玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲降噪特性分析摘要：根據(jù)聲學(xué)理論知識(shí)，推導(dǎo)出中空微球填充聚合物復(fù)合材料隔聲量的計(jì)算公式，并用該公式對(duì)玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料的隔聲性能進(jìn)行了理論預(yù)測。我們發(fā)現(xiàn)，玻纖填充丁腈橡膠復(fù)合材料的隔聲量隨著頻率的增加而增大；其隔聲性能與玻纖含量及復(fù)合材料厚度都有這密切的關(guān)系。應(yīng)用發(fā)表論文的實(shí)際測量數(shù)據(jù)與本模型預(yù)測值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，隨玻纖含量及復(fù)合材料厚度的變化，隔聲量理論預(yù)測值和實(shí)測值較為接近；并且隨著頻率的變化，理論預(yù)測值和實(shí)測值具有相同的變化趨勢。關(guān)鍵詞：玻璃纖維；丁腈橡膠；復(fù)合材料；隔聲性能；隔聲模型前言現(xiàn)代工業(yè)的日益發(fā)展，使得噪聲問題日趨凸顯，其主要源于交通運(yùn)輸噪聲、工業(yè)噪聲和公共活動(dòng)噪聲。而汽車、公路運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，使得公路環(huán)境污染問題愈來愈引起人們的關(guān)注，它們約占噪聲總量的60%，為主要噪聲污染源[1,2]。橡膠類材料以其自身優(yōu)良的阻尼特性廣泛應(yīng)用于汽車等相關(guān)行業(yè)，但其機(jī)械性能和降噪性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們的期望，將橡膠與其它材料混合和復(fù)合是改善其性能的主要方法?？蓮?fù)合材料既具備良好的隔聲降噪性能又具有良好的振動(dòng)衰減能力，可在空氣聲和固體聲的雙重作用下工作[3,4]。本文以玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料為研究對(duì)象，應(yīng)用聲學(xué)理論知識(shí)，推導(dǎo)了隔聲降噪公式，并對(duì)玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲降噪性能進(jìn)行了預(yù)測與比較。1、理論模型從中空微球填充聚合物復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及聲波傳播機(jī)理的分析中[5]，可知中空微球填充聚合物復(fù)合材料中聲波的傳播與一般單一介質(zhì)中聲波的傳播不同，主要原因是中空微球填充聚合物復(fù)合材料中中空微球的存在，同時(shí)，又與填充實(shí)心球顆粒復(fù)合材料中聲波的傳播略有不同，主要是中空微球中間是氣體而實(shí)心球?yàn)楣腆w，由于氣體的特性阻抗遠(yuǎn)小于固體的，所以當(dāng)有聲波傳入中空微球內(nèi)部后，聲波就不易出來，即在微球中會(huì)消耗大部分的能量。在分析中空微球填充聚合物復(fù)合材料的隔聲量時(shí)，可以取以中空微球?yàn)橹行牡捏w積單元進(jìn)行分析，其體積單元結(jié)果如圖1所示。當(dāng)聲波在此單元體中傳播時(shí)，沒有碰到微球的聲波將通過基體直接進(jìn)入下一單元，而碰到微球的聲波，其一部分反射回來，一部分通過微球薄壁繼續(xù)傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)薄壁與氣體的界面層時(shí)，又有一部分反射回來，另外的進(jìn)入氣體中，當(dāng)聲波到達(dá)另一邊的固氣界面時(shí)，大部分反射，少部分繼續(xù)向前傳播進(jìn)入下一單元。從而，總的隔聲量等于聲波通過基體的隔聲量與通過中空微球的隔聲量之和。圖1中空微球填充聚合物復(fù)合材料單元體中聲波傳播示意圖由聲學(xué)邊界條件及隔聲量的計(jì)算公式[6-8]：（1）可以得到，中空微球填充聚合物基復(fù)合材料隔聲公式為：（2）其中為從基體到填充物噪聲的透射率。2、隔聲量的測試張娟和晏雄[9]實(shí)驗(yàn)研究了玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料的隔聲性能。本文擬應(yīng)用其實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)公式（2）作初步的驗(yàn)證。2.1實(shí)驗(yàn)材料基體丁腈橡膠：密度聲速填料為玻璃纖維，其中，玻璃纖維薄壁部分（玻璃）：密度聲速玻璃纖維內(nèi)部氣體部分（空氣）：密度聲速2.2測試結(jié)果圖2、3分別為玻纖含量、復(fù)合材料厚度對(duì)丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲性能的影響。圖2玻纖含量對(duì)丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲性能的影響圖3厚度對(duì)丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲性能的影響3、預(yù)測與比較3.1理論預(yù)測將丁腈橡膠及玻璃纖維的物性參數(shù)帶入公式（2）中，可以得到玻纖含量與復(fù)合材料隔聲量的關(guān)系曲線，如圖4以及厚度與復(fù)合材料隔聲量的關(guān)系曲線，如圖5。圖4玻纖含量與復(fù)合材料隔聲量的關(guān)系曲線圖4展示了在不同的玻璃纖維的含量下，丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲量的理論預(yù)測值對(duì)頻率的依賴性。