彭 康，周建钊，沈新民

（中国人民解放军理工大学，野战工程学院，江苏南京210007）

低频条件下泡沫铜吸声性能的研究

彭 康，周建钊，沈新民

（中国人民解放军理工大学，野战工程学院，江苏南京210007）

泡沫金属具有很好的高频吸声特性，在低频时吸声效果并不明显。采用驻波管法对泡沫铜进行低频下的吸声系数测试，实验结果表明，在低频下，泡沫铜的吸声系数很低。1800 Hz时，厚度10mm的泡沫铜吸声系数只有0.125；当在泡沫金属厚加入空气层时，其吸声性能明显改善，1800Hz情况下，厚度10mm的泡沫铜加10mm厚空腔时，其吸声系数增加到0.3，空腔厚度20mm时，其吸声系数增加到0.485.

泡沫铜；吸声性能；低频；空气层

噪声困扰着人们的听觉系统，使工作环境变得恶劣，还会加速机械设备的老化，影响其寿命和精度。正因如此，降噪问题便成为了许多科技工作者热衷的研究方向[1，2]。

1948年，美国的B.SoSnick利用汞在熔融铝中气化成功得到了铝泡沫，打开了人类研究泡沫金属的大门[3，4]。泡沫金属是一种在基体中分布有孔隙的多孔金属材料。相较于传统的吸声材料，泡沫金属具有高比强度和比刚度、耐高温和潮湿及无污染等优点[5-7]，使得它在吸声降噪领域得到了广泛的应用，目前其已被应用于建筑、交通、机械等领域，且正在向航空航天和军事应用等领域发展。

泡沫金属在高频段具有很好的吸声性能，然而在低频段的吸声效果并不明显。本文通过在泡沫金属后加入一定厚度的空气层，使得其形成共振结构，从而提高其在低频段的吸声性能[8，9]。

1 试验方法

选用电沉积制备的泡沫铜为测量材料，厚度2~ 20 mm，平均孔隙率75%，泡沫铜加工为直径96 mm的圆状。选用AWA6128A型驻波管对泡沫铜进行吸声系数测量实验。

图1 AWA6128A型吸声系数测试仪结构示意图

为了更清楚地描述泡沫金属材料吸声性能随频率的变化，本实验不采用倍频测量的方法，而采用全频段测量，具体测试频率点为100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz、600 Hz、700 Hz、800 Hz、950 Hz、1 100 Hz、1 300 Hz、1 500 Hz、1800 Hz.

2 结果与讨论

2.1 低频下吸声性能

根据前文所述试验方法对几种厚度的泡沫铜进行吸声系数的测试实验，得出低频下泡沫铜的吸声系数曲线如图2所示。

图2 厚度对单层泡沫铜吸声性能的影响

在低频条件下（100 Hz~1 000 Hz），泡沫铜的吸声系数整体都较小，厚度对吸声系数的影响不明显，在1 000 Hz时，只有厚度20 mm的泡沫铜吸声系数超过0.2，其余情况都低于0.2，均没有明显的吸声效果。

在1 000~1 800 Hz范围内，随着厚度增加，泡沫铜的吸声系数增大。当厚度为2 mm时，泡沫铜的平均吸声系数为0.044 5，基本没有吸声效果，且吸声系数随频率的变化不明显，基本稳定在同一水平上；而当泡沫铜材料厚度为20mm时，平均吸声系数达到0.189，开始体现出一定的吸声效果，且此时材料的吸声系数随频率的变化相对较为明显，吸声系数随着频率的增大不断增大。

2.2 加空腔后吸声性能

根据低频下泡沫铜的吸声系数曲线可以看出，低频下泡沫铜的吸声系数很低，为了改善其吸声性能，常常会在吸声材料与敷设壁面之间留有一定的空腔，空腔的存在会使得整个结构产生共振吸声的效果。因为共振结构的频率是低频段，从而使得泡沫铜在低频处的吸声性能得以改善。从图2可以看出在厚度低于10 mm时泡沫铜的吸声性能并不明显，因此，为了更好地研究背后空气层对吸声性能的影响，实验分别对10 mm和20 mm的泡沫金属进行有空腔时的吸声系数测量，每种厚度的材料对应的空腔厚度分别为10 mm、20 mm和30 mm，得出以下实验结果。

