（化工过程机械专业论文）无机颗粒填充聚合物复合材料隔声性能及机理的研究.pdf

华南理工大学硕十学位论文 摘要 随着工业的逐步发展，各种噪声曰益恶化着人类的生活环境和工作 环境，严重影响着人们的身体健康，噪声污染的防御与控制已成为急需解 决的一个重大课题。有关高效吸声、隔声材料的研究也日益被提升为一 个极为重要的课题。传统的隔声材料一般是根据质量定律进行设计制造 的，根据质量定律我们要增加材料的隔声量，只有增加材料的面密度，或 者增加隔声材料的厚度，在实际工程应用上将会受到很多的限制。颗粒 填充聚合物复合材料弥补了传统材料的不足，不但具有较传统材料更好 的隔声性能，而且具有质量轻、价格便宜、易加工、防潮防腐等众多性 能。 本文以颗粒填充聚合物复合材料为研究对象。首先，通过混合、挤 出、造粒、干燥、压制等一系列工序研制成颗粒填充聚合物隔声复合材 料。然后运用电子扫描显微镜拍摄试样冲击断面的微观形貌照片，观察 颗粒填充聚合物复合材料的断面形貌结构，就其特殊的结构分析声波在 该材料中的传播机理。 根据声学理论推导出无机颗粒填充聚合物复合材料的隔声量计算公 式，并用该公式对颗粒填充聚合物复合材料的隔声量进行了理论预测。我 们发现，颗粒填充聚合物复合材料的隔声量与颗粒的体积百分含量呈线 性的关系；其隔声性能与填充颗粒的大小及声波的频率都有密切关系。 为了测试颗粒填充聚合物复合材料的隔声性能，在参考标准隔声量 测试实验室设计的基础上，自行研制了一套测试材料隔声量的实验装置， 对所制备的无机颗粒填充聚合物复合材料进行了隔声量测试，通过对测 试数据的分析，总结出了影响复合材料的隔声性能的主要因素。最后， 应用这些实测值对隔声理论模型进行了验证。结果表明，实验测量结果 与理论预测值较为接近。 本文中所建立的隔声物理模型和数学模型及实验研究结果较好地阐 述了无机颗粒填充聚合物复合材料隔声性能的一般规律，为设计和制备 颗粒填充聚合物隔声复合材料提供了有用的依据，对丰富和发展材料科 学具有一定的理论和实际意义。 关键词颗粒填充聚合物复合材料：无机颗粒；隔声原理；理论模型 i v a b s t r a c t a b s t r a c t w it ht h ed e v e l o p m e n to f in d u s t r y ， j 】a n y k i n d sd fn o is ea r e d e t e r io r a l i n gp e o p l e sl i v i n gq u a l i t ya n dw o r k i n gs u r r o u n d i n g s a n dh u r t i n gb a d l yp e o p l e sh e a l t ho fb o d y ，s ot h ep r e v e n t i o na n d c o n t r o lo fn o is ep 0 1 l u t i o nh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tp r o b l e mt h a t n e e db es 0 1 v e du r g e n t l y t h er e s e a r c ha b 。u th j g he f f i c ie n ts o u n d a b s o r p t i o nm a t e r i a la n dh i g he f f ic i e n t s o u n dis 0 1 a t i o nm a t e r i a l h a v eb e e nr a ise dt ob e s o m e v e r yi m p o r t a n t r es e a r c h s u b j e c t s t r a d i t i o n a ls o u n dis o l a t i o nm a t e r i a lg e n e r i c a l l yisd e s ig n e da n d p r o d u c e db a s in go nq u a li t yl a wo fs o u n dis o l a t i o nv a l u e a c c o r d i n g t oq u a l i t yl a wo fs o u n di s 0 1 a t i o nv a l u e ，w ec a no n l yi n c r e a s et h e s u r f a c ed e n s i t yo rt h et h i c k n e s so fs o u n dis o l a t i o nm a t e r i a l t o i n c r e a s et h es o u n dis 0 1 a t i o n v a l u e t h e r ea r em a n vi i m i t sin p r a c t i c a lp r o je c ta p p l ic a t i o n sa b o u tt h e s ek i n d