多级仿生耦合材料吸声特性及机理研究

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1、多级仿生耦合材料吸声特性及机理研究第1章绪论1.1研究背景及意义在现代城市化建设中，伴随着工业、建筑和交通运输业的高速发展，人口密度的迅速膨胀，噪声污染已经同空气污染一样，成为当前人类面临的三大污染之一。噪声污染具有独特的特点，其危害可归纳为以下三方面[1]：（1）影响睡眠，可引起神经系统疾病。患者常出现耳鸣、焦躁等症状，降低工作效率，影响生活质量。（2）损伤听觉器官。长时间接触高分贝噪声不仅会引起听力下降甚至耳聋，而且还会导致视力降低，同时色觉和色域均有不同程度的降低。（3）影响生理健康。噪声

2、与心脑血管疾病紧密相连，它不仅会加速心脏衰老，还会使神经系统失调，产生记忆力衰减、无法集中注意力等症状，甚至是神经错乱。为使噪声的危害降到最低，为工作、学习和生活环境提供有力保护和防护，噪声控制必须充分有效，并考虑整个系统噪声和传播途径等。马大猷教授根据国内外调查结果以及噪声的危害和标准提出[2]，75-90分贝的噪声值可以保护听力和身体健康；45-60分贝的噪声值可以对交谈及通讯联络提供保障；35-50分贝的噪声值可以保障睡眠。个体防护用于在技术、经济以及特殊的环境，在声源和传播途径上均无法控

3、制或者控制效果不理想的情况下，包括戴耳塞、耳罩及隔音头盔等。应用吸声材料实现噪声控制是当前噪声防治的重要途径之一。开展新型高性能吸声材料的研究，不仅具有重要的学术价值，更具有重要的现实意义。..1.2吸声材料的分类及吸声机理所谓的吸声，是声能衰减的过程，衰减的声能被边界面吸收[3]。吸声材料（结构）根据其吸声机理的差异可分为多孔性吸声材料、共振吸声结构和其他吸声结构[4]。多孔吸声材料能够高效吸收高频噪声且吸声频带宽，而共振吸声结构的高效吸声频率范围较窄且在峰值以外的吸声作用迅速下降，实际应用中

4、常将多种吸声材料复合来满足各频段的综合需求。除特别说明外，一般指多孔类吸声材料，主要分为纤维类和泡沫类材料。主要有有机纤维，无机纤维和金属纤维。有机纤维材料是以植物纤维或木质纤维为原材料加工而成，其在中、高频范围吸声性能好，但因防火、防蛀和防潮性能差而使其使用受到限制[5]。近几年，人们把纺织纤维加工成具有多孔疏松并轻薄易加工的复合材料，在家居汽车内饰等领域具有良好的应用[6,7]。2006年TilakDias等[8]测试发现，纺织在1000-3000Hz的吸声性能随着厚度增加而增大，而在此范围

5、之外影响不大。无机纤维材料主要指人造无机纤维材料，如玻璃棉、岩棉等。无机纤维材料具有良好的吸声性能且具有阻燃、耐腐蚀等特点而被应用广泛。金属纤维材料（微结构如图1.1a所示[9]）具有高强度、耐高温和耐水性好等优点，有代表性的是铝纤维吸声板[10]（如图1.1b所示）和变截面金属纤维材料[11]。变截面金属纤维材料已经在汽车消音器上开始使用[12]。张燕等[13]对这种材料做了进一步优化，在金属纤维材料复合微穿孔板或增加空气层后，不仅使其低频吸声性能得到明显改善，且抗恶劣工作环境如高温、油污、水

6、汽等条件下表现出良好的适应性。..第2章稻壳-聚氨酯复合材料的声学性能2.1基材选择聚氨基甲酸酯，简称聚氨酯，是分子结构中含有重复氨基甲酸酯基（-NHCOO-）的高分子材料的总称。可根据多种要求制成聚氨酯泡沫塑料、橡胶、涂料、粘合剂、合成纤维、合成皮革、防水灌浆材料、热塑性弹性体，生物医用材料等多种产品[81-83]，广泛应用于交通运输、建筑、机械、电子设备、家具、食品加工、服装、纺织、合成皮革、印刷、矿冶、石油化工、水利、国防、体育、医疗等诸多领域[84-90]。由于其诸多优异的物理性能，如优

7、良的耐磨性、耐疲劳性、耐化学腐蚀性及高抗冲性、柔顺性、极好的阻尼性、生物相容性等而不断受到重视，成为一类广泛应用的材料。20世纪70~80年代，国内外开始发展以聚氨酯泡沫塑料为主要吸声材料的现代多功能化复合材料[91]。如德国Terson公司开发的减震、吸声、隔声复合材料，其中薄而具有弹性的聚氨酯皮膜可用来保护泡沫塑料免受液体介质、油污和灰尘的侵害，且具有很好的吸声性能。日本的Takanisa的这种新型合成材料的隔音效果相当于2.54cm厚的混凝土的。并且，这种新型材料对整个频谱中各个频段的噪声

8、都能起到阻隔作用，尤其是阻隔低频噪声的效果非常突出。.2.2聚氨酯的制备设计的模具主要由上模，上型芯，中间套筒，底模和底面型芯五部分组成。根据样本厚度的要求，设计了5mm，15mm两种不同的套筒，制备的模具及夹具如图2.1所示。通过中间套筒的组合可以制备不同厚度的样本；通过不同形态的上型芯可制备不同表面的样本；通过不同底面型芯可制备具有不同底面空腔的样本。模具内径为100mm，上模留有直径为10mm的排气孔。本文目前只制备了40mm厚度的平面表面材料。夹具用来对模具进行夹持和固定。聚氨酯泡沫作为