Исследование акустических характеристик материала MP Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.2

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА МР

1 1 2 2 © 2006 А.А. Иголкин , Е.А. Изжеуров , Цзян Хунюань , Уо Гоучи

1 Самар ский Госу дар ственный аэр окосмический у нивер ситет 2 Харбинский политехнический институт, г. Харбин

Исследована зависимость коэффициента звукопоглощения пористого материала МР от его параметров: пористости и диаметра проволоки.

Развитие современной техники, прежде всего авиационной и ракетнокосмической характеризуется увеличением энергонапряженности энергетических установок, интенсификацией протекающих в них процессов, ростом нестационарных механических, тепловых и гидродинамических нагрузок на элементы конструкции изделий.

При создании современных энергетических установок наряду с решением традиционных проблем, связанных с надежностью, технологичностью, конкурентоспособной ценой, необходимо решить и целый ряд новых проблем. В первую очередь к ним относятся экологические проблемы, а именно вопросы выброса вредных веществ и повышенные уровни шума. Для снижения шума в настоящее время широко используют пористые материалы. Металлорезина (МР) -однородная пористая структура, полученная холодным прессованием дозированной по весу вытянутой проволочной спирали, нашла широкое применение для демпфирования элементов конструкций энергетических установок.

Возможность использование его в зву -копоглощающих конструкциях изучено неполно, имеющиеся результаты не обобщены.

Материал МР выгодно отличается от существующих пористых материалов, благодаря совокупности преимуществ характер ных только это му матер иалу:

-широкие возможности моделирования акустических характеристик на стадии пр оектир ов ания;

-создание градиента свойств (пористости, проницаемости) пористых элементов;

-возможность внедрения в фильтрующий элемент каталитических добавок.

Однако пористые материалы эффективны в области высоких частот. Поэтому в работе приведены результаты исследования аку стических хар актер истик матер иала МР в

высокочастотной области. Были исследованы 12 образцов из МР (таблица 1) различных толщин I, пористости П и диаметра проволоки ёп.

Т аблица. 1. Значения пористости и диаметра проволоки для различных образцов

№ образца dn, мм; П

1 0,1 0,6

2 0,1 0,7

3 0,1 0,8

4 0,2 0,6

5 0,2 0,7

6 0,2 0,8

7 0,12 0,6

8 0,12 0,7

9 0,12 0,8

10 0,15 0,6

11 0,15 0,7

12 0,15 0,8

Кроме того, каждый образец мог иметь толщины I =10, 15, 20, 30, 45 мм.

Результаты исследования одного из образцов приведены на рис. 1.

Из анализа полученных экспериментальных данных видно, что с увеличением толщины резонансная частота снижается. Резонансные частоты /р определяются из соотношения скорости звука в материале и толщины материала: т • с

/■ =-----, (1)

■,р 4-1

где с - скорость звука;

I - толщина звукопоглощающего слоя; п = 1, 3, 5 ...

Первый резонанс (таблица 2) наступает при толщине материала, равной четверти длины звуковой волны, распространяющейся в матер иале.

По зависимости (1) была рассчитана скорость звука в материале МР. Расчетные данные представлены в таблице 3.

а

100 л

90

80

70

%60

50

40

30

20

10

✓

II— ч і' ^ «Чп к

ч ^ гЛ Г

ут / — ■ ч-

/

0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3

1, кГц

Рис.1. Коэффициент звукопоглощения образца № 4 (ёп = 0,2 мм; П=0,6):

______ -толщина образца 1=10 мм;

__ ___ -толщина образца 1=15 мм;

— _ _ -толщина образца 1=20 мм;

— м— -толщина образца 1=30 мм;

—=---- -толщина образца 1=45 мм

Т аблица. 2. Резонансные частоты испытуемых образцов (Гц)