從圖4中可以看出，在所預(yù)測的噪聲頻率500-2500Hz區(qū)間內(nèi)，丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲量隨著噪聲頻率的增加而增大；并且在此區(qū)間內(nèi)，隔聲量增加的幅度是隨著頻率的增加而有所減緩的，但減緩的幅度并不明顯。這表明，在所預(yù)測的噪聲頻率下，玻璃纖維填充丁腈橡膠復(fù)合材料的隔聲特性對(duì)噪聲頻率的敏感性相差無幾。圖5厚度與復(fù)合材料隔聲量的關(guān)系曲線圖5展示了在不同厚度下，丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲量的理論預(yù)測值與頻率之間的關(guān)系。從圖5中可以看出，在同一厚度下，隔聲量都是隨著頻率的增加而增大；在同一頻率下，丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲量隨著厚度的增加而增大，并且，在厚度小于6mm時(shí)，材料隔聲量隨著厚度增加而增大的幅度較大，在厚度大于6mm時(shí)，材料隔聲量隨著厚度增加而增大的幅度較小。這表明，在利用增加材料厚度來增大丁腈橡膠復(fù)合材料隔聲量時(shí)，應(yīng)該合理的選擇材料的厚度，即厚度過小，隔聲量達(dá)不到要求，厚度過大，隔聲量并不能達(dá)到預(yù)期的效果。3.2預(yù)測值與實(shí)測值比較將理論預(yù)測的玻璃纖維含量與材料隔聲量之間的關(guān)系曲線圖4與實(shí)測的曲線圖2進(jìn)行比較，其中玻纖含量為6%時(shí)，隔聲量預(yù)測值與實(shí)測值隨頻率的變化關(guān)系曲線如圖6。圖6玻纖含量為6%下，隔聲量預(yù)測值與實(shí)測值和頻率的關(guān)系曲線從圖6中可以看出，當(dāng)時(shí)，實(shí)測值略大于由公式（2）所預(yù)測的值；當(dāng)時(shí)，實(shí)測值與預(yù)測值基本相等；當(dāng)時(shí)，實(shí)測值要小于預(yù)測值，并且兩者之間的差距有所增加。實(shí)測隔聲量隨著頻率的增加，其增大的幅度在減小，而由公式（2）預(yù)測的隔聲量隨著頻率的增加，其增大的幅度基本上是不變的。隔聲量的預(yù)測值與實(shí)測值都是隨著頻率的增加而增大，只是增加的幅度略有差異，即整體上的趨勢是一樣的，從而說明公式（2）的推導(dǎo)基本上是符合實(shí)際的。將理論預(yù)測的厚度與材料隔聲量之間的關(guān)系曲線圖5與實(shí)測的曲線圖3進(jìn)行比較，其中復(fù)合材料厚度為2mm時(shí)，隔聲量預(yù)測值與實(shí)測值隨頻率的變化關(guān)系曲線如圖7。圖7材料厚度為2mm下，隔聲量預(yù)測值與實(shí)測值和頻率的關(guān)系曲線從圖7中可以看出，在區(qū)間內(nèi)，實(shí)測值略大于理論預(yù)測值；在區(qū)間內(nèi)，由公式（2）理論預(yù)測的隔聲量與實(shí)測值基本相等；在區(qū)間內(nèi)，預(yù)測值大于實(shí)測值，且兩者之間的差距在增大。在材料厚度為2mm時(shí)，實(shí)測值與預(yù)測值都隨著頻率的增加而增大，只是在不同的頻率段增加的幅度略有不同。在處，隔聲量的預(yù)測值與實(shí)測值相差最大的，也不過為3dB，這表明根據(jù)聲學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行的公式（2）推導(dǎo)比較符合實(shí)際情況。4、結(jié)論本文首先應(yīng)用聲學(xué)理論知識(shí)，建立了中空微球填充聚合物基復(fù)合材料的隔聲模型，并推導(dǎo)出中空微球填充聚合物基復(fù)合材料的隔聲公式。其次應(yīng)用推導(dǎo)出的隔聲公式（2），估算了丁腈橡膠/玻璃纖維復(fù)合材料的隔聲量。結(jié)果表明，隔聲量隨著頻率的增加而增大，且在所預(yù)測的頻率下，丁腈橡膠/玻璃纖維復(fù)合材料的隔聲特性對(duì)頻率的敏感性相差不大；復(fù)合材料的隔聲量與復(fù)合材料的厚度有著密切的關(guān)系，主要表現(xiàn)為隔聲量隨著厚度的增加而增大，但幅度在逐漸的減小。最后將隔聲公式（2）的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在左右，公式（2）的預(yù)測值與實(shí)測值基本相等；不論是在玻纖的含量，還是在材料的厚度不同的情況下，公式（2）的預(yù)測隔聲量與實(shí)測值隨著頻率具有相同的變化趨勢。參考文獻(xiàn)[1]李鴻順，錢坤，曹海建，等.整體中空復(fù)合材料隔聲性能的試驗(yàn)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011,28(4):167-170.[2]RuiLinMua,MasahiroToyoda,DaijiTakahashi.Soundinsulationcharacteristicsofmulti-layerstructureswithamicroperforatedpanel[J].AppliedAcoustics，2011,72:849-855.[3]李漢堂.短纖維-橡膠復(fù)合材料的開發(fā)及應(yīng)用[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2006,2:29-34.[4]湯振杰.丁基橡膠復(fù)合材料薄片吸聲性能研究[J].功能材料，2008,1:133-135.[5]蔣興華，李鋒華.聚合物基泡體復(fù)合材料的隔聲原理與加工性能[J].合成材料老化與應(yīng)用，2002,31(3):32-35.[6]何琳，朱海潮，邱小軍，杜功煥.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.[7