（材料加工工程专业论文）vgcf废弃pztpvc混杂复合材料的制备及声学性能探讨.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 v g c f 废弃p z t p v c 混杂复合材料的制备及声学性能探讨 摘要 高分子聚合物通常具有很长的分子链，当它受到声波作用而发生周期性形变时由于分 子链间的摩擦，而能有效地损耗一部分声能。因此，设计适宜的高分子聚合物作为声学材 料的基体材料，可有效地提高材料的阻尼性能，从而达到声波在材料中传播损失的目的。 压电陶瓷( p z t ) 是一种能将机械能转换为电能的功能材料。目前在很多领域都有实际应 用。因此，无论在实际生产和使用过程中，都会造成大量的废弃物。本论文的目的是将废 弃的p z t 用于声学复合材料中，制备气相生长碳纤维( v g c f ) 废弃p z t 聚氯乙烯( p v c ) 混杂复合材料，通过压电转换，将噪声的声能转化成电能，利用v g c f 的电性能，将电能 转化为热能，达到降低噪声的效果。 由于p z t 和v g c f 为无机材料，在有机p v c 基体中存在着分散性差，界面结合困难 等问题。因此，为了制备分散性高、界面结合性能良好的复合材料，本研究中，首先，对 v g c f 进行氧化再还原预处理，在此基础上用不同浓度的硅烷偶联剂对v g c f 和p z t 进 行改性处理，用s e m a f m 、e d s f t i r 、t g 和x r d 等测试手段表征了改性前后材料表 面形态、表面官能团、偶联剂的负载量和v g c f 的晶格等的变化情况；采用模具成型工 艺制备了一系列p v c 基复合材料，用s e m 观察了p z t 和v g c f 在基体树脂中的分散性 和界面结合情况。研究表明：硅烷偶联剂的醇溶液改性能使p z t 和v g c f 表面接枝上一 定量的硅氧烷低聚物；同时能有效提高p z t 和v g c f 与基体的界面结合性能。 在此基础上，为了优化制备工艺，利用正交试验法研究在v g c f 废弃p z t p v c 复合 材料中复合不同比例的压电陶瓷颗粒和气相生长碳纤维以及不同成型温度对材料隔声性 能和吸声性能的影响。实验结果表明：在基体及面密度一样的条件下，复合组分等工艺条 件对材料的声学性能有较大的影响。在通过正交实验数据的分析处理后发现，在考虑成型 工艺的条件下，获得材料较佳隔声性能的实验方案为p v c 基体与废弃p z t 用量之比为 5 ：5 ，v g c f 的用量为复合材料总质量的3 ，成型温度1 6 0 ；获得复合材料较佳吸声性 能的实验方案为p v c 基体与压电陶瓷用量之比为9 ：1 ；v g c f 的用量为复合材料总质量 的3 ，成型温度为1 6 0 。 中低声波频段( 2 0 0 0 h z ) 以下，p z t 聚氯乙烯复合材料的隔声量好于传统材料的隔 声量质量定律预测值；在材料的面密度相同的情况下，虽然由于p z t 含量的增加，材料 的厚度明显变薄，但材料隔声性能且随着p z t 含量增加而提高；v g c f 废弃p z t p v c 复 浙江理工大学硕士学位论文 合材料随着v g c f 含量的增加，其隔声性能在各个频率都有明显的提高。初步显示了废 弃p z t 用于声学复合材料具有可行性。 关键词：聚氯乙烯；气相生长碳纤维；压电陶瓷；复合材料；声学性能 浙江理工大学硕士学位论文 s o u n de n e r g yc o u l db ed e c r e a s e de f f i c i e n t l yw h e nt r a n s m i t t e dt h r o u g hp o l y m e rm a t e r i a l b e c a u s eo fl o n gm o l e c u l a rc h a i n s f r i c t i o ng e n e r a t e db yp e r i o d i c a ld e f o r m a t i o n ，t h e r e f o r e ， s u i t a b l ep o l y m e rm a t e r i a lc o u l db eu s e da sa c o u s t i cm a t e r i a lb ym e a n so fe n h a n c i n gd a m p i n g p r o p e r t yi no r d e rt oa c h i e v et h eg o a lt h a ts o u n de n e r g yc o u l dl o s ew h e nt r a n s m i tt h r o u g h m a t e r i a l i nt h i se x p e r i m e n t ，c o m p o s i t ew a sc o n s i s t e do fp v ca sm a t r i x 。