孔泡沫鋁組合結(jié)構(gòu)吸聲性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

6 敖慶波;燒結(jié)FeCrAl纖維多孔材料吸聲性能分析及研究[D];東北大學(xué);2008年

7 李康;層合多孔吸聲隔音復(fù)合材料[D];東華大學(xué);2011年

8 孫明;船體振動噪聲在聲學(xué)覆蓋層中傳遞特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

9 熊紅蓮;隔聲薄膜褶皺復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能研究[D];上海交通大學(xué);2011年

10 邱伯華;納米材料高彈體的阻尼吸聲性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：多級仿生耦合材料吸聲性能及機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：175331