so fs o u n d is o l a t i o nm a t e r i a l g r a i n f i1l e d p o l y m e rc o m p o s i t e ss o u n d is 0 1 a t i o nm a t e r i a lc a nm a k e u pt h es h o r t a g eo ft r a d i t io n a ls o u n d is o l a t i o nm a t e r i a l h a v eb e t t e rs o u n d is o l a t i o n c a p a b i l i t yt h a n o t h e rm a t e r i a l o nt h eo t h e rh a n d ， i ta ls oh a v em a n yo t h e r e x ce 1 1 e n t c h a r a c t e r is t i c e s ，s u c ha sl i g h tq u a n t i t y ，l o wp r i c e ， p r 。c e s s i n g e a s i l y ，d a m p p r o o f ，r o t p r o o fa n ds oo n g r a i n f i l le dp o l y m e rc o m p o s i t em a t e r i a list h ei i l a i n r e s e a r c h s u b j e c tt h a tw i l lb ei n v e s t i g a t e di nt h is p a p e r w ep r o d u c e dt h e g r a i n f i l le dp 0 1y m e rs o u n dis 0 1 a t io nc o m p o s i t e sm a t e r i a lt h r o u g h as e r ie so f p r o c e ss i n g p r o c e d u r e s u c ha sm i x t u r e ， e x t r u s i o n ， p r i l l i 力g ，d r y n e s s ，p r e s s i n ga n ds o o na tf i r s t t h e nw et o o kt h e m i c r o c o s ic p h o t o g r a p ho f s h o c kc r o s s s e c t i o no ft h et es t s a m p l e t h r o u g ht h es c a n n i n ge 1e c t r o n i cm ic r o s c o p y ( s e l d ) a n do b s e r v e dt h e p a t t e r ns t r u c t u r eo f c r o sss e c t io no ft h e g r a i n f i l l e dp o l y m e r c o m p o s i t e sm a t e r i a l h a v ea n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fs o u n dw a r e t r a n s m i s s i o ni nt h i sk i n do fm a te r i a l a c c o r d i n gt o t h e s p e c i a 】 s t r u c t u r e b a s i n go na n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fs o u n dw a r et r a n s m is s i o n ， w eb u i l tt h es o u n di n s u l a t i o np h y s ic sm o d e lo fg r a i n f i l le dp 0 1 y m e r v 华南理工大学硕士学位论文 c o m p o s i te s d e d u c e daf o r m u l l 3 , c a l c u l a t i n g t h es o u n dis 0 1 a t io n v a l u e0 ft h isk i n d0 fm a t e l i a la n dm a d es o m ef o r e c o s t i n ga b o u tt h e s o u n dis 0 1 a t i o f iv a l u eo fs o m ek i n d s0 f g r a i n f i l l e dp 0 1 y m e r c o m p 0 s i t e si l i a t o r i a lt h r o u g hs o m oa