a b a n d o n e dp z ta s p i e z o e l e c t r i cp h a s ea n dv g c fa se l e c t r i cp h a s e ；s o u n di n s u l a t i o np r o p e r t yo fc o m p o s i t ew a s s t u d i e di nt h i se x p e r i m e n t p z ta n dv g c fw e r ei n o r g a n i cm a t e r i a l s t h ep r o b l e mo fp o o rd i s p e r s i o na n dc o m b i n a t i o n i nt h em a t r i xp v cs h o u l db es o l v e d ，t h e r e f o r e ，i no r d e rt o p r e p a r ec o m p o s i t ew i t hg o o d d i s p e r s i o na n dc o m b i n a t i o n ，i nt h i ss t u d y , f i r s to fa 1 1 ，c a r r i e do nt h eo x i d i z e dt ov g c f t h e n r e d u c t i o n p z ta n dv g c fw e r em o d i f i e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fs i l a n ec o u p l i n ga g e n t ， m a t e r i a lp r o p e r t i e so fs u r f a c em o r p h o l o g y , s u r f a c ef u n c t i o n a lg r o u p s ，l o a d i n go fs i l a n ec o u p l i n g a g e n ta n dv a r i a t i o no fl a t t i c ew e r ec h a r a c t e r i z e db yt h em e t h o d so fs e m a f m e d s f t t r , t g a n dx r d ；c o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o m p o n e n tw e r ep r e p a r e db ym o u l df o r m i n gp r o c e s s ，t h e d i s p e r s i o na n dc o m b i n a t i o no fp z ta n dv g c fi nt h em a t r i xw e r eo b s e r v e dw i t hs e m t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tm o d i f i c a t i o nw i t hs i l a n ec o u p l i n ga l c o h o la g e n tm a k e ss u r f a c eo fv g c f g r a rs o m ea m o u n to fs i l o x a n eo l i g o m e r i z a t i o n ，m e a n w h i l e ，i tc o u l da d v a n c ep r o p e r t yo f c o m b i n a t i o nb e t w e e np z t v g c fa n dm a t r i xp v c t oo p t i m i z et h ep r e p a r a t i o nc r a ro fv g c f p z t p v cc o m p o s i t e ，o r t h o g o n a lt e s tw a s i n t r o d u c e dt oi n v e s t i g a t eo fs o u n di n s u l a t i o na n ds o u n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so fc o m p o s i t e st h a t c o n s i s to fd i f f e r e n tc o m p o n e n to fp z tp a r t i c l e sa n dv g c fa td i f f e r e n tm o l d i n gt e m p e r a t u r e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ek i n do ff i l l e dm a t e d a l sa n ds o m ef a c t o r sa f f e c ta c o u s t i cp r o p e r t y m u c hw h e nt h es a m es u r f a c ed e n s i t ya n dm a t r i x s o u n di