[發明專利]用于吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法、金屬纖維多孔材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210567984.2
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103031461A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 劉書田;陳文炯;張永存
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C22C1/08
• 分類號: C22C1/08;B22F3/16;G10K11/165
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 賈漢生;李馨

1.一種用于吸收噪音的金屬纖維多孔材料的設計方法，所述金屬纖維多孔材料是由金屬纖維壓縮而形成的具有特定孔隙率的材料，其特征在于，所述金屬纖維多孔材料的最佳孔隙率與纖維直徑滿足關系式（1）：

φopt=x1ex2D+x3ex4D---(1)]]>

式（1）中，φ^opt為最佳孔隙率

D為纖維直徑

x₁、x₂、x₃和x₄為常系數，隨金屬纖維多孔材料厚度和聲音頻率的不同而不同，通過后述優化方法計算若干數據點獲得；

厚度為L_s的金屬纖維多孔材料背襯剛性壁面并受聲波垂直入射情況下的吸聲系數α表示為式（2）：

α=1-|Zn-1Zn+1|2---(2)]]>

式（2）中的Z_n表示為式（3）：

Zn=-iZeqρ0c0coth(keqLs)---(3)]]>

式（3）中的Z_eq和k_eq分別用式（4）和（5）表示：

Zeq=ρeqKeq---(4)]]>

keq=ωρeqKeq---(5)]]>

式（3）~（5）中，i表示虛部

ρ₀為空氣密度

c₀為空氣聲速

ω為圓頻率

L_s為金屬纖維多孔材料厚度

Z_eq表示金屬纖維多孔材料的特征阻抗

k_eq表示金屬纖維多孔材料的波數

ρ_eq表示金屬纖維多孔材料的等效密度

K_eq表示金屬纖維多孔材料的等效體積模量；

通過采用經典的Johnson-Champoux-Allard聲學分析模型，分別建立起ρ_eq和K_eq與宏觀特征參數之間的關系式（6）和（7）：

ρeq=ρ0α∞φ[1-iσφωρ0α∞1+iωρ0η(2α∞σφΛ)2]---(6)]]>

1Keq=φγP0{γ-(γ-1)[1-i8ηωρ0PrΛ′21+iωρ0Prη(Λ′4)2]-1}---(7)]]>

式（6）和（7）中，i表示虛部

ρ₀為空氣密度

ω為圓頻率

η為空氣的剪切粘性

γ為空氣的定壓比熱容與定容比熱容之比

P₀為空氣壓強

P_r普朗特常數

φ為孔隙率

彎曲度α_∞、靜態流阻σ、粘性特征長度Λ和熱特征長度Λ′為宏觀特征參數，均是與金屬纖維多孔材料的微結構幾何構型即孔隙率φ和纖維直徑D相關的參數，通過對微結構進行流場有限元分析得到這些參數；

由式（2）~（7）建立起吸聲系數α與宏觀特征參數之間的關系，從而建立起吸聲系數α與金屬纖維多孔材料的微結構幾何構型即孔隙率φ和纖維直徑D之間的關系，孔隙率φ和纖維直徑D的變化必然引起吸聲系數α的變化，建立特定聲音頻段f_i和材料厚度L_s下金屬纖維多孔材料的聲能吸收率I最大化的優化算法，優化問題的數學描述如式（8）所示：

Find:X=(D,φ)^T

Maximize:I(X)

Subject?to:D_min<D<D_max，????（8）

φ_min<φ<φ_max

I=1NΣi=1Nα(fi),]]>Il,if{fi}∈[20,500]HzIm,if{fi}∈[500,2000]HzIh,if{fi}∈[2000,15000]Hz]]>

式（8）中，I_l、I_m和I_h分別表示20～500Hz低頻段聲音、大于500～2000Hz中頻段聲音和大于2000～15000Hz高頻段聲音時的聲能吸收率，N是關心頻段所有計算頻點的個數，

當纖維直徑D為定值時，通過求解上述優化問題，獲得特定聲音頻段f_i和材料厚度L_s下具有最大聲能吸收率的孔隙率即最佳孔隙率，從而建立起最佳孔隙率與纖維直徑之間的關系式（1）。