ss u m p t i v ec o i i d i t i o r l s p a r o m e te r e n a c t m e n tsa n da 1 3 a 1ys is0 fu n i tb o d y t h e f lw ed 0s o l n et h e o f e t ic a l p r e d i c t io na b o u t s o u n di n s u l a t i0 nv a l u ein g r a i nf i l l e dp 0 1 y m e r c o m p o s i t e s w ef o u n dt h es o u n dis 0 l a t i0 nv a l u eo f g r a in f i l l e d p 0 l y m e rc o m p 0 s i t e sm a t e r i a lh a st h el in e a rr e l a t i o nw i t ht h ev 0 1 u i n e s c a l eo f g r a i n f i l le di r l a t e r i a l a n dt h e r ea ls o a r es o m e c o l q s a n g u i n e o u sr e l a t i o nw i t ht h es iz e0 f g r a i nar l d f r e q u e n c y0 f t h es o u n dw a v e t h ep h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e l b u i l tir lt h is p a p e r a n dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hr es u l tsc a nb e t te re x p 0 u n dt h eg er l e r a l l a v o fs o ur l di 1 3 sl 1 1 a t i o r lo f g r a i n f i l l e dl p 0 1 y m e rc o m p 0 s i t e s t h e 1 a v - n i 1 1 s t l p p l y a v e i - y9 0 0 d b a s isf o rd es i g n i n ga n d p f 0 d u c e d g r a i l 2 一f i l l e dp 0 1y m e r s o u n dis 0 1 a t i0r l c o m p 0 s i t e s h a v i n g f a r r e a c h i n gt h e o r e t i c a la n da c t u a lv a l u et 0t h ed e v e l o p m e n te t , r l d a b l l n d a n c eo fm a t e f ja ss c je i l c e i ( e y w o r d s g r a i n f i l le d p 0 1y m e fc o m p o s i t e sm a t e r i a l ：i n o r g a n i c p a r t i c l e ：s 0 1 3 1 1 dis 0 1 a t i o nt h e o r y ：t h e o r e t ic a lm o d e l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：籍2 辑 日期：胛年石月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阕。本人授权华南理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d o ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：矿僻石月f o 曰 m 期：印产年f 月加日 膨1 氟 少。詹分荔尕 名 名 签 签 者 师 作 导 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 死一一传声损失，d b f ，一一透射系数， ，一一声波频率，h z 风一一空气密度， k g m 3 v 。一一空气中声波的传播速度，m s n 一一聚合物基体的密度，k g m 3 h 一一声波在聚合物基体中的传播速度，m s d 。一一填充颗粒球体的半径， i l l 厉一一填充颗粒的密度，k g m 3 v ，一一声波在填充颗粒中的传播速度， m s l 一一颗粒填充聚合物复合材料隔声板的厚度， m 痧一一颗粒的填充体积百分含量， v 一一填充颗粒实心球体的体积， m 3 k 一一基体立方单元体的体积， m 3 d 一一基体立方单元体的边长， m 3 订一一厚度为l 的隔声板上立方单元的个数， 编一一颗粒球形截面在单元截面上所占的面积百分比， 玑一一基体部分截面在单元截面上所占的面积百分比， 万一一声波传播的圆频率h z k 。