CN112036020A - 一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法，包括：（1）在圆管吸声模型的基础上，建立微晶泡沫玻璃吸声模型；（2）对微晶泡沫玻璃吸声模型中结构因子的构成和数值进行了设计；（3）综合微晶泡沫玻璃的三种结构因子之和得到微晶泡沫玻璃的结构因子，即χ=a+b+c，代入吸声模型得到微晶泡沫玻璃的吸声系数；（4）依据本发明的吸声模型来进行微晶泡沫玻璃的结构设计。本发明综合考虑了微晶泡沫玻璃的孔结构微观形貌对吸声性能的影响，并以吸声特征（孔形状及孔径分布、开孔率、结晶度）为依据，定量地表征了微晶泡沫玻璃的各结构因子。本发明为微晶泡沫玻璃的吸声结构设计提供一种新方法，并丰富了微晶泡沫玻璃的吸声理论。

Description

一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法
技术领域
本发明涉及微晶泡沫玻璃声屏障技术领域，特别是涉及一种微晶泡沫玻璃的吸声结构设计方法。
背景技术
产业革命以来，各种机械设备的创造和使用给人类带来了繁荣和进步，但同时也产生了越来越多且越来越强的噪声。噪声不但对人们的生活工作有所干扰，还会对听力造成损伤，影响人体神经、内分泌等系统，甚至诱发多种致命的疾病。因此噪声控制一直是业内人士关注的重要问题，目前主要的解决办法之一就是吸声材料的使用。多孔吸声材料由于宽频吸声的特性，成为相关领域的研究重点并不断开发出兼顾力学性能、环保性和廉价性的多孔吸声材料。
多孔吸声材料的吸声机理是声波直接或通过衍射进入多孔材料孔隙内部，在声波不断传播的过程中，震动的空气不断与孔壁发生接触，发生“粘滞摩擦”及“热传导”效应，将声能转化为热能而产生损耗。而未被耗散的声波继续传播至刚性壁面时，会反射回来再次通过吸声材料进行二次耗散，从而到达吸声的效果。
马大猷通过研究声波在圆柱形通孔的传播过程，基于无弯曲的圆柱形通孔的空气粘滞性及热传导效应，结合与吸声性能相关的孔结构参量（孔隙率、平均孔径）和材料厚度，提出了圆管吸声模型。该模型具有简单可靠、所需孔结构参量简单易得等优点，成为了业内人士研究多孔吸声材料吸声模型的基础。然而，多孔吸声材料内部具有大量大小不一且形状各异的开孔和闭孔，且孔洞具有不同的弯曲程度，其实际孔结构并不完全满足马大猷圆管吸声模型的假设条件，为此研究者们在圆管吸声模型中引入了结构因子进行修正，所谓结构因子是由孔结构微观形貌（孔径大小和形状、孔的弯曲程度）决定的参数，使得修正后的模型显示出良好的准确性，极大地拓宽了圆管吸声模型的应用范围。但是，现有研究报道的多孔材料圆管吸声模型中，结构因子仅考虑了微孔的尺寸和形状、孔的弯曲程度这些有关孔结构微观形貌的影响，一般取值在3-8之间，然而并未明确给出结构因子取值与孔结构微观形貌之间的关系。
微晶泡沫玻璃材料以玻璃相为基体，分布大量微小晶体和气孔的轻质多孔材料，其开孔率较高，是有效的多孔吸声材料。微晶泡沫玻璃是一种特殊的多孔材料，具有一般多孔材料的典型特征，但微晶体的存在使其不同于一般的多孔材料。即除了孔结构微观形貌（微孔的尺寸和形状、孔的弯曲程度）影响材料的吸声性能外，孔壁上附着的微晶体也会影响声波在材料内部的传播过程，导致吸声性能的变化。因此，现有的多孔材料圆管吸声模型中的结构因子不能全面反映出微晶泡沫玻璃的吸声结构特征，采用上述的结构因子取值范围计算得到的吸声系数预测值与微晶泡沫玻璃的实测值相差较大，不能准确地描述微晶泡沫玻璃的吸声性能。
发明内容
本发明从微晶泡沫玻璃的实际孔结构微观形貌出发，针对微晶泡沫玻璃吸声模型的结构因子，除了包括孔径大小和形状、孔的弯曲程度对结构因子有不同程度的影响外，还加入微晶体的影响。依据微晶泡沫玻璃孔结构中各吸声特征（孔径大小和形状、孔的弯曲程度、微晶体）对吸声性能的影响程度，分别给出各结构因子取值范围及选取依据，赋予结构因子不同于一般多孔材料的数值，从而准确反映微晶泡沫玻璃的吸声特征。
一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法，包括（各公式里符号及其含义如表1。
Figure 315716DEST_PATH_IMAGE001
步骤一：建立基于圆管吸声模型的微晶泡沫玻璃吸声模型。
由管内声传播的运动方程推导出微晶泡沫玻璃的复值密度ρ。
Figure 232856DEST_PATH_IMAGE002
由管内声传播的连续性方程推导出微晶泡沫玻璃的压缩模量KT为。