n s u l a t i o np r o p e r t yp e r f o r m sb e s ta f t e r a n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s tw h e nt h eo p t i m u mf o r m u l ai st h a tm a s sr a t i oo fp v c t 0p z tw a s1 m a s sr a t i oo fv g c ft om a t r i xw a s3 m o l d i n gt e m p e r a t u r ei s16 0 s o u n da b s o r p t i o n p r o p e r t yp e r f o r m sb e s tw h e nt h eo p t i m u mf o r m u l ai st h a tm a s sr a t i oo fp v ct op z tw a s9 m a s sr a t i oo fv g c ft om a t r i xw a s3 m o l d i n gt e m p e r a t u r ei s16 0 b e l o wl o wa n dm i d d l ef r e q u e n c y ( 2 0 0 0 h z ) ，s o u n di n s u l a t i o np r o p e r t yo fp z t p v c c o m p o s i t ew a sb e t t e rt h a np r e v i o u so n et h a tm a s sl a wp r e d i c t e d s o u n di n s u l a t i o np r o p e r t yo f p z t p v cc o m p o s i t ei m p r o v e da n dm a t e r i a lt h i c k n e s st h i no b v i o u s l yw i t hi n c r e a s eo fp z t c o n t e n ti nt h es a m es u r f a c ed e n s i t y i ne a c hf r e q u e n c y , s o u n di n s u l a t i o np r o p e r t yo f v g c 腕t 伊v cc o m p o s i t ei m p r o v e dw i t hi n c r e a s eo fv g c fc o n t e n t i n d i c a t e di n i t i a l l y , i ti s f e a s i b i l i t yt h a t 仃a s hp z tt ou s ei nt h ea c o u s t i c sc o m p o s i t e k e y w o r d s ：p o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) ；v a p o rg r o w nc a r b o nf i b e r ( v g c f ) ；p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c ( p z t ) ；c o m p o s i t e ；a c o u s t i cp r o p e r t y 1 1 1 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲 自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 嗍：矿严y 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江 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。 本学位论文属于 嗍：1 保密口，在 不保密g 。 年解密后使用本版权书。 指剥雠：俪智陟 醐r 月彳日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 声学概念及研究背景 1 1 1 声学的基本性质 声音是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波。由于声音来源 于振动着的物体，所以要把这种振动传播出去需要媒介物( 这种媒介物称为介质，它可以 是气体、液体或者固体) 。声源振动时，它周围的介质分子( 质点) 随之发生振动，发生 振动的介质分子又由于碰撞带动它们周围的介质分子振动，这种大量的介质分子由于振动 形成的具有一定规律的波动就是声波【1 2 1 。 ( 1 ) 入耳所能听到声波的频率范围为2 0 - - - - 2 0 0 0 0 h z ，称为可听声。低于2 0 h z 的声音称为 次声；高于2 0 0 0 0 h z 的声音称为超声。次声与超声不能使人产生声音的感觉。 ( 2 ) 室温下空气中的声速为3 4 0 m s 。