图3是10mm厚泡沫铜在不同厚度空腔下的吸声系数曲线，从图中可以看出，空腔的存在使得泡沫铜吸声性能得以改善，当频率低于600 Hz时，空腔对于泡沫铜吸声性能的影响并不明显，当频率超过600 Hz时，空腔带来的影响就逐渐显著，有空腔的情况下泡沫铜的吸声系数明显高于没有空腔的情况，随着空腔厚度的增加，吸声性能越来越好。

图3空腔厚度对10mm厚泡沫铜吸声系数的影响

图4 是20mm厚泡沫铜在不同厚度空腔下的吸声系数曲线，从图中可以看出，与10mm厚泡沫铜加空腔情况相比，20mm厚的泡沫铜加空腔的吸声系数变化更加明显，在1 800 Hz时，单层泡沫铜的吸声系数反而高于有10mm厚空腔下的吸声系数，且20mm厚空腔和30mm厚空腔下的吸声系数没有明显差异，两种情况均说明此时空腔的存在对吸声系数的增加效果不存在，即空腔对吸声系数的增强主要是在低频范围内，当频率超过一定值时，不再有增强效果。

图4 空腔厚度对20mm厚泡沫铜吸声系数的影响

3 结论

（1）低频条件下单层泡沫铜的吸声系数很低，厚度对其吸声性能的影响不明显，且频率对吸声系数也没有显著影响。1 000Hz时，只有20mm厚泡沫铜的吸声系数超过0.2，无明显吸声效果。

（2）加入10mm厚空腔后，泡沫铜的低频吸声性能得以改善，尤其是在频率超过600Hz时，吸声系数显著增加。1 800Hz时，10mm厚泡沫铜加10mm空腔的吸声系数为0.3，而不加空腔时仅为0.125.

（3）加入20mm厚空腔时，吸声系数增加的趋势更为明显，但在频率超过1 800Hz后，加入空腔并不能增加吸声系数，空腔的存在只能改善低频下的吸声性能。

参考文献：

[1]许庆彦，陈玉勇，李庆春.加压渗流铸造多孔铝合金及其吸声性能[J].铸造，1998（04）：2-5.

[2]孙明倩，魏兵，张会玲.泡沫铝在船舶舱室中的降噪应用[J].河北工业科技，2014，31（01）：65-68.

[3]B.Sosnick.Process for making foam-like mass of metal[P]. 1948-01-20.

[4]J.C.Elliot.Method of producingmetal foam[P].1956-06-19.

[5]甘秋兰.泡沫金属的基本力学性质及本构关系[D].湘潭：湘潭大学，2004.

[6]曹立宏，马颖.多孔泡沫金属材料的性能及其应用[J].甘肃科技，2006，22（06）：117-119.

[7]孟庆瑞，胡治流.泡沫铝主要性能特征研究及工业应用[J].有色金属加工，2010，39（05）：6-8.

[8]张江涛.泡沫金属吸声性能的优化研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[9]李海斌.泡沫金属吸声性能的研究[D].保定：华北电力大学，2009.

The Research on Sound Absorption Performance of Copper Foam Under the Condition of Low Frequency

PENG Kang，ZHOU Jian-zhao，SHEN Xin-min
（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

Metal foam have good sound absorption properties under high frequency，while the effece is not obvious under low frequency.Standing wavemethod is used to test the sound absorption coefficient of copper foam under low frequency，the results show that the sound absorption coefficient of the copper foam is very low under the low frequency，the absorption coefficient of 10 mm copper foam is only 0.125 under 1800Hz.The sound absorption performance is obviously improved when join in a certain thickness of air layer，with a cavity of 10 mm，the sound absorption coefficient increases to 0.3 of 10mm copper foam and increases to 0.485 of 20mm copper foam. Key words：copper foam；sound absorption；low frequency；cavity

TG146.2

A

1672-545X（2017）04-0056-03

2017-01-04

江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20150714）

彭康（1992-），男，贵州人，硕士研究生，研究方向：多孔吸声材料；周建钊（1965-），男，山东人，教授，博士，研究方向：机械制造及无人化装备。