芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能实验

罗竹辉，贾金荣，周 洲，李 涛，刘 磊

（1.湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲412007；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

芳纶蜂窝夹层结构复合材料具有重量轻、强度高、阻燃性能优良、抗冲击性能好、耐腐蚀等优点，已被广泛应用于飞机、高速列车等运载工具的内外饰板中[1–2]，内外饰板是运载工具阻隔外部噪声的主要构件，随着运载工具速度的不断提升，外部噪声也随之不断增大，而人们对内部噪声舒适性的要求却越来越高[3]，因此，芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能研究成为一个重要课题。

国内外研究人员对夹芯材料为实心材料、泡沫材料和铝蜂窝材料的夹层结构复合材料的隔声性能进行了大量研究[4–8]，在芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能研究方面，Rajaram 等[9]对用于商用飞机地板的芳纶蜂窝夹层结构复合材料的隔声性能进行了测试，发现芯材剪切模量是最大的影响隔声性能因素。Grosveld 等[10]为了提高芳纶蜂窝复合材料的隔声量，去除部分芯材以减小板的弯曲刚度，进而增大复合材料的吻合效应频率以提高隔声性能。

对于芳纶蜂窝夹层结构复合材料而言，材料和结构不同时，力学性能和隔声性能也会不同，目前的研究主要集中于力学性能[11–12]。本文采用消声室-混响室隔声性能测试方法，对不同设计参数芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能进行实验研究，得到其隔声性能影响因素和影响规律，以期为芳纶蜂窝夹层结构复合材料隔声性能的设计和优化提供依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验所用芳纶蜂窝夹层结构复合材料（为了叙述简便，后文简写为芳纶蜂窝复合材料）由株洲时代新材料科技股份有限公司生产，部分实验材料实物如图1所示。芳纶蜂窝复合材料结构如图2所示，由两侧面板与正六边形芳纶蜂窝芯材组成夹芯结构。在应用芳纶蜂窝复合材料时，除面板材料外，一般通过以下设计参数的改变来调控复合材料的性能，主要是两侧面板厚度Tf1和Tf2、芯材厚度Tc、蜂窝孔格正六边形外接圆直径d、芯材密度rc（密度通过浸胶过程进行控制）。为了研究设计参数对芳纶蜂窝复合材料隔声性能的影响，设计并试制了表1 所示的10 种复合材料板材试样，后文“板A”表示表1 中A类板材，依此类推。表中板A为对比基准板，其主要参数如面板厚度和整体厚度等根据其在高速列车内装地板上应用时的常用尺寸设计。试样为平面板材，长度L和宽度W均为830 mm，蜂窝芯材所用蜂窝纸厚度tc均为0.05 mm，表中同时给出了应用时受关注的两个重要参数：整体厚度T和面密度l，表中面密度为实际测试数据。

表1 实验样件参数

图1 芳纶蜂窝夹层结构复合材料板试样

图2 芳纶蜂窝夹层结构复合材料板结构

1.2 实验方法

实验依据GB/T 31004.1–2014进行[13]，在株洲时代新材料科技股份有限公司的混响室-消声室中进行测试。图3 为实验示意图，试件安装在混响室与半消声室之间的窗口上，试件边沿与窗口之间用专用测试工装夹紧，并用胶泥密封。混响室内由两个无指向性声源产生扩散声场，半消声室作为受声室。在混响室内用6个传声器测量混响声场的平均声压级Lp，在半消声室内用扫描法测量试件表面法向平均声强级LIn，由式（1）计算隔声量RI。

图3 混响室-消声室法隔声性能测试示意图

式中：Sm为测量面的总面积；S这被测试件的总面积。

由于不同频率下复合材料的隔声量不同，实验中测试100 Hz～6 300 Hz 范围内1/3 倍频程中心频率点的隔声量。

2 结果与讨论

2.1 计权隔声量

材料和构件的隔声性能随频率变化，为了从整体上对不同芳纶蜂窝夹层结构复合材料的隔声性能进行评价，选取ISO717–1–2013 定义的计权隔声量Rm作为复合材料隔声性能评价的单值指标，通过实验得到10种复合材料计权隔声量如图4所示。

图4 复合材料板计权隔声量

由图4 可知，从计权隔声量这一单值评价指标来看，改变设计参数均会对计权隔声量产生一定的影响。除面板厚度改变会引起面密度较大改变，进而显著影响复合材料的计权隔声量外，其余设计参数的改变所导致的计权隔声量的改变均在1 dB左右。

计权隔声量的改变通常是重量改变引起的，对于一般材料而言，面密度越大，隔声量也越大。根据质量定律，声波垂直入射时，单层均质的隔声量R0可用式（2）进行计算[14]。

当声波自0～90°无规入射时，隔声量Rr为

芳纶蜂窝复合材料计权隔声量实验结果与同等面密度均质材料计权隔声量计算结果对比如图5所示。由图可知，计权隔声量与面密度并非呈完全的线性关系，其中板C、板D 和板F 的计权隔声量实验值大于计算值，表明这几种板材的隔声效率是较高的。从轻量化的角度出发，希望计权隔声量测试值与质量定律计算值相比越大越好。

图5 计权隔声量与面密度关系

计权隔声量仅考虑了100 Hz～3 150 Hz 之内1/3倍频程中心频率的隔声量，这个频率段是大部分板材的质量控制区，面密度对该指标的影响权重会更大，另外，芳纶蜂窝复合材料应用在不同场合时，其噪声源的频率特性是不同的，所以计权隔声量不能全面衡量芳纶蜂窝复合材料的隔声特性，通常需要结合隔声量频率特性曲线进行全面考量，相关分析见后文。