Figure 12594DEST_PATH_IMAGE003
由微晶泡沫玻璃的复值密度和压缩模量可求出微晶泡沫玻璃的声阻抗率Zl。
Figure 407803DEST_PATH_IMAGE004
进而计算得到吸声系数α。
Figure 159858DEST_PATH_IMAGE005
可见，在吸声模型中如何确定结构因子χ是模型准确性的关键所在。只有完整、准确和定量地表征孔结构的结构因子，才能很好地保证吸声模型的准确性。
步骤二：本发明根据微晶泡沫玻璃的孔结构微观形貌，把各吸声特征归纳为三种结构因子：孔形状结构因子a、开孔结构因子b、微晶体结构因子c，并根据微晶泡沫玻璃孔结构中各吸声特征对吸声性能的影响程度进行了定量的表征。各结构因子取值范围及选择依据如下。
孔形状结构因子a代表微晶泡沫玻璃孔洞形状及孔径的分布情况对吸声性能的影响，在微晶泡沫玻璃试样中孔径是大小不一的且形状不规整，不同于圆管吸声模型假设的平均孔径及圆柱形通孔。而微晶泡沫玻璃孔洞形状及孔径的分布情况会不同程度地影响材料的吸声性能，因此需要分别考虑这两个因素对孔形状结构因子a的影响。具体为。
孔形状结构因子a1代表微晶泡沫玻璃孔洞形状对吸声性能的影响。虽然微晶泡沫玻璃的孔洞形状大多为不规则形状，但其形貌上总体差异不大，对吸声性能变化的影响较小，因此将孔形状结构因子a1取值固定为2。
微晶泡沫玻璃的孔径大小不一，一般情况下孔径分布在0.1-1.5mm范围内。由于孔径大小不一，其内表面面积不同，声波在孔内产生的耗散作用存在差异。通过微晶泡沫玻璃的孔径分布情况，计算其标准差s，公式如下：
Figure 982321DEST_PATH_IMAGE006
（P为某孔径分布范围内孔的占比（也称频率）），其标准差与孔形状结构因子a2对应关系如下表。
Figure 249354DEST_PATH_IMAGE007
综合以上微晶泡沫玻璃孔洞形状及孔径分布情况对材料吸声性能的影响，得到微晶泡沫玻璃的孔形状结构因子a为二者之和，即a=a1+a2。
开孔结构因子b代表微晶泡沫玻璃孔的弯曲程度对吸声模型产生的影响。孔的弯曲程度可以描述声波在微晶泡沫玻璃材料内部的传播路径。一般情况下，孔的弯曲程度越高，内部声波的传播路径越复杂，吸声效果越好。由于孔的弯曲程度不好测量，而微晶泡沫玻璃的开孔结构可以表征声波的传播路径，可用开孔率间接表征孔的弯曲程度，即为开孔结构因子b。其对应关系如下表。
Figure 448254DEST_PATH_IMAGE008
微晶泡沫玻璃孔壁上附着的微晶体会影响声波在材料内部传播过程中的分布情况，导致吸声性能的变化。微晶体也是微晶泡沫玻璃异于一般多孔吸声材料孔吸声结构的关键因素，同时也是构成结构因子的一个特殊因素，其微晶体结构因子c与微晶体的含量（结晶度）对应关系见下表。
Figure 304084DEST_PATH_IMAGE009
步骤三：综合微晶泡沫玻璃的各吸声特征，得到微晶泡沫玻璃的结构因子，即χ=a+b+c，带入吸声模型计算微晶泡沫玻璃的吸声系数。
步骤四；依据本发明的吸声模型来进行微晶泡沫玻璃的结构设计。根据对微晶泡沫玻璃吸声性能的要求，通过本发明的吸声模型，可以从孔径分布、开孔率、结晶度等方面对微晶泡沫玻璃孔结构吸声特征参数进行综合设计，从而指导采用相应的制备工艺来获得符合吸声要求的微晶泡沫玻璃。
综上所述，根据本发明提供的一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法，综合考虑了微晶泡沫玻璃的孔结构微观形貌对吸声性能的影响，并以吸声特征（孔形状及孔径分布、开孔率、结晶度）为依据，定量地表征了微晶泡沫玻璃的各结构因子。由实施例可知，采用本发明的吸声模型计算得到的吸声系数随声波频率变化规律与微晶泡沫玻璃试样实测值吻合度高，表明本发明的吸声模型可以很好地反映微晶泡沫玻璃的吸声性能，充分证实了本发明的微晶泡沫玻璃吸声模型的准确性和适用性，为微晶泡沫玻璃的吸声结构设计提供一种新方法，并丰富了微晶泡沫玻璃的吸声理论。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的微晶泡沫玻璃微观形貌及晶体图。
图2为本发明实施例1的微晶泡沫玻璃孔径分布图。
图3为本发明实施例1的微晶泡沫玻璃吸声模型结果验证。
图4为本发明实施例2的微晶泡沫玻璃微观形貌及晶体图。
图5为本发明实施例2的微晶泡沫玻璃孔径分布图。
图6为本发明实施例2的微晶泡沫玻璃吸声模型结果验证。
图7为本发明实施例3的微晶泡沫玻璃微观形貌及晶体图。