一一空气中单位时间内的波数， 觑一一基体中单位时间内的波数， k ，一填充颗粒单位时间内的波数， 风一一空气的特性阻抗， k g m 2 s r 一一基体的特性阻抗，k g m 2 s r ，一填充颗粒的特性阻抗，k g m 2 s 死。一一通过基体部分的传声损失， d b 死一一通过颗粒单元的传声损失， d b 丑一一通过整个颗粒部分的传声损失， d b 死，一颗粒填充聚合物复合材料的总的传声损失， d b 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 作为当今三大主要污染之一的噪声污染，随着工业逐步发展的今天 变得越来越严。各种生产噪声、旌工噪声、交通噪声及社会生活噪声日 益恶化着人们的生活环境和工作环境，严重影响着人们的身体健康。一 般强度的噪声可使人们烦恼，干扰语言交谈，强噪声可引起耳聋和诱发 各种疾病。实践证明：当人们在睡眠状态中，在4 0 6 0 d b ( a ) 的噪声作用 下，其植物神经出现反应，这就是说4 0 一6 0 d b ( a ) 的噪声就开始对正常人 的睡眠产生了影响。我们日常谈话的声音强度一般为6 0 7 0 d b ( a ) ，当噪 声声级达6 0 一7 0 d b ( a ) 时，打电话有一定困难；噪声级大于7 5 d b ( a ) 时， 打电话几乎不大可能；8 5 d b ( a ) 以上就根本听不见了。目前我国城市交通 噪声、工厂噪声、以及建筑施工中的机械设备噪声常常在7 0 d b ( a ) 以上， 这些噪声对居民正常生活影响很大，严重影响人们的身体健康。总之，噪 声已成为人们生活中的大敌，严重影响着人们的生活质量，恶化着人们的 生活环境，因而噪声污染的防治与控制已成为当今全球关注的有待解决 的一个重大课题。因而，有关高效吸声、隔声材料的研究也日益被提升 到一个急待解决的问题。 为了有效地防治噪声和控制噪声，我们必须从声源、传播途径及接 受者三个环节组成的声学系统进行考虑，但由于客观原因，第一及第三 个环节是我们无法改变的，所以我们只能在噪声的传播途径上采取适当 的措施。也就是说我们要在噪声的传播途径上进行研究来尽可能的降低 噪声。目前，常用的控制噪声方法是吸声和隔声。即：( 1 ) 采取吸声材料、 吸声结构降低反射引起的混响声，从而达到控制噪声的目的：( 2 ) 利用隔 声材料制成隔声装置把噪声与其他环境隔离开以达到噪声的防治及控 制。但是吸声与隔声在原理上是存在很多差别的，隔声材料的设计与吸声 材料的设计也是不一样的“。2 1 ，所谓隔声就是利用隔声材料或隔声板隔离 阻挡声能的传播，把噪声源引起的吵闹环境限制在局部区域内或者在吵 闹的环境中隔离出一个安静的场所。吸声所解决的目标是减弱声音在同 环境里的反射，也即减弱室内的混响声，缩短混响声的延续时间，即混 响时间。所以吸声材料主要是尽可能的减少其反射声能或者尽可能多的 在材料中消耗掉声能。隔声材料则是尽可能的增加材料的反射声能或者 也可以增加其材料内部对声能的损耗来达到更好的隔声效果。所以隔声 华南理工大学硕十学位论文 材料的研究和吸声材料的研究是存在很大差别的吸声材料要达到对入 射声能的反射能尽可能的小，这意味着声能容易进入和透过这种材料。 所以吸声材料1 般是多孔、疏松和透气的，譬如多孔性吸声材料。它在 工艺f ：通常是用纤维状、颗粒状或发泡材料以形成多孔性结构。它的结 构特征是：材料中具有大量的、互相贯通的、从表到里的微孔，也即具 有一定的透气性。当声波入射到多孔材料表面时，引起微孔中的空气振 动，由于摩擦阻力和空气的粘滞阻力以及热传导作用，将相当一部分声 能转化为热能，从而起到吸声作用。对于隔声材料，要尽可能的减弱透 射声能，阻挡声音的传播，就不能如同吸声材料那样多孔、疏松、透气， 相反，它的材质应该是重而密实的，如铜板、铅板等一类材料。所以传 统的隔声材料一般是根据质量定律进行设计计算的，一般采用一些高密 度、大厚度的材料作为隔声材料，但是随着密度和厚度的增加，其隔声量 对面密度及厚度的依赖性明显减弱。而且这种高密度大厚度的隔声材料 在实际应用中还存在着许多不便，如造价高，加工不方便等很多缺陷。基 于这个原因，近几年来，工程技术人员在隔声领域中做了大量的研究工 作，以便寻找一种更有效的隔声材料。无机颗粒填充聚合物复合材料就 是最近开发出来的一种新型的高效隔声材料，它甚至突破了传统质量定 律的隔声原理，不但具有高效的隔声、吸声性能以及隔热性能，还具有质 量轻、加工性能好、耐腐蚀性、施工方便等许多优点“3 。随着进一步地 开发研究，这种材料在工程中将得到日益广泛地应用本文就是以无机 颗粒填充聚合物复合材料为研究对象，就其隔声原理进行探讨和分析。 1 。2 隔声理论研究的历史回顾 根据声学理论基础，很多科研工作者在材料的隔声理论研究领域做 出很多工作，也推导出了一些很有参考价值的隔声理论公式，这些理论公 式为实际的工程技术应用提供了一定的理论根据，具有很好的实际价值。 