声速c ，波长卿频率f 有如下关系：脚，f o 频率为1 0 0 一1 0 0 0 0 h z 的声音的波长为3 4 - - 0 0 3 4 m 。这个波长范围与建筑物室内构件的 尺度相当，在室内声学中，对这一频段的声波尤为重视。 ( 3 ) 频带：将声音的频率范围划分为若干个区段，称为频带。每个频带有一个上限频率 和一个下限频率f 2 ，带宽就为一f 2 。每一频带以其中心频率f c 标度。建筑设计和测量中常 用的有倍频带和1 3 倍频带；在倍频带分析中，上限频率是下限声学频率的两倍，臣p f i f = 2 n ，( n = 1 ，2 3 ) ；在1 3 倍频带分析中，上限频率是下限声学频率的二的三立方倍，且p f i f 2 - 2 n ，( n = l 3 i ，i = 1 ，2 ，3 ) 3 - 5 1 。 1 1 2 噪声的定义及标准 噪声是声音的一种，具有声波的一切特性。从物理学的角度看，噪声是指发声体做无 规则的振动时发出的声音。从环境保护的角度来看，凡是妨碍人们正常休息、学习和工作， 并对人们要听的声音起干扰作用的声音，都属于噪声。从心理角度来讲，凡是人们不愿意 听的声音都是噪声 6 - 8 。 噪声是指声强和频率的变化都无规律的杂乱无章的声音。 在声学中，一个量的级的定义是这个量与同类基准量的比的对数。贝( 耳) 是级的单位， 对数的底为1 0 ，量与功率成比例。分贝是贝的十分之一，符号是d b 。 声压级常用分贝数来表示。其大小( 在气体中) 为【9 】： d b = 2 0 1 0 9 ( p p o ) 卜( 1 ) 浙江理工大学硕士学位论文 式中的p d 为基准声压，其大小为：p o = 2 0 a ： a = 2 x l o - 5 p a l - ( 2 ) 同样，声功率级也用分贝数来表示，其大小为：d b = 1 0 l o g ( i t ) 1 - ( 3 ) 式中w d 为基准声强，其大小为：r r o = 1 0 - 1 2 肜 l - ( 4 ) 依据上述公式可知分贝值相差3 d b 。则两组噪声的功率比是2 ：l ，因此3 d b 在声学中 称为半功率点。 由于一般噪声的频率分布宽阔，在实际的频谱分析中，不需要也不可能对每个频率成 分进行具体分析。为了方便，人们把2 0 2 0 0 0 0 h z 的声频范围分为几个段落，划分的每一 个具有一定频率范围的段落称作频带或频程。 频程的划分方法通常有两种。一种是恒定带宽，即每个频程的上、下限频率之差为常 数。另一种是恒定相对带宽的划分方法，即保持频带的上、下限之比为一常数。实验证明， 当声音的声压级不变而频率提高一倍时，听起来音调也提高一倍( 音乐上称提高八度音程) ； 为此，将声频范围划分为这样的频带：使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频率 之比为2 ，这样划分的每一个频程称1 倍频程，简称倍频程。 即： a = 2 ” 1 - ( 5 ) 最，f l 为任一频程的上，下限频率，n 为正实数，当n = 1 时，称为倍频程，n = 2 时称为2 倍频程，n = l 3 时，称为1 3 倍频程。为了简明，每个倍频程用其中心频率，丘来表示： 以= 以以) l 坨 1 一( 6 ) 1 1 3 噪声的危害 根据城市区域环境噪声标准划分【1 m 1 1 1 ，噪声被称作看不见的敌人，它对人体的危害主 要表现在以下几方面【1 2 】： ( 1 ) 影响睡眠和休息。噪声会影响人的睡眠质量，当睡眠受干扰而不能入睡时，就 会出现呼吸急促、神经兴奋等现象。长期下去，就会引起失眠、耳鸣、多梦、疲劳无力、 记忆力衰退等。 ( 2 ) 损害人的听力。噪声可以造成人体暂时性和持久性听力损伤。一般来说，8 5 分 贝以下的噪声不至于危害听觉，而超过1 0 0 分贝时，将有近一半的人耳聋。 ( 3 ) 引起人体其他疾病。一些实验表明噪声对人的神经系统、心血管系统都有一定 影响、长期的噪声污染可引起头痛、惊慌、神经过敏等，甚至引起神经官能症。噪声也能 导致心跳加速、血管痉挛、高血压、冠心病等。极强的噪声( 如1 7 0 分贝) 还会导致人死 2 浙江理工大学硕士学位论文 亡。 ( 4 ) 干扰人的正常工作和学习。当噪声低于6 0 分贝时，对人的交谈和思维几乎不 产生影响。当噪声高于9 0 分贝时，交谈和思维几乎不能进行，它将严重影响人们的工作 和学习。 近年来，随着现代科学技术的飞速发展和社会物质生活水平的不断提高，促使人们的 环境意识不断增强。噪声污染已列入当今世界影响人类主存状态的三大环境公害之一。 作为当今三大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重，各种 生产噪声、施工噪声、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。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。 减少噪声干扰创造优美的声环境是提高人民生活质量的一个重要内容。近年来国内外 专家研究表明：噪声不仅对人们的听力造成影响和损伤，而更重要的，也是常常被忽略了 的是噪声对人们的心血管系统、神经系统、内分泌系统均有影响，所以专家称它为“致人死 命的慢性毒药”f 1 3 1 。