№ 1, мм

10 15 20 30 45

1 3150 1600 1000 3150 5000

2 5000 2500 1600 5000 2500

3 6300 3150 2000 6300 3150

4 5000 2000 1250 800 2000

5 6300 2500 1600 6300 2500

6 8000 4000 2500 1250 3150

7 4000 2000 1250 4000 800

8 6300 2500 1600 1000 2500

9 8000 4000 2000 1250 3150

10 4000 2000 1250 800 2000

11 6300 2500 1600 1000 2500

12 8000 5000 2500 1250 800

Т аблица 3. Скорость звука в материале МР

№ 1, мм

10 15 20 30 45

1 126 96 80 75,6 75

2 200 150 128 120 90

3 252 189 160 151,2 141,75

4 200 120 100 96 90

5 252 150 128 126 112,5

6 320 240 200 150 141,75

7 160 120 100 96 72

8 252 150 128 120 112,5

9 320 240 160 150 141,75

10 160 120 100 96 90

11 252 150 128 120 112,5

12 320 300 200 150 144

Пористость оказывает существенное влияние на импеданс образца 2 , и, следовательно, на коэффициент звукопоглощения. Чем сильнее 2 отличается от волнового сопротивления среды, тем больше отражающая способность материала.

Как было показано выше, толщина слоя влияет на вид частотной характеристики и с увеличением толщины первый максимум коэффициента звукопоглощения смещается в область низких частот. Поэтому для анализа влияния пористости материала на коэффициент звукопоглощения выбраны крайние значения толщины I = 10 мм и I = 45 мм. Тем самым можно рассматривать коэффициент звукопоглощения для образцов I = 10 мм как характеристику в нижнем диапазоне частот, для образцов I = 45 мм - в верхнем диапазоне рассматриваемых частот (рис.2, 3).

100 ■ — ■*

90 ■

80 *

1 У

60 * / <

50

г

30 ■ / Г . /

1 0 ■

0 “1 0 8 1 1, 25 1 6 22 ,5 3, 15 4 56

Рис.2. Зависимость коэффициента звукопоглощения от пористости 1 = 10мм; (Л„ =0,1 мм -пористост ъ 11=0,6;

— — - пористость П=0,7;

— - пористость П=0,8

Из графиков зависимости коэффициента звукопоглощения материала МР от частоты для различных значений пористости при толщине слоя 10 мм снижение пористости приводит к увеличению коэффициента звукопоглощения для всех значений диаметра проволоки. На рис. 3 представлены такие графики для диаметра проволоки dп = 0,1 мм. Видно, что по мере увеличения частоты характер графиков меняется, а именно коэффициент звукопоглощения на высоких частотах растет с увеличением пористости. Рис. 3 характеризует верхний диапазон рас-сматр иваемых частот.

1 00 - ■ —а ішшшШ

90' 80- ^ , ^ **2 — - ' в00т

70-

10 * 0-

0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3

і, кГц

Рис.3. Зависимость коэффициента звукопоглощения от пористости I = 45 мм; йп =0,1 мм.

-пористост ь П=0,6;

— — - пористость П=0,7;

— м— - пористостьП=0,8

С увеличением пористости растет коэффициент звукопоглощения для всех диаметров проволоки. Увеличение пористости приводит к увеличению неравномерности коэффициента поглощения, вследствие более вероятной неоднородности структуры.

Представляет интерес анализ влияния диаметра проволоки на коэффициент звукопоглощения. Изменение диаметра проволоки приводит к изменению структурных параметров. Уменьшение ёп приводит к увеличению поглощающей способности материала с высокой пористостью (П=0,8) и незначительному смещению резонансных максимумов в область низких частот (рис.4) вследствие снижения скорости звука в материале (таблица 3).

Однако такая зависимость соблюдается только при условии, когда гидравлическое сопротивление г слоя материала находится в пределах, указанных в работе Е.Я. Юдина [1, 3].

2 Ро • С0 < г < 4 Ро • с 0 . (2)

Уменьшение диаметра исходной проволоки для материала МР с пористостью П = 0,6 приводит к значительному увеличению гидравлического сопротивления материала, увеличению его отражающей способности и, как следств ие, снижению коэффициента поглощения (рис.5).