1 9 世纪末，r a y le i g h 在其名著t h e o r yo fs o u n d 一书中，提出不 可压缩无限大墙体的隔声理论，并导出了薄墙体传声损失计算的著名 “质量定律( m a s sl a w ) ”。1 9 4 2 年，g r e m e r 引用弹性力学理论对无限大 板传声损失进行了研究，发现了斜入射声波投影波长与板的弯曲波波长 符合时的吻合效应，使原先质量定律不能描述的出现在实际构件传声损 失曲线上的低谷现象得到解释。随后，l o n d o n 提出了混响声场中单层墙 和双层墙的隔声计算理论，g r e m e r 和l o n d o n 分别引入复弹性模量和阻尼 力阻，以研究材料内阻尼对传声损失的影响。h e c k l 讨论了有限尺寸墙对 传声损失的影响，弥补了过去隔声理论不适于低频域的不足。 2 第一覃绪论 m a t d a n j k ( 1 9 6 2 ) 和w a l h c e ( 1 9 7 2 ) 提出的混响声场中板的振动模态辐射阻 抗概念，为振动板的声辐射特性给出了合理的描述。这些有代表性的研 究工作为隔声构件传声损失现代理论奠定了基础。 在前人的研究基础上，对隔声结构传声损失( t l ) 的研究主要出现过4 种主要方法，即波传递法( t h ew a r ea n a l y s is ) 、模态分析法( t h em o d a l a n a l y s is a p p r o a c h ) 、统计能量分析法( s t a t i s t ic a l e n e r g ya n a l y s is ) 和数值法( n u m b e r ic a lm e t h o d s ) 。此外，还有一些由这4 种方法派生的其 它方法，“混合法”和“函数基分析法( f u n c t i o n a lb a s i s a r i a l y s is ) ”。 1 2 1 波传递法 波传递法亦称无限大板理论，主要是根据声学中声波传播理论进行 分析，是求解隔声构件传声损失的经典方法”1 。导出的主要规律是“质量 定律”和“吻合效应”。由于无限大板理论没有考虑构件几何尺寸的影 响，因而在低领域绘出的理论值与实测值存在相当差距。引入构件有限 尺寸对低频域理论值影响的修正后，上述缺陷能够在一定程度上得到弥 补。目前在工程计算中我们经常使用波传递法计算推导单质材料的隔声 量，如根据声波传递理论我们可以推出单一介质单层板的隔声量公式： t l = 1 0 1 9 1 + 假2 一a 2 s i n 2 屯d ) 叶 r t l 2 其中上式中的k ：= 竺， 墨：= i r z ，r l 。p l c 。，r ：p 2 c ：，d 是板的厚度，f 0 2o b 是声波的频率一般情况下r ( c r ：，且一般来说材料的厚度远远小于波 长，所以当空气的特性阻抗冠一4 1 5 m k s 时，上面的式子可以简化成下面的 形式： t l = 2 0 l g f + 2 0 1 9 p d 一4 2 4 上式就是我们工程上经常用到的质量定律。从该公式可知，单层均 质的隔声构件( 砖墙、金属板、木板等) 其隔声性能主要是随着构件的 面密度和声波的频率不同而变化的。声波的频率越高则材料的隔声效果 越好，材料的面密度越高隔声效果也越好，质量定律为我们工程上隔声 的计算设计提供了很好的理论基础，但并不是密度越大隔声效果就越好 由公式也知道当面密度增加到一定程度以后，再单一地靠增加隔声板的 面密度来增加其隔声量已经变得有点得不偿失了，所以工程上尝试使用 双层复合板来提高其隔声性能，其隔声量的理论计算公式也可以根据声 波的传递原理进行推导，经过计算推导可以推导出单一介质双层复合隔 声板在不同条件下的隔声量计算公式如下： 3 华南理工大学硕士学位论文 1 当d 当k o d 1 时，t lz l o l 9 4 r 0 2 ( c o s k o d r o s i n k o d ) 2 耕：2 詈0m 解如鹏巾罴2 罢， 。 ，0 0 0 ，1 l 厶 d 是两板之间的距离，d 是板的厚度 1 2 2 统计能量分析法 统计能量分析法( s t a t i s t i c a ie n e r g ya n a i y s i s l 是为了解决高阶动态分析 这类问题而逐步发展起来的。r h l y o n 提出：耦合系统空问的功率流正 比于两个子系统的平均模态能量之差，且总是从具有高模态能量的子系 统流向低模念能量的子系统，这是s e a 的基本原理“。s e a 不仅为高频段 结构动力学特性的不确定性给出了合理的描述，同时也为在结构设计阶 段做出振动、噪声预估提供了一条途径。以统计平均概念为基础，以能 量作为独立变量，将机械振动与声场统考虑，把一个复杂的振动与声 学组成的耦合系统的能量传递转化为一组线性方程的求解。用, s e a 方法研 究隔声构件传声损失的基本模型包含“混响场一单层板一混响场”三个 子系统，子系统的模态密度( m o d a ld e n s i t y ) 分别反映声场相隔板的几何、 物理参数对能量传递的影响：子系统间的能量流用耦合损耗因子 ( c o u p l i n gl o s sf a c t o r ) 来表征。