值得庆幸的是，噪声问题已受到人们普遍的关注。世界各国政府对环 境保护越来越重视，而我国更是把环境保护作为一项基本国策。所以，研究与开发抗噪声 材料是十分必要的，也是非常迫切的。 1 2 降噪基本原理及声学材料 降噪基本分为隔声与吸声两大板块。所谓隔声就是利用隔声材料或隔声板隔阻声能的 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。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。吸声是指声波传播 到某一边界面时，一部分声能被边界面反射( 或散射) ，一部分声能被边界面吸收( 这里不考 虑在媒质中传播时被媒质的吸收) ，这包括声波在边界材料内转化为热能被消耗掉或是转化 为振动能沿边界构造传递转移，或是直接透射到边界另一面空间。对于入射声波来说，除 了反射到原来空间的反射( 散射) 声能外，其余能量都被看作被边界面吸收。在一定面积上 被吸收的声能与入射声能之比称为该边界面的吸声系数。但实际上隔声原理与吸声原理是 不同的，隔声是另一环境相对噪声源环境来说的，吸声是同一环境来说的。当声波射到隔 声材料上，一部分声波被材料吸收，一部分被反射出去，另一部分则透过隔声材料传到另 一侧【1 4 1 。 假如把入射声波的能量定义为e o 、透射声能为e t 、反射声能为e r 、吸射声能为e 口，则 3 浙江理工大学硕士学位论又 隔声效果的好坏可以用透射声能e t 与入射声能e 0 的比来表示，即用透射系数t 来表示 f - 墨：生二生二生卜( 7 ) e 。e n 吸声系数： a ：l 一生卜( 8 ) 矗 对吸声来说，若反射e r 越小则表示 材料的吸声性能越好。吸声系数并不表 示由材料吸收的能量而是表示入射到 材料面上的能量中不被反射的部分。一 般吸声系数大于0 2 的材料便认为具有 实用价值渤织材料几乎均可以作为吸 声材料。 i2i 隔声原理 i2i1 质量定律 射f # 缸o _ _ 卜 透射声龇t 围11 声学原理示意图 f i g 11 t h es c h e m a t i c d i a g r a mo f a c o u s t i o 材料隔声着眼于入射声源另一侧的透射声能的大小，目标是透射声能要小。隔声材料 可使透射声能衰减到入射声能的1 0 。3 l 矿或更小，为方便表达，其隔声量用分贝的计量方 法表示。 理论分析和实验研究表明，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。对于单相均质材料，其隔声效果服 从质量定律。通常，可用下列经验公式估算隔声量( r ) ： 厂 r = 2 0 l g ( 矿) 一4 25 1 一( 9 ) 适用于声波垂直入射。 j 弋且= 1 85 i g ( 町) 一4 75 l - ( 1 0 ) 适用于声波无规入射。 j lr = 2 0 l g ( m ) 一4 75卜( 1 1 ) 适用于声波无规入射( o 。至u s o o ) 式中：p _ 隔声构件的面密度( k g m 2 kf 入射声波的频率( h z ) 1212 材料隔声性靛的影响因子 根据声波与材料间的相互作用材料的隔声性能主要决定于材料的面密度、杨氏模量、 吻合效应的程度和发生吻合效应的l 临界频率等。隔声材料所遵循的质量定律，增加材料的 r n i 删 一 浙江理工大学硕士学位论文 面密度可有效地提高其隔声量。有效提高材料面密度的方法就是在材料中加入高密度的金 属粉末，比如铅粉、铁粉等等 1 7 q 8 1 。在材料外表( 厚度) 不变的情况下，提高了材料的质 量，从而提高了材料的隔声性能。 吻合效应的强弱会直接影响材料在某特定高频区间的隔声效果。材料吻合效应的程度 决定于它本身的阻尼，阻尼大则吻合效应造成的隔声低谷浅，反之则深，表征材料阻尼性 能的是损耗因子t 1 ( 又称阻尼因数) ，1 1 值大说明材料在承受周期应变时能够以热量方式耗损 的机械能的能力强。因此，削弱材料的吻合效应可通过提高材料的损耗因子来实现。 让材料发生吻合效应的临界频率上移，使之尽可能进入高频而远离甚至超出一般噪声 所能发出的频率范围，这样置于噪声场中的材料就有可能在受到噪声声波作用时少发生或 不发生吻合效应。当斜入射声波的波长在板上的投影与材料的固有弯曲波波长相等时就会 发生吻合效应，发生吻合效应的临界频率可由下式表示： 疋= 丢偿 1 ( 1 2 ) 式中：f c - l 隘界频率( h z ) ；c 声波在空气中的速度( m s ) ；m 材料的面密度( k g m ) ； e 一材料的弹性模量( n m ) ；h 一材料的厚度( m ) 。 从公式1 ( 1 2 ) 可见，提高材料的面密度，减少板厚度与弹性模量均利于临界频率的 上移。 高分子聚合物通常具有很长的分子链，当它受到声波作用而发生周期性形变时由于分 子链间的摩擦，而能有效地损耗一部分声能。因此，设计适宜的高分子聚合物作为隔声材 料的基体，可有效地提高材料的阻尼性能，从而达到抑制吻合效应的目的。 1 2 1 3 填充材料对隔声材料性能的影响 当填充物加入基体后，材料的粘弹性能发生了很大的改变。