[发明专利]用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、金属纤维多孔材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法、得到的金属纤维多孔材料及其制备方法。在所述设计方法中，金属纤维多孔材料的孔隙率与纤维直径满足下述关系式：式中，φopt为最佳孔隙率，D为纤维直径，x1、x2、x3和x4为常系数，随金属纤维多孔材料厚度和声音频率的不同而不同，通过优化方法计算若干数据点获得。在噪声频段和纤维直径确定的情况下，借助本发明所提出的设计方法，就可以获得具有高效吸声性能的金属纤维多孔材料最佳孔隙率。由该设计方法得到的金属纤维多孔材料能够满足特定频段的吸声需求，可广泛用于轨道交通、航空航天、汽车、机械加工及实验场所噪声控制。

主权项

一种用于吸收噪音的金属纤维多孔材料的设计方法，所述金属纤维多孔材料是由金属纤维压缩而形成的具有特定孔隙率的材料，其特征在于，所述金属纤维多孔材料的最佳孔隙率与纤维直径满足关系式（1）： φ opt = x 1 e x 2 D + x 3 e x 4 D - - - ( 1 ) 式（1）中，φopt为最佳孔隙率D为纤维直径x1、x2、x3和x4为常系数，随金属纤维多孔材料厚度和声音频率的不同而不同，通过后述优化方法计算若干数据点获得；厚度为Ls的金属纤维多孔材料背衬刚性壁面并受声波垂直入射情况下的吸声系数α表示为式（2）： α = 1 - | Z n - 1 Z n + 1 | 2 - - - ( 2 ) 式（2）中的Zn表示为式（3）： Z n = - i Z eq ρ 0 c 0 coth ( k eq L s ) - - - ( 3 ) 式（3）中的Zeq和keq分别用式（4）和（5）表示： Z eq = ρ eq K eq - - - ( 4 ) k eq = ω ρ eq K eq - - - ( 5 ) 式（3）~（5）中，i表示虚部ρ0为空气密度c0为空气声速ω为圆频率Ls为金属纤维多孔材料厚度Zeq表示金属纤维多孔材料的特征阻抗keq表示金属纤维多孔材料的波数ρeq表示金属纤维多孔材料的等效密度Keq表示金属纤维多孔材料的等效体积模量；通过采用经典的Johnson‑Champoux‑Allard声学分析模型，分别建立起ρeq和Keq与宏观特征参数之间的关系式（6）和（7）： ρ eq = ρ 0 α ∞ φ [ 1 - i σφ ωρ 0 α ∞ 1 + i ωρ 0 η ( 2 α ∞ σφΛ ) 2 ] - - - ( 6 ) 1 K eq = φ γ P 0 { γ - ( γ - 1 ) [ 1 - i 8 η ωρ 0 P r Λ ′ 2 1 + i ωρ 0 P r η ( Λ ′ 4 ) 2 ] - 1 } - - - ( 7 ) 式（6）和（7）中，i表示虚部ρ0为空气密度ω为圆频率η为空气的剪切粘性γ为空气的定压比热容与定容比热容之比P0为空气压强Pr普朗特常数φ为孔隙率弯曲度α∞、静态流阻σ、粘性特征长度Λ和热特征长度Λ′为宏观特征参数，均是与金属纤维多孔材料的微结构几何构型即孔隙率φ和纤维直径D相关的参数，通过对微结构进行流场有限元分析得到这些参数；由式（2）~（7）建立起吸声系数α与宏观特征参数之间的关系，从而建立起吸声系数α与金属纤维多孔材料的微结构几何构型即孔隙率φ和纤维直径D之间的关系，孔隙率φ和纤维直径D的变化必然引起吸声系数α的变化，建立特定声音频段fi和材料厚度Ls下金属纤维多孔材料的声能吸收率I最大化的优化算法，优化问题的数学描述如式（8）所示：Find:X=(D,φ)TMaximize:I(X)Subject to:Dmin I = 1 N Σ i = 1 N α ( f i ) , I l , if { f i } ∈ [ 20,500 ] Hz I m , if { f i } ∈ [ 500,2000 ] Hz I h , if { f i } ∈ [ 2000 , 15000 ] Hz 式（8）中，Il、Im和Ih分别表示20～500Hz低频段声音、大于500～2000Hz中频段声音和大于2000～15000Hz高频段声音时的声能吸收率，N是关心频段所有计算频点的个数，当纤维直径D为定值时，通过求解上述优化问题，获得特定声音频段fi和材料厚度Ls下具有最大声能吸收率的孔隙率即最佳孔隙率，从而建立起最佳孔隙率与纤维直径之间的关系式（1）。