为了得到较为满意的结果，s e a 方法要 求子系统应具有足够大的模态密度，故这种方法只适合于高频域计算。 此外，声与振动能量的非共振传递部分要根据具体问题作特殊考虑。 关于使用统计能量分析法对单层隔声板的隔声量公式的推导，很多 文献上都有介绍“”“3 ，如黄险峰、吴硕贤在应用统计能量分析计算墙 体隔声的初探”一文中就详细作了推导，先是建立如图1 1 中所示由 “房一墙一房”三个子系统组成的s e a 模型，即由声源室、隔墙和受声室 组成的隔声系统。将其划分为三个子系统：发声室为子系统1 ，隔墙为子 系统2 ，受声室为子系统3 。 4 第一章绪论 2 - ： 3 、 、 、 ： 蚓l 一1s e a 模型 根据系统的能量平衡原理分别对各于系统建立半衡方程及对内房自j 的声压级差的计算，各损耗因子的计算最终可以得出隔声板2 的隔声量计 算公式可以表示如下： 删。g 丢 当非吻合时，声压差d = 1 0 l o g 矾r 3 2 v _ a 。； 勤鲥，能籼= 1 0 i o g 糕2 3 ；研2 叩1 式中锄嘞= 万2 2 嘞= 丽p o c g 万s f ：嘞，= 丽p 0 0 m 一6 s ( 引2 翌s ： 当厂，丘时，盯= ( ，一手 j ： 当m 吼删m ； 华南理t 。大学硕十学位论文 当，( ，c 时 厶是墙的某一边的边长( m ) ；口是墙的吸声系数 c ，是墙壁的纵波的波速( m s ) ；s 是墙的面积( m 2 ) ： a 是受声室的吸声量。 并且笔者对其使用s e i 方法推导的单层板材的隔声量理论公式与试 验研究的结果及用波传递法得到的公式进进行了比较，基本上较为符合。 1 2 3 模态分析法 模态分析法“的基本思想是利用隔声构件的振动模态信息( 特征频 率、特征向量、模态刚度和模态质量) 及辐射特性，求得在已知一侧混响 声场激励条件下隔声构件的振动响应及另一侧的辐射声场，进而计算出 传声损失。该方法的局限性在于“混响声场”的假设只是对中高频域有 效，而求取中高频域结构振动模态信息往往需要冗长的计算，并且，对 于非均质板或边界条件复杂的板、振动模态的确定并非易事。 1 2 4 数值分析方法 该方法已成功地应用于流一固锅台振动问题的求解”3 ，理论上对 隔声构件传声损失问题也是适用的，有关这方面的文献不多。用数值分 析方法求传声损失问题最突出的优点是不受隔声结构的几何形状和材料 性质的限制，并且还可以求解非线性问题。然而，随着频率的提高，需 要划分的单元数急剧增大，由于计算机容量有限，所能计算的最高领率 受到限制。 目前，国内外很多科研工作者在以上的计算方法基础上，对目前工 程正在应用的隔声材料的传入损失做出了很多推导计算这方面我们也 参考了很多国内外的文献“”“1 ，主要是对单层或双层隔声板的隔声性能 进行了研究讨论 1 3 国内外隔声材料的研究现状 隔声材料的研究也经历了一个漫长并不断发展提高的过程，隔声材 料的发展也逐步由传统的隔声材料逐步发展成现在的具高效、轻质、高 强度、易加工等各种优良性质于一体的新型隔声材料。 传统的隔声材料一般是根据质量定律进行设计加工的，如粘十砖、 6 ：i ，一丘箍 盯 第一章绪论 实心砖墙”“，由于实心砖墙的厚度大、面密度重，根据隔声质量定律可 以知砖墙具有良好的隔声性能。通常所称的砖墙的隔声指数约达5 2 d b 左 右，能够很好地满足住宅建筑一级隔声标准要求，但是这种隔声材料的 生产会浪费大量的自然资源。目前我国建筑面积居世界首位，由于大量 生产实心粘土砖，导致严重毁田，消耗大量煤炭。据有关资料报导，我 国一年因为烧砖而毁田约8 万亩，耗煤6 0 0 0 万吨。八十年代初，北京新型 建材总厂从联邦德国引进国际先进的石膏板和与之配套的轻纲龙骨生产 线，开始大量地生产石膏板隔声材料，成为我国建筑隔声材料的最大生 产基地。p c 板隔声材料是由纤维与水泥加压而成。八十年代中期吴江新 型建材厂，从国外引进一台9 0 0 0 吨压机作为加压设备，使板材质量大大 提高，具有材质致密，强度高，耐冲击、防水、防火等优点，在噪声控 制工程中被广泛的使用，特别是在一些隔声屏障隔声问中。硅酸钙板隔 声材料近几年来在国内也逐步发展起来，这种板材由于采用无机的硅质 和钙质材料，并加入纤维增强材料，具有稳定的晶体结构，因而材质稳 定，受温湿度影响引起的变形极小，板面比较平整不会翘曲，抗水性能 好，在水中不会腐蚀，适用于潮湿环境下使用，防火隔热板最高使用温 度可达6 0 0 。福建三明新型建材总厂是生产硅酸钙板的重要厂家，年产 板材约2 2 0 万平方来，而且还有配套的轻纲龙骨生产线。虽然这些传统的 隔声材料在很大程度上满足了工程上的需要，但是也在很大程度上浪费 了很多自然资源，因为生产这些传统的高密度大厚度单一的隔声材料唯 一的缺点就是耗资大，生产效率低，为了保护士地资源，节约能源，减 轻交通运输负荷，提高结构抗震能力，改善建筑性能，加快建设速度， 政府部门也积极鼓励发展轻质、高强、高效的新型墙体隔声材料。 为了满足工程上的各种需要，以及对隔声材料各种性能的要求不断 提高，近几年来，很多科研机构在隔声材料方面的研究做出了大量努力， 并取得了很大的研究进展，开发研制了很多新型隔声材料。