根据文献的分析【1 9 之o 】，复 合材料的粘度与剪切模量和泊松比的关系可用下式表示： 堡一l ：2 s ( s z l o v ) 一1 l1 ( 1 3 ) 一一i = 一 一i l 一i j ， r m1 s ( 1 一y m u m 式中：t 1 。填充后物料的粘性；t i m - 基体树脂的粘性；g c 一填充后物料的剪切模量；g m 一 基体的剪切模量；v 基体的泊松比 所以当材料的模量提高时，其材料的熔体粘度将得到提高，当基体中添加填料时其 模量将得到提高，并且颗粒数目越多、填料比面积越大，其模量越大。所以加入填料之后 浙江理工大学硕士学位论文 材料的熔体粘度得到提高，从而声波入射时，在材料中传播时要克服阻力越大。从而使得 声能消耗越大。 1 2 2 吸声原理 一般的吸声材料有不同的吸声原理，可以分为：阻尼吸声原理、结构吸声原理和共振 吸声原理和压电吸声原理等【2 1 。2 4 】。 1 2 2 1 阻尼吸声原理 声音由物体振动所产生，减少振动就可以降低一部分声能。阻尼是指系统损耗能量的 能力，即将机械振动的能量转变成热能，达到减振的目的。阻尼技术就是充分运用阻尼消 耗能量的一般规律，从原料、工艺、设计等各项技术问题上发挥阻尼在减振方面的能力， 来提高隔声效果。 阻尼材料一般为高聚物材料，从微观结构上看，这种材料的分子与分子之间依靠化学 键或物理键相互连接，构成三维分子网。高聚物的分子之间很容易产生相对运动，分子内 部的化学单元也能自由旋转，因此，受到声波作用时，弯曲状的分子链会发生拉伸、扭曲 等变形；分子之间的链段会发生相对滑移、扭转。分子链产生运动，使构想有一定的弛豫 时间，损耗了一部分声能，同时，由于材料粘性内摩擦的存在，将部分弹性能转化为热能， 从而达到降低声能，起到吸声的作用【2 5 之引。 对于高分子材料，利用高分子材料的粘弹内耗性能即阻尼机制，将吸收的声能或机械 能( 主要是固体声) 转变为热能耗散，是高分子粘弹性吸声材料的主要吸声机理。高分子粘 弹性吸声材料主要有橡胶、互贯聚合物网络( t p n ) 材料等。 粘弹吸声材料通常是以覆盖层和填充层的形式与刚性材料层构成阻尼吸声降噪结构， 有约束型和非约束型两类。在粘弹吸声材料中，备受重视的i p n 是由两种或多种聚合物交 联网络的永久性物理互锁形成的。它可以呈现不同程度的相分离形态，存在相界面过渡层， 具有高的阻尼值和宽温带松弛转变区，并且易于成型力n - r _ ，具有优良的耐腐蚀性。此外， 阻尼性能突出的小分子。大分子杂化材料开始受到关注。w u 等人【2 9 1 提出高分子与有机小 分子杂化的概念，通过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用，得到极性高分子与受阻 酚等小分子的杂化材料具有高的阻尼值。 1 2 2 2 结构吸声原理 多孔吸声材料是目前应用最广泛的吸声材料。最初的多孔材料吸声材料是以麻、棉、 毛发、甘蔗渣等天然动植物纤维为主，目前则以玻璃棉、矿渣棉等无机纤维替代。这些材 6 浙江理工大学硕士学位论文 料可以为松散的，也可加工成棉絮状或采用适当的黏结剂加工成毡状或板状。多孔性吸声 材料必须具有大量空隙且孔与孔之间要连通。如果材料中空隙不连通，就不能达到良好的 吸声效果。当声波入射到多孔性吸声材料表面后，部分声波从多孔材料表面反射，部分声 波透射进入多孔材料，进入多孔材料的声波，引起多孔性吸声材料内的空气振动，由于多 孔性材料中空气与孔的摩擦和粘滞阻力等，将一部分声能转化为热能。另外，声波在多孔 性吸声材料内经过多次反射进一步衰减，当进入多孔性吸声材料内的声波再返回时，声能 已经衰减很多，只剩下小部分的能量，大部分被多孔性吸声材料损耗掉。影响多孔性吸声 材料的吸声性能的主要因素有：材料的厚度、材料的容重或空隙率、材料的流阻、材料背 后的空气层、含水量、结构因子等【3 0 - 3 。 颗粒孔隙结构的高分子吸声材料是颗粒状高分子塑料通过一定工艺方法粘接压制成 型的结构吸声材料。颗粒微孔材料与多孔材料的吸声机理相似【3 孙，首先是粘滞作用吸声。 声波在材料的孔隙中传播引起孔洞内空气振动，造成它和孔壁的摩擦，由此产生速度梯度 而导致粘滞阻碍作用，使部分声能转化为热能被耗散掉。并且由于各颗粒之间的粘接不规 则，每个孔隙周围又分布一些更微细的孔隙，这样的结构有效地增加了孔隙内空气粘滞阻 力，使得入射声能量被有效地吸收。其次，颗粒微孔材料的筋络是高分子塑料颗粒，其弹 性模量较低，内阻尼较大，存在弛豫效应吸声。在声波作用下，颗粒材料发生形变，由材 料自身的弹性弛豫效应把声能转变为热能而损耗。该类材料不但中、低频吸声系数较高， 其机械性能还优于常用的多孔和泡沫吸声材料。 1 2 2 3 共振吸声原理 振动着的结构或物体由于自身的内摩擦与空气的摩擦，使一部分振动能量转为热能而 消耗掉。根据能量守衡，这些损耗掉的能量必定来自于激励它们振动的声能，因此，振动 结构或物体都要消耗声能从而降低噪声。 材料均有其各自的固有频率，当其与声波的频率接近时，二者发生共振，并通过阻尼、 摩擦等作用将声波转化为热能损耗掉。这种吸声机制对入射声波的频率有较强的选择性， 只在材料的固有频率附近有较强的吸声作用，而在其它频率范围吸声作用很小。穿孔板吸 声材料多为这种吸声机制，穿孔板与空腔共同构成共振吸声结构。