不同温度下纤维多孔金属材料吸声性能研究

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纤维多孔金属材料具有耐高温、宽频吸声、导热及优良机械性能等特点,常被用于航空飞行器、重型货轮和土石方机械等领域的吸声降噪。目前对纤维多孔金属材料在常温常压下的吸声研究已取得一定成就,但在高温场下的声传播研究还比较匮乏,对纤维多孔金属材料孔隙之间的自相似性研究也较少。本文以纤维多孔金属材料为研究对象,以不同温度场工况为应用背景,结合分形几何理论,建立纤维多孔金属材料的静态分形声学模型和高温场中的吸声模型,分析了材料声学参数、物理参数和环境场温度对纤维多孔金属材料吸声性能的影响,得到了声波在不同温度下的声传播规律。首先,建立了纤维多孔金属材料的静态分形声学模型。用曲线分形维数表征了声波传播的路径,计算了材料的曲折度,用曲线分形维数、孔最大直径和孔截面分形维数计算了材料的静流阻率,结合Johnson-Champoux-Allard声学模型,推导了静态分形声学模型。研究发现:曲线分形维数对材料表面声阻抗率和吸声系数影响较大,孔截面分形维数对材料表面声阻抗率和吸声系数影响较小。其次,推导了纤维多孔金属材料在高温场中的吸声模型。采用基于圆柱孔的假设方法,推导了温度场中的控制方程和声压波动方程,讨论了温度对纤维多孔金属材料声学参数的影响关系式,考虑热效应对圆管中声波的影响,推导了高温场中等效流体的有效体积模量和有效密度,结合声学参数,得到高温下Johnson-Champoux-Allard声学模型的扩展模型。最后,研究在不同温度场中(100℃、300℃和500℃),材料声学参数和物理参数对单层和组合纤维多孔金属材料吸声性能的影响规律。分别研究了孔隙率、材料厚度、纤维丝直径、空腔厚度(空气层厚度)对单层纤维金属材料声阻率、声抗率和吸声系数的影响变化规律。研究了孔隙率梯度组合材料和纤维丝直径梯度组合材料两种组合方式对吸声系数的影响规律。研究发现:温度升高,第一共振频率增加,全频吸声系数减小;孔隙率增大,材料的吸声系数增加,第一共振频率基本保持不变,孔隙率过大或过小,吸声系数均减小;材料厚度增加,低频段吸声系数大幅度增加,第一共振频率减小,全频吸声系数升高,温度升高较薄材料的整体吸声性能增加;纤维丝直径太粗或者太细均不利于材料吸声,温度增加,纤维丝直径越粗,吸声性能越好;空腔厚度增加,材料在低频段吸声系数升高,吸声系数曲线出现波峰和波谷次数增多;在双层和三层组合结构中,大孔隙率或粗纤维丝直径的纤维多孔金属材料靠近声源,吸声性能更优。
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