近几年来，国 内外在吸声材料、隔声材料及其相关结构方面进行了大量的实验研究，根 据声学原理开发了许多新材料、新技术。在吸声、隔声材料方面除了己 广泛使用的岩棉、矿绵、珍珠岩外，还从国外引进先进技术生产了空心玻 璃棉，最近还开发了集阻燃、防老化和吸声等性能于一体的聚氨脂声学 泡沫材料”8 。3 “。这些聚合物复合材料不但隔声效果好，而且质量轻、价 格便宜、易加工、防潮防腐等众多综合性能，与传统的重金属隔声材料 相比有很多有用的工程使用价值，因而在现在的工程应用上越来越广泛。 如钢塑轻型墙板，又称泰拍板，它是由焊接三维空间网架和中间填充轻 质保温的聚苯乙烯芯材组成，板的两面用水泥砂浆粉刷或喷涂而成型的 7 华南理t 大学硕士学位论文 新型墙休。板中的夹心材料聚苯乙烯一般厚度为6 a m ，板两侧钢丝网架的 钢丝直径为2 m m ，间距6 c m ，面层为10 0 号水泥砂浆，厚2 6 c m ，墙板厚度 为1 0 e m ，面密度为8 6 - 9 9 k g m2 左右，约为墙砖的2 0 ，隔声指数却可达 到4 0 d b 。泰拍板轻质、隔声、隔热、防水、防火、强度高、耐冲击、结 构简单，不需要龙骨、施工方便、可加快建设速度，因此受到国内设计 科研部门的重视。并正在被建筑施工单位广泛采用。八十年代，江阴车 船配件厂生产的钢质岩棕复合板也是一种很好的轻质高效的隔声材料， 这种隔声材料不但隔声效果好、质量轻、而且耐高温，所以在工程上被 广泛的使用。纸蜂窝芯复合板也是一种重量轻、强度高、刚度大、稳定 好的隔声材料。因它具有轻、强、刚、稳、隔热、隔声、抗疲劳等优良 特性，成为航空结构的重要材料。六十年代，我国许多地方已开始研制 纸质蜂窝复合材料，如同济大学声学研究所的钟祥璋”7 1 等在这方面进行 了大量的开发研究，取得很大进展并广泛被用到实际生产中。近来，徐 州市环境保护科学研究所研制出一种新型轻质塑料薄膜隔声结构，它是 由双层均质半透明p v c 薄膜密封热合而成，薄膜厚度为0 2 3 c m ，0 3 2 c m 和 0 5 m m ，面积大小分别为2 1 1 。8 m ，2 。4 2 2 m 和3 0 3 4 m ，空气层的厚 度利用木框央限制在1 0 c i l l 和1 6 e m 。当薄膜厚度为o 5 5 m m 时，隔声指数r = 2 1 d b ，这种结构在较宽的频率范围内均有一定的隔声效果，而具有质轻、 安装方便和价格低廉等特点。 总之，在隔声材料方面的研究，广大科研人员做出了很大的努力， 而且取得了惊人的可喜研究成果，满足了整个社会生产的需要，为社会 的经济发展做出了很大贡献，为今后隔声材料的研究打下很好的基础， 开拓了道路。我国在隔声材料发面的研究生产也初具规模，基本上能够 满足我国工业发展的需要。当然社会是不断发展进步的，经济也是不断 发展的，这要求要有更高性能的隔声材料出现来满足工程上的各种需要， 所以对隔声材料的研究也是永无止境的。 1 4 研究的背景及意义 通过查阅国内外参考文献，发现在隔声材料方面的研究开发在定 程度上取得很大成就，但可惜的是国内外对隔声材料的研究重点多半只 是放在单一介质材料上，对复合材料的隔声机理的研究还不够深入，隔 声理论公式多半也只是以单一介质为研究对象，也就是工程上我们经常 见到的质量定律。根据质量定律，我们要增加材料的隔声量，只有增加 材料的面密度，或者单一的增加隔声材料的厚度，但是实际上存在很多 不允许及不方便。聚合物复合材料恰好弥补了传统材料的不足，在聚合 8 第一章绪论 物材料中添加一些填充材料，并通过适当的加工方法能够使其具有了很 好的隔声性能，而且具有质量轻、价格便宜、易加工、防潮防腐等众多综 合性能”“。目前在工程应用上有逐步代替以前传统使用重金属作为隔 声材料的趋势，但是目前在对聚合物复合隔声材料的研究较少，特别是 对这种具有复杂结构、多种介质聚合物复合材料的隔声原理的研究更为 浅薄。到目前为止，对聚合物复合材料的隔声性能还没有提出一些完善 的理论模型，在各参考文献及书籍中大部分只是对单一介质的材料进行 隔声量的分析计算，对聚合物复合材料隔声的认识大多是简单的定性的 分析，或仅仅根据有限的实验数据进行一些大概的推测估计。作为一种 具有隔声功能的新型聚合物复合材料在工程应用上的应用日渐广泛，所 以有必要建立一个较为完善的理论体系( 含物理模型和数学模型) ，以便 为隔声聚合物复合材料的开发和制备提供理论依据和指导。由此可见， 本课题的研究具有重要的理论意义和实际意义。 1 5 研究的内容及方法 研究聚合物复合材料的隔声原理，建立物理模型和数学模型，并借 助实验数据来验证理论公式的正确性。 本研究是以无机颗粒填充聚合物复合材料为研究对象，对其隔声原 理进行研究和分析，推出一些完善的理论计算公式。应用无机填充聚合 物材料改变其形态结构来提高聚合物的各种性能，在这方面已做出大量 的研究工作并提出了很多理论。由于硬质无机填充颗粒密度大、强度高， 含有大量的空气，使得复合材料的隔声性能有显著的提高。颗粒填充聚 合物复合材料优越的隔声性能主要与该材料的组成和结构有密切的关 系。本课题就是根据声学原理对这种含多介质，多相位的隔声材料的物 理模型进行分析，建立其数学模型。