当声波入射到材料表面， 一部分在材料便被反射掉，另一部分则透射到材料内部，在材料的内部继续传播，当入射 声波的频率和系统的固有频率相同时，空气柱会发生共振产生剧烈振动，空气柱和孔径侧 壁摩擦消耗声能。 7 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 2 4 压电吸声原理 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差( 称之为正压电效 应) ，反之施加电压，则产生机械应力( 称为逆压电效应) 【3 3 。5 1 。如果压力是一种高频震 动，则产生的就是高频电流。而高频 当位移，产生压电，即声能转换为电 图1 2 压电材料工作原理图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s 能，电能再由导电材料转化为热能。 ( 压电材料工作原理图见1 2 ) 1 3 材料声学性能的评价与测试方法 材料的声学性能的评价，主要包括隔声性能评价和吸声性能的评价。隔声性能的评 价方法一般参照g b t 5 0 1 2 1 2 0 0 5 建筑隔声评价标准和g b t1 8 6 9 9 1 2 0 0 2 声学隔声罩的隔 声性能测定。 材料吸声性能主要由吸声系数的高低来表示。吸声系数是指声波入射在物体表面发 生反射时，其能量被吸收的百分率，用0 【来表示，仅值越大，材料吸声性能越好3 6 1 。同一材 料，对于不同的频率，具有不同的吸声系数。为表示方便，有时用中心频率为1 2 5 ，2 5 0 ， 5 0 0 ，l k ，2 k ，4 k h z6 个倍频程的吸声系数的平均值，称为平均吸声系数。吸声量反映房问 壁面单位面积的吸声能力。 若房间中有敞开的窗，而且其边长远大于声波的波长，则入射到窗口上的声能几乎全 部传到室外，不再有声能反射回来。这敞开的窗，即相当与吸声系数为l 的吸声材料。若 某吸声材料的吸声量为1 平方米，则其所吸收的声能相当于l 平方米敞开的窗户所引起的吸 声。房间中的其他物体如家具、人等等，也会吸收声能，而这些物体并不是房间壁面的一 部分。因此，房间的吸声量a 可以表示为： a = 云，s + 4 l - ( 1 2 ) i j 右式第一项为所有壁面吸声量的总和，第二项是室内各个物体吸声量的总和。 8 浙江理工大学硕士学位论文 目前，材料吸声系数的测定主要有三种方法，即：混响室法、驻波管法和传递函数法。 1 3 1 混响室法 把被测吸声材料按一定的要求放置于专门的声学试验室混响室中进行测定，将不 同频率的声波以相同几率从各个角度入射到材料的表面，这与吸声材料的在实际应用中声 波入射的情况比较接近。然后根据混响室内放进吸声材料前后混响时间的变化来确定材料 的吸声特性。用此方法所测得的吸声系数，称为混响室吸声系数或无规入射吸声系数，记 作( g t 在实际应用中有普遍的意义。 1 3 2 驻波管法 在测试管一端的扬声器发出一个单频声波，声波沿管道传播，在试件端产生反射波， 反射波的强度和相位与试件的声学特性有关( 见图1 3 ) t 3 7 1 。反射波与入射波相加，在管内产 生驻波。移动探管的位置测量p n 瞰和p m i n ，从驻波比中计算出材料的吸声系数咻。 铲卜i t 2 = 南 1 3 ) 刀：一p m = ， ，：竺兰 e m 1 e + 1 表1 1 是驻波管法吸声系数与混响室吸声系数的换算表，其中混响室测得吸声用at 表 示，驻波管法吸声系数用qn 表示。需要说明的是，本章涉及的吸声系数，除无特殊说明， 一般是指驻波管法吸声系数qn 。 u s b 连接线 o u t p u t 图1 3 驻波管吸声测试仪连接图 f i g 1 3c h a r to ft e s ts y s t e mo fs o u n da b s o r p t i o n 9 浙江理工大学硕士学位论文 表1 1 驻波管法吸声系数与混响室吸声系数的换算表 t a b 1 - lc o n v e r s i o no fa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e ns t a t i o n a r yw a v er o b ea n dr e v e r b e r a t i o nr o o m 1 3 3 传递函数法 运用传递函数法将入射波的能量与反射波的能量分离。此方法需要配置双通道声学分 析仪，如b s w a 的v s 3 0 2u s b 。声源在管中产生平面波，在靠近样品的两个位置上测量声 压，求得两个传声器信号的声传递函数，以此计算得到材料的法向入射吸收系数和表面声 阻抗或表面声导纳。传递函数法较之驻波管法更为快捷和先进。国际标准i s o1 0 5 3 4 - - 2 和 匡i 标g b t1 8 6 9 6 2 2 0 0 2 “阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2 部分：传递函数法”，对传 递函数法测量吸声系数的测试条件进行了相应的规定。 1 4 国内外声学材料及声学技术研究现状 1 4 1 隔声材料及隔声技术的研究进展 随着时代的发展，新型隔声材料和隔声技术层出不穷。随着对隔声材料研究的深入与 发展，综合考虑外形的美观、结构的轻便，研制新型隔声材料和结构成为当前关注的热点。 