На рис.5 представлены графики, показывающие зависимость коэффициента зву -копоглощения от диаметра проволоки.

100 90 80 70 5?60 850 40 30 20 10 0

0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3

і, кГц

Рис.4. Зависимост ь коэффициента звукопоглощения от диаметра проволоки I = 30мм; П=0,8;

- диаметр проволоки ёп =0,1 мм;

- диаметр проволоки йп =0,12 мм;

- диаметр проволоки <1п =0,15 мм;

- диаметр проволоки <1п =0,2 мм

100 90 80 70

г?60

850 40 30 20 10 0

0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3

і, кГц

Рис.5. Зависимост ь коэффициента звукопоглощения образца от диаметра проволоки I = 15 мм; 11=0,6;

- диаметр проволоки <1„ =0,1 мм;

- диаметр проволоки йп =0,12 мм;

- диаметр проволоки <1п =0,15 мм;

- диаметр проволоки <1п =0,2 мм

Из рассмотрения графиков видно, что для данных параметров образцов увеличение диаметра проволоки приводит к смещению резонансного максимума в область более высоких частот. При этой же пористости и других толщинах образцов зависимость от диаметра проволоки еще более слабая.

Для удобства использования большого количества полученных экспериментальных данных авторами предпринята попытка обобщения семейства кривых коэффициента зву копоглощения.

В частности, обобщены кривые коэффициента звукопоглощения по одному из важнейших параметров пористого материала

- гидравлическому диаметру ёГ, который для

материала МР равен среднему диаметру пор

йср.

А =_ПП.

симости, представленные на рис. 6, можно сказать, что характер кривых одинаков

(3)

(1-п )■

где П - пористость образца,

йП - диаметр проволоки, из которой изготовлен обр азец.

В таблице 4 представлены значения гидравлического диаметра в зависимости от пористости образца и диаметра проволоки, из котор ой он изготовлен.

Т аблица 4. Гидравлический диаметр в зависимости от пористости и диаметра проволоки

П/йп 0,1 0,12 0,15 0,2

0,6 0,15 0,18 0,23 0,3

0,7 0,23 0,28 0,35 0,46667

0,8 0,4 0,48 0,6 0,8

В таблице 5 представлены значения гидравлического диаметра для исследуемых образцов.

Т аблица 5. Гидравлический диаметр для исследуемых образцов

№ 1 2 3 4 5 6

0,15 0,23 0,4 0,3 0,47 0,8

№ 7 8 9 10 11 12

йГ 0,18 0,28 0,48 0,23 0,35 0,6

В таблице 3 были представлены значения скорости звука, рассчитанной из первого резонанса образцов. Однако удобнее анализировать эти данные представленные в графическом виде (рис.6).

Скорость звука в материале меняется в зависимости от его структурных параметров (пористости П и диаметра проволоки ёп). Видно, что скорость звука монотонно увеличивается с увеличением гидравлического диаметра.

Чем меньше толщина образца, тем выше скорость звука в материале МР что, видимо, связано с меньшим значением гидравлического сопротивления. Причем значение скорости звука в материале МР стремиться к величине скорости звука в воздухе и достигает при I = 10 мм и = 0,6 мм значения с = 320 м/с.

Требуются дополнительные исследования зависимости скорости звука от параметров материала МР, но, анализируя зави-

350 300 250 .о 200 о' 150 100 50 0

♦ і

* 1 ♦ _ | 1 4

♦ _ • * 1 •

і ■

0,10

0,20

0,30 0,40

d г, мм

0,50 0,60

Рис.6. Скорости звука в материале МР от гидравлического диаметра и толщины -толщина образца 1=10 мм;

~ -толщина образца 1=15 мм;

-толщина образца 1=20 мм;

-толщина образца 1=30 мм;

1—1 -толщина образца 1=45 мм

Из всего множества вариантов звукопо-глотителей из материала МР одинаковым гидравлическим диаметром обладают образцы №2 и №10 (таблицы 4, 5). Учитывая, что экспериментальные исследования были проведены с погрешностью 10%, можно сравнить интервалы, в которых находятся коэффициенты звукопоглощения для различных образцов (рис.7). Пересечение областей и нанесение кривых коэффициента звукопоглощения соответствующих образцов (рис.8.) при одинаковой толщине подтвер-дила гипотезу зависимости коэффициента звукопоглощения от гидравлического диаметра, независимо от параметров проволоки и пористости образцов.