图8为本发明实施例3的微晶泡沫玻璃孔径分布图。
图9为本发明实施例3的微晶泡沫玻璃吸声模型结果验证。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体的实例详细说明本发明的技术方案。
实施例1：图1所示微晶泡沫玻璃的微观结构，经测定，由步骤一建立的微晶泡沫玻璃吸声模型所需的声学参数分别如下：65%孔隙率、59%开孔率、厚度0.02m，由计算得知试样的平均孔径为0.2mm；由步骤二的公式和图2孔径分布图可计算出孔径标准差为0.100，测得其结晶度为32%。通过各部分结构因子与微晶泡沫玻璃的孔的吸声结构对应关系，得到总的结构因子为χ=(a1+a2)+b+c=(2+1)+3+5）=11，模型计算结果与测试结果的对比如图3所示，具有较高的吻合度。
实施例2：图4所示微晶泡沫玻璃的微观结构，经测定，由步骤一建立的微晶泡沫玻璃吸声模型所需的声学参数分别如下：69%孔隙率、61%开孔率、厚度0.02m，由计算得知试样的平均孔径为0.25mm；由步骤二的公式和图5孔径分布图可计算出孔径标准差为0.137，测得其结晶度为28%。通过各部分结构因子与微晶泡沫玻璃的孔的吸声结构对应关系，得到总的结构因子为χ=(a1+a2)+b+c =(2+2)+4+4=12，模型计算结果与测试结果的对比如图6所示，具有较高的吻合度。
实施例3：图7所示微晶泡沫玻璃的微观结构，经测定，由步骤一建立的微晶泡沫玻璃吸声模型所需的声学参数分别如下：72%孔隙率、67%开孔率、厚度0.02m，由计算得知试样的平均孔径为0.32mm；由步骤二的公式和图8孔径分布图可计算出孔径标准差为0.137，测得其结晶度为25%。通过各部分结构因子与微晶泡沫玻璃的孔的吸声结构对应关系，得到总的结构因子为 χ=(a1+a2)+b+c =(2+2)+5+4=13，模型计算结果与测试结果的对比如图9所示，具有较高的吻合度。

Claims (4)

1.一种微晶泡沫玻璃吸声结构的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一：在圆管吸声模型的基础上，引入结构因子，建立微晶泡沫玻璃吸声模型；
步骤二：对微晶泡沫玻璃吸声模型中结构因子的构成和数值进行了设计：
由孔结构微观形貌（孔径大小和形状、孔的弯曲程度、微晶体）构成的结构因子决定微晶泡沫玻璃吸声模型的准确性，本发明结合微晶泡沫玻璃的各吸声特征，把各吸声特征归纳为三种结构因子：孔形状结构因子a，开孔结构因子b，微晶体结构因子c，并根据微晶泡沫玻璃孔结构中各吸声特征对吸声性能的影响，分别给出各结构因子取值范围及选取依据；
步骤三：综合微晶泡沫玻璃的三种结构因子之和得到微晶泡沫玻璃的结构因子，即χ=a+b+c，代入吸声模型得到微晶泡沫玻璃的吸声系数；
步骤四；依据本发明的吸声模型来进行微晶泡沫玻璃的结构设计：根据对微晶泡沫玻璃吸声性能的要求，通过本发明的吸声模型，可以从孔径分布、开孔率、结晶度等方面对微晶泡沫玻璃孔结构吸声特征参数进行综合设计。
2.根据权利要求1所述的一种微晶泡沫玻璃吸声结构设计方法，其特征在于：在步骤二中，对孔形状结构因子a，分别考虑孔洞形状（a1）及孔径的分布情况（a2）对吸声性能的影响，得到微晶泡沫玻璃的孔形状结构因子a，即a=a1+a2，具体为：
虽然微晶泡沫玻璃的孔洞形状大多为不规则形状，但其形貌上总体差异不大，对吸声性能变化的影响较小，因此将孔形状结构因子a1取值固定为2；
微晶泡沫玻璃的孔径分布在0.05-1.5mm范围内，且大小不一，通过孔径分布频率的标准差可反映与圆管吸声模型平均孔径的差异情况，通过计算可得标准差在0.08-0.20范围内，孔形状结构因子a2对应取值在1-3之间。
3.根据权利要求1所述的一种微晶泡沫玻璃吸声结构设计方法，其特征在于：在步骤二中，开孔结构因子b代表微晶泡沫玻璃中孔的弯曲程度对吸声模型产生的影响，可用开孔率来间接表征孔的弯曲程度，微晶泡沫玻璃的开孔率在55%-70%范围内，开孔结构因子b对应取值在3-5之间。
4.根据权利要求1所述的一种微晶泡沫玻璃吸声结构设计方法，其特征在于：在步骤二中，微晶体结构因子c代表微晶泡沫玻璃的微晶体含量对吸声系数产生的影响，微晶泡沫玻璃孔壁上附着的微晶体会影响声波在材料内部传播过程中的分布情况，导致吸声性能的变化，微晶泡沫玻璃的结晶度在25%-40%范围内，微晶体结构因子c对应取值在4-6之间。
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