隔声材料的发展趋势是采用复合材料：a n t 6 n i oj m p ，a n t 6 n i ot a d e u 等学者 3 8 - 4 0 1 根据 k i r c h h o f f - m i n d l i n 理论要求做了一系列的多层结构面板的隔声性能模拟研究，在整个模拟 系统中一些相关可变的因素：面板块，密度，弹性系数和各种面板原料的p o i s s o n 系数， 面板之间的空气，空穴的吸收效果等，影响着多层结构面板的隔声性能。a n t 6 n i oj 等f 4 1 1 研 究了不同层数对多层结构材料隔声性能的影响，研究发现双层结构比单层结构的材料隔声 性能好，而三层的与双层的比较无明显提高。a n t 6 n i ou r i s 等人f 4 2 】研究了表面裂口对双层结 构材料的隔声性能的影响，研究发现表面材料隔声量与裂口的位置有关，裂口的存在对无 矿棉材料的隔声影响较低，对有矿棉材料的隔声影响是很大的。k i m i h i r os a l 【a g a m i 等人1 4 3 l 研究了渗透性的双层膜的声学性能，渗透性能提高在高频的吸声性能，在低频，渗透性不 影响材料的吸声性能和隔声性能。在中频，声学性能的改变受到渗透性影响：渗透性大变 化大，渗透性小变化小。s t a n i s l a wj 等1 4 4 1 基于结构一声学模型，用压电材料和扩音器麦克风 传感器，分析模拟通过双层墙结构主动控制噪声传播，结果表明压电的传感器和激发器提 高声波的传播损失的能力。m a h j o o bm j 等人研究了三层板隔声性能以及牛顿流体理论， 板一流体一板和孔穴共振频率向高频移动，在研究频率范围内，隔声性能得到提高。 l o 浙江理工大学硕士学位论文 蒋兴华等人【4 5 1 研制出一种聚合物基泡体复合材料，通过玻璃球改善聚合物动态力学性 能，通过增加能量的损耗来达到隔声的效果。王志瑾等人【4 6 】设计并制作v 型皱褶芯材夹层 板，发现这种材料的隔声性能不完全服从质量定律，且板的构型对隔声性能有很大影响。 m a s a h i r ot o y o d a 等人【4 7 1 设计了一种新的蜂窝板可以降低三维空间中，特定或任意频率下的 声辐射。 1 4 2 吸声材料及吸声技术的研究进展 与隔声材料一样，研制新型吸声材料和结构也已成为当前关注的热点。吸声材料的发 展方向很多：如微穿孔板吸声体结构、共混发泡吸声材料、颗粒孔隙结构材料、泡沫金属 吸声材料以及各种吸声材料与微穿孔板共同使用 4 8 - 4 9 等。阻尼合金就是具有较高阻尼损耗 因子的合金材料，它具有良好的减震降噪性能，既是结构材料又具有高阻尼性能。它主要 分为：复合型、强磁性型、锚位型、双晶型等四类1 5 0 1 。t o s h i ot a n i m o t o 利用粘弹性和热塑 性交替薄膜、在表面涂上压电陶瓷粉末并在层间分散p z t 颗粒制备了新型碳纤维增强塑 料，发现这种新型的制备方法可以提高阻尼隔振性能【5 。k i m i h i r os a k a g a m i 等人采用中间 夹有空气层的两块平行微穿孔板做成吸声材料，其吸声性能比普通金属或塑料微穿孔板吸 声体要好，特别是在低频部分【5 2 1 。高聚物主要采用聚氯乙烯树脂和乙丙橡胶，无机物多采 用岩棉【5 3 1 。这种结构材料机械性能好，可制成不同形状吸声器件，金属( 不锈钢) 纤维吸 声性能良好，而且有耐高温、耐水、耐油能优点，以及开始应用与汽车行业【5 4 1 。泡沫金属 有高强度、高耐热性、耐腐蚀性等优点，在日本的新干线列车上已经成功使用。泡沫金属 主要包括泡沫铝和泡沫镍，其难点在于工艺的制备，h a nf u s h e n g 等人对泡沫铝的制备参 数进行了研究，其中包括：增稠搅拌时间、增稠剂和发泡剂的加入量、发泡时间等【5 5 1 。l i 等模拟聚合物链的结构，设计了g f p b 线形增强橡胶符合材料，并研究了其动态力学性能， 发现这种材料的机械性能和阻尼性能同时增强【5 6 1 。戴松长等介绍了导电化、电沉积镍、热 解还原等方法制造连续泡沫镍【5 7 】。 对含有微小球形空腔的粘弹性体吸声材料，g a u n a u r d 和k u s t e r 等根据散射理论建立物 理模型推导出材料的等效参数。在此基础上通过散射理论和可变形粘弹性介质力学的基本 理论，引入更加合理的等效参数对材料声学特性进行了研究。结果表明，材料的低频吸声 机理是基于球体散射，弹性波在材料中传播路径增加并且发生波型转换，出现了横波，增 加了剪切形变的损耗。散射既增加了波的传播路径，同样也增加了波的能量消耗。虽然该 吸声理论尚不成熟，但揭示出：加入空心或片状材料到粘弹性材料中，将声波作用下产生 浙江理工大学硕士学位论文 的压缩形变转变为剪切形变，有利于增大粘弹性材料声能损耗。高分子颗粒孔隙结构材料 是由颗粒状塑料压制而成，其原理是利用材料的粘滞阻力和弹性弛豫效应来降低声能而吸 声1 5 8 1 。通过对高分子材料为母体的颗粒型微孔结构进行吸声特性研究，侯来广等人【5 9 - 6 0 总结出颗粒微孔结构除了具有一般多孔吸声材料的空气粘滞作用吸声外，还存在颗粒材料 内部的弹性弛豫效应吸声，因而吸声系数高，尤其是低频吸声系数较高。可见，多孔吸声 机制和阻尼吸声机制的有机结合有助于改善吸声性