比翱工程实验室丨用气凝胶颗粒 – 纤维层组合声学包控制低频噪声

薛雨桐 ¹，Amrutha Dasyam ²，J.Stuart Bolton ³，Bhisham Sharma ⁴

1.Seagate US LLC

2.Departmentof Aerospace Engineering, Wichita State University

3.School of Mechanical Engineering, Purdue University

4.Department of Aerospace Engineering, Wichita State University

原文：Low-frequency noise control using layered granular aerogel and limp porous media

来源：interNoise 2021

导读

2至40微米范围内的气凝胶颗粒是一种有趣的材料，因为它们具有不同寻常的声学特性，并且在低频噪声控制应用方面具有潜在优势。最近，研究表明，发展完善的多孔弹性材料理论可以用来描述小直径、层状气凝胶颗粒的声学特性，从而使气凝胶颗粒的声学包装设计成为可能。这里考虑的设计目标是使用气凝胶层实现低频吸声增强。同时，为了补偿气凝胶层低频吸收峰之间出现的“反射”，并保持良好的高频性能，在设计过程中引入了纤维层。文中介绍了气凝胶纤维声学包建模方法，在此基础上提出了设计概念，然后对这些概念进行了实验验证。

颗粒尺寸在2至40微米范围内的气凝胶层的声吸收主要由窄带、低频高吸收区和高频低吸收值决定。在本文中，我们研究了通过将颗粒气凝胶与传统多孔吸声材料（如玻璃纤维）分层来开发新型低频降噪材料的可能性。层状结构的声学特性可以用任意系数法或传递矩阵法进行预测。在两种情况下，颗粒气凝胶层均被模拟为等效孔隙弹性材料，纤维层则被模拟为软介质。通过使用正入射双传声器阻抗管方法进行的实验测量，验证了分析预测。我们的研究结果显示，分层结构，包括颗粒气凝胶和纤维材料，提供了增强的吸声性能，可以在较宽的频率范围内用于特定的噪音控制应用。

创新研究

本项研究通过将颗粒气凝胶与传统多孔吸声材料分层来开发新型低频降噪材料。介绍了气凝胶 - 纤维层组合声学包建模方法，在此基础上提出了设计概念，并进行了实验验证。结果表明，这种新型的分层组合降噪材料，在宽频谱范围内具有较高的吸声值。

研究发现与设计概念

- 当粒径小于一定值（如粒径<50微米）时，气凝胶颗粒堆的吸声性能会出现声学非线性

- 利用Biot-poro弹性模型可以捕捉到粒径较小的气凝胶颗粒堆的非线性行为

- 建模工具支持气凝胶相关声学包的表征与设计

- 通过气凝胶颗粒层（底部）和纤维层（顶部）的不同组合，可实现低频和高频吸声的增强

- 两种气凝胶颗粒的平行混合可实现吸声“凹陷”的补偿

图文快览

表1: 表征气凝胶颗粒层的体积特性

图1: 由包含柔软纤维层和颗粒气凝胶层的声音包产生的正入射吸声

图2:2英寸气凝胶层、2英寸纤维层、在1英寸的气凝胶层上有1英寸的纤维层的正常入射吸声比较

图3:1英寸或2英寸的气凝胶颗粒层的动态损耗因子组作为频率函数

图4:垂直双麦克风阻抗管设置示意图

图5: 层状气凝胶/纤维材料结构正入射声吸收的预测和实验测量的比较

结论

在本文中，通过将颗粒气凝胶与传统纤维吸声材料分层，我们展示了一种新的低频降噪材料。结果表明，通过将颗粒气凝胶层建模为等效多孔弹性材料，可以预测气凝胶/纤维分层结构的声学性能，而纤维层是模拟为软介质。通过实验测量对分析预测进行了验证，结果表明，可以调整组合层的吸声特性，使其在较宽的频率范围内具有较高的吸声性能。

参考文献

1.Xue,Y., Dasyam A., Bolton J. S. and Sharma B., Acoustical investigation of aerogel granules modeled as a layer of poroelastic material in:Proceedings of the Symposium on the Acoustics of PoroElastic Materials ( 2021 online conference）.

2.Allard,J.F. Propagation of Sound in Porous Media: Modeling Sound Absorbing Materials(1sted.Elsevier, New York, 1 993), 92 93.

3.Biot M.A., Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solid,J. Acoust.

Soc. Am.28(2) 168 191 

4.Xue, Y. Bolton J. S. and Liu Y., Modeling and coupling of acoustical layered systems that consist of elements having different transfer matrix dimensions, J. Appl. Phys. 126165012

5.Bolton,J. S. Shiau, N. M. and Kang, Y. J. Sound transmission through multi panel structures lined with elastic porous materials, J. Sound Vib. 191(3) 317 347 (1996

6.Lai, H.Y. Katragadda, S. Bolton, J. S. and Alexander, J. H. Layered fibrous treatments for a sound absorption and sound transmission, SAE Technical Paper 972064

7.ASTM.E1050 19: Standard test method for impedance and absorption of acoustic materials using a tube two microphones and a digital frequency analysis system.ASTM International West Conshohocken,PA; 2019.

免责声明：部分资料来源网络，转载目的在于传递信息及分享，并不意味赞同其观点或其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时删除。