并通过实验对其进行验证。因而本 工作的主要研究内容及方法可以概括如下： l 、 以中空硼硅酸盐微球及无机碳酸钙为填料，聚丙烯、a b s 、p v c 树脂 等为基体材料。应用双螺杆挤出机、开炼机、压板硫化机等设备，制 备各种配比的无机颗粒填充聚合物复合材料试样。 2 、运用电子扫描显微镜拍摄试样冲击断面的微观形貌照片，观察复合材 料的界面形貌结构等。 3 、对无机颗粒填充聚合物复合材料中的声传播机理进行分析。 4 、建立无机颗粒填充聚合物复合材料隔声的物理模型。推导预测无机颗 粒填充聚合物复合材料的隔声量表达式。 5 、拟定自行研制隔声量测试仪器，并测试不同配比的无机颗粒填充聚合 9 华南理t 人学硕士学位论文 物基复合材料试样的隔声量数值，结合理论预测值分析其复合材料隔 声量随各参数的变化规律。 6 、对理论预测和实验研究的结果并进行比较分析，总结出最后的结论。 通过本研究希望能够推导出一个较为精确的复合材料的隔声量计算 公式，能够为这种轻质、高效复合材料的今后的研究、设计、生产和应 用提供一些理论指导和实际性的参考。 本章小结 本章主要简述了噪声对人类的危害以及目前危害的现状与特点，阐 述了隔声材料研究的重要意义，并介绍了目前国内外在隔声理论方面的 研究现状及进展。此外，在这一章里面还简单介绍了本论文的研究背景 内容及拟采用的方法。 1 0 第二章颗粒填充聚合物复合材料隔声机理分析 第二章颗粒填充聚合物复合材料隔声机理分析 2 1 声波传递的基本理论 2 1 1 理想流体媒质的三个基本方程 声振动作为一个宏观的物理现象，所以其必然要满足三个基本的物 理定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律及描述压强、温度与体积等状 态参数关系的物态方程。运用这些基本定律就可以分别推导出媒质的运 动方程、连续方程及物态方程，其表达式分别如下1 ： 1 运动方程： 运动方程是在媒质中取一单元体，在受到声波的振动时候，根据 牛顿运动学第二定律推导出来的，根据参考文献可知道其表达式为： d 鱼：一望( 2 一1 ) d 缸 2 连续方程： 连续方程是根据质量守恒定律推导出来的，在声场媒质中取一体 积单元，在同一时刻流入该体积单元的质量与流出该体积单元的质量 之差应该等于该体积单元的质量增加或减少量，根据这一原理可以得 到声波的连续方程为： 詈一去( ) z ) 3 物态方程： 当媒质被压缩时，压强、密度及温度都将产生变化，其三者之间 的变化规律可以用我们热力学状态方程描述。 勿；c 2 咖 ( 2 3 ) 2 1 。2 理想流体媒质中的声波的波动方程及其解 一般来说，声波在媒质中传播时候，其声场的特征我们可以通过媒 质中的声压p ，质点速度u 以及密度的变化量ap 来表征。例如在声传播过 程中，对同一声场中各不同位置声压都有不同的数值，也就是声压随着 位置有一个分布，另一方面声场中每个位置的声压又随时间而不停的变 化，也就是说声压随着位置和时问的变化而变化。声学上根据声波传播 过程的物理性质建立的声压随空间位置的变化和随时闻的变化两者之间 1 1 华南埋上大字坝士字何论文 的数学关系，这种数学表达式就是声波的波动方程。 根据上面理想流体媒质的三个基本方程，通过一些数学计算和推导 可以得到理想流体媒质的声波的波动方程，其表达式如f ： 吉筹坷2 p = 0 ( 2 - 4 ) 其中上面表达式中的v ：篓+ 善+ 篓，半声波是一维平面波时候，上式 瓠l8 v za z 2 等詈= 。，根据声学知谚 ，并通过一定的数学计算便可 以解得一维平面波的解为： p ( f ，x ) = p e 7 洄“1 v ( f ，z ) = r a g ，d h ( 25 ) ( 2 6 ) 其中：k ：里，万足声波简谐振动的圆频率， c 0 声波的波动方程是一切声波理论公式推导的理论基础，在以后的单 一媒质的隔声量理论公式的计算及颗粒填充聚合物隔声复合材料的隔声 量计算公式的理论推导都是以此作为理论根据。 2 2 隔声的基本理论 所谓隔卢就是利用隔 声材料或隔声板隔离阻 挡声能的传播，把噪声源 引起的吵闹环境限制在 局部区域内或者在吵闹 的环境中隔离出个安 静的场所。隔声其实也包 括吸声的一面，好的吸声 材料对隔声也是有利的。 吸声材料主要是通过声 波在材料中传播引起粕 性流动损失以及材料的 分子问相对运动弓1 起的 反 入 透射声能e 厂 o 1 图2 1声波传播示意图 f i g 2 1 s k e t c ho fs o u n dw a y e t r s ns i f t iss i o n 内摩擦将声能转化成热能散失掉，从而达到吸声效果，所以吸声性能好， 则能传过隔声材料抵达另一边的声波也就少了，从而达到更好的隔声效 果。当声波射到隔声材料上，一部分声波被材料吸收，一部分被反射出 1 2 第二章颗粒填充聚合物复合材料隔声机理分析 去，另一部分则透过隔声材料传到另一侧，其隔声的示意图如图2 1 。 2 2 1 透射系数 假如把入射声波的能量定义为、透射声能为e 、反射声能为e r 、 吸射声能为e 。，则声效果的好坏可以用透射