Хорошее совпадение результатов экспериментов позволяют обобщить результаты многочисленных экспериментов и использовать понятие гидравлический диаметр при моделировании процесса звукопоглощения в пористых структурах.

Такой подход обобщения экспериментальных данных позволит расширить технологические возможности и снизит себестоимость изготовления звукопоглощающих конструкций на основе материала МР.

Для дополнительного подтверждения гипотезы о зависимости акустических характеристик от гидравлического диаметра и разработки математической модели акустических характеристик материала МР необходимо проведение экспериментальных исследований образцов указанных в таблице 6.

Ъ Гц

Рис.8. Коэффициенты звукопоглощения образцов № 2 и 10 (Ь=10)

- ёп = 0,15 мм; П=0,6;

- ^ = 0,1 мм; П=0,7;

Из рассмотрения таблицы видно, что для различных вариантов пористости образцов и диаметров проволоки из которых они изготовлены множество образцов имеют одинаковый гидравлический диаметр.

Работа выполнена при поддержке министерства образования и науки РФ, правительства Самарской области (грант № 17г-Р081-090), и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере (проект № 5590).

Т аблица 6. Расчет параметров образцов из материала МР с одинаковым гидравлическим диаметром

Ї, кГц

Рис.7. Верхняя и нижняя граница коэффициента з вукоп оглощ е ния (I = 10 мм)

----- -границы интервала для образца №2;

------границы интервала для образца №10;

- область пересечения;

П/dn 0,1 0,12 0,15 0,2

0,400 G,G67 G,^ G,133

0,450 G^B G,123 G,164

0,500 G,^ G,12G 0,150 0,200

0,550 G,122 G,147 G,1B3 G,244

0,600 G,^ G,^ G,225 0,300

0,620 G,163 G,196 G,245 G,326

0,665 G,199 G,23B G,29B G,397

0,690 G,223 G,267 G,334 G,445

0,700 G,233 0,350 G,467

0,750 G,36G 0,600

0,800 0,600 0,B00

0,820 G,456 G,547 G,6B3 G,911

0,845 G,545 G,654 G,B1 B 1 ,G9G

0,900 G,^ 1^ 1,35G 1,B00

0,920 1,3BG 1,725 2^

Список литературы

1. Борьба с шумом/ Под ред. Е.Я. Юдина. - М. : Стройиздат, 1964. - 689 с.

2. Борьба с шумом на производстве: Справочник/ Е. Я. Юдин, Л. А. Борисов, И. В. Горенштейн и др.; Под общ. ред. Е. Я. Юдина - М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.

3. Материалы и покрытия в экстремальных условиях. Взгляд в будущее: В 3 т. -Т.2. Передовые технологии производства / В.В. Скороход, Н.А. Никифоров, С.В. Резник и др., Под ред. С.В. Резника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 296 с.

4. Изжеуров Е.А. Основы расчета и проектирование изделий из материала МР для гидрогазосистем энергетических установок М.: М ашиностр оение, 2001. - 286 с.

5. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение. -1981. - 247 с.

RES EARCH OF ACOUS TIC CHARACTERIS TICS OF MATERIAL МR

© 2006 A.A. Igolkin \ E.A. Izzheurov \ Czyan Hunuan2, Uo Gouchi2

Samara state aerospace university 2Harbin institute of technology, Harbin

Results of the study of the acoustic features of the material MR are brought in work for different thicknesses, porosity and diameter of the wire. The curves of a sound absorption on one of the major parameters of a porous material to hydraulic diameter are generalized.