2.2 不同面板材质对隔声性能的影响

相同厚度的前提下，面板的材质不同，意味着面板的密度、弹性模量等材料属性不同，通过对比其隔声曲线，可以分析面板材料属性对板材隔声性能的影响。选取常用面板材质为：玻璃钢（本文所用为玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料）和铝板，面密度分别为5.23 kg/m2和6.68 kg/m2。两者隔声性能曲线如图6 所示，由图可知，虽然后者的面密度远大于前者，但在400 Hz～1 600 Hz 中频区域的隔声量基本相当，仅在1 600 Hz 以上的高频区域和160 Hz 以下的刚度控制区有优势。如果在使用时关注中频区域的隔声性能，玻璃钢材质面板的芳纶蜂窝复合材料更有优势一些，当然在实际使用时，需要综合考虑其它方面的性能。

图6 不同面板材质复合材料板的隔声性能曲线

2.3 不同面板厚度对隔声性能的影响

选用同一种玻璃钢面板制备的芳纶蜂窝复合材料，仅改变面板的厚度，两侧面板厚度分别为1 mm和1 mm、1 mm 和2 mm 以及2 mm 和2 mm，通过测试得到隔声曲线如图7 所示。可以看出，面板厚度增加，隔声量在整个频率范围内全面提高，这主要是由于面板厚度增厚导致整体重量显著提高所带来的结果。在应用时，为了提高芳纶蜂窝复合材料的隔声量，最简单的方法是加厚面板，但也会增加重量和成本，为了提高隔声性能和隔声效率，需要综合考虑各项设计参数。

图7 不同面板厚度复合材料板的隔声性能曲线

2.4 不同蜂窝孔格直径对隔声性能的影响

对于面板为1 mm厚玻璃钢、芯材厚度为16 mm的芳纶蜂窝复合材料，蜂窝孔格外接圆直径分别为3.2 mm、4.8 mm、9.5 mm 时隔声性能曲线如图8所示。

由图8 可知，蜂窝孔格直径为9.5 mm 的芳纶蜂窝复合材料，虽然面密度最小，但在全频范围内，尤其在1 600 Hz 以上的高频范围内，隔声量均大于孔格尺寸更小的复合材料。这是由于蜂窝芯将两侧面板连接在一起，形成了声桥，孔格直径越大，声桥越少，声波传递越弱，隔声量反而越大。

图8 不同蜂窝孔格直径复合材料板的隔声性能曲线

蜂窝孔格直径为3.2 mm 的复合材料的声桥要多于蜂窝孔格尺寸为4.8 mm的复合材料，但隔声量却比4.8 mm的要大，这与上述分析不符。其中原因是：两者面密度均为5.23 kg/m2意味着孔格直径为3.2 mm 的蜂窝浸胶量少，蜂窝刚度小，声桥的声传递效率低，故出现声桥多但隔声量却还要大的情况。

综合分析以上两种情况，可知蜂窝芯材对整体蜂窝复合材料的隔声性能起着重要作用，在满足刚度要求下，宜选用蜂窝孔格较大的板材。

2.5 不同芯材厚度对隔声性能的影响

面板为1 mm 厚玻璃钢，芯材厚度分别为16 mm、22 mm 和28 mm，该芳纶蜂窝复合材料的隔声性能曲线如图9 所示。可以看出，在400 Hz 以下的刚度控制区，芯材越厚，板材刚度越大，隔声量越大。芯材厚度为22 mm与28 mm的芳纶蜂窝复合材料的隔声曲线在质量控制区基本相同，在2 000 Hz 以上的吻合效应区，芯材厚度为28 mm 的芳纶蜂窝复合材料的隔声量较其他两种厚度的都要大。

图9 不同蜂窝芯材厚度复合材料板的隔声性能曲线

2.6 不同芯材密度对隔声性能的影响

对于面板为1 mm 厚玻璃钢、芯材厚度为16 mm、蜂窝孔格直径为4.8 mm的芳纶蜂窝复合材料，通过控制其浸胶量多少，可以调控其蜂窝芯材密度，密度分别为48 kg/m3、80 kg/m3和128 kg/m3的芳纶蜂窝复合材料隔声性能曲线如图10所示。

图10 不同芯材密度复合材料板的隔声性能曲线

由图10可知，隔声量在整个频率范围内随着面密度的增加整体往上平移。芯材密度为128 kg/m3的芳纶蜂窝复合材料，相对于其他两种密度较小的复合材料，隔声量在1 600 Hz以上有较大的提高。

3 结 语

（1）芳纶蜂窝复合材料设计参数均在一定程度上影响其计权隔声量，除面板厚度外，其它设计参数改变所导致的计权隔声量改变均在1 dB左右，计权隔声量并非与重量呈线性关系，在重量改变较小的情况下，蜂窝孔格直径、芯材厚度对隔声频率特性曲线影响较大。

（2）面板材质、面板厚度和芯材密度主要通过重量影响隔声性能，重量越大，整个频率段上特别是在高频段的隔声量越大。

（3）蜂窝孔格直径对隔声性能的影响较为复杂，直径为9.5 mm 时隔声性能最好，在1 600 Hz 以上频率段尤为明显，主要原因是蜂窝孔格直径影响声桥的密度和刚度。

（4）芯材厚度主要影响400 Hz以下频率段的隔声性能，在此频率段芯材越厚，隔声量越大。