第七章 聲學(xué)材料

第七章聲學(xué)材料第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四聲音是物質(zhì)的波動，一個完整的聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)包括聲源、聲介質(zhì)和聲接受器三個要素。我們把振動發(fā)聲的物體叫做聲源，把能夠傳播聲音的物質(zhì)叫做傳聲介質(zhì)，把能夠感知聲音的器件叫聲接受器。聲學(xué)材料可分為發(fā)聲材料、聲介質(zhì)材料和聲探測(感知)材料。第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四1、聲的物理特征聲音主要有強弱和高低兩個方面的衡量。聲音的強弱是指聲音的大小。表示聲音強弱的物理量度主要有聲壓、聲強和聲功率以及它們的級。聲壓（P）是指聲介質(zhì)中的壓強相對于無聲波時的壓強改變量。聲音的聲壓大，該聲音就強。聲壓的大小是由聲源振動的振幅決定的，與聲源的振動頻率無關(guān)。由于聲壓是隨時間作疏密相間不斷變化的，所以，通常用一段時間的有效聲壓表示，稱為有效聲壓，它是瞬時聲壓的方均根值．其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四式中P(t)是瞬時聲壓，t是時問，T是聲波周期。人耳的聽覺聲壓范圍為2x10-5--20Pa。用聲壓表示聲音的強弱是很不方便的。為此，人們便采用聲壓的對數(shù)來表示聲音的大小組別．稱為聲壓級，單位為dB。國際上統(tǒng)一規(guī)定，把正常人耳剛剛能聽到的聲壓2x10-5作為基準(zhǔn)聲壓p0，定為0dB。聲壓級Lp的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四聲強(I)是指在垂直于聲波傳播的平面上，單位時間內(nèi)通過單位面積的聲能，單位是W/m2。在自由聲場中，某處的聲強與聲壓的平方成正比：式中，ρ介質(zhì)密度；c是聲速。把正常人耳剛剛能聽到的聲強(10-2w/m2)作為基準(zhǔn)聲強I0，定為0dB。聲強級的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四聲功率(W)：聲源在單位時問內(nèi)輻射出的總聲能量。10-12w作為基準(zhǔn)聲功率W。，定為0dB。聲功率級的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四頻率與頻譜：頻率表示聲源振動快慢的物理量。聲音的頻率越高，音調(diào)就高，聽起來就感到尖銳；反之．聲音的頻率低，音調(diào)就低，聽起來就感到低沉。能夠發(fā)出單一康率的純音的發(fā)聲體很少，發(fā)聲體的振動一般都比較復(fù)雜，所發(fā)出的聲音都是有許多不同頻率、不同強度的純音復(fù)合而成。以頻率為橫坐標(biāo)，以聲音的強弱(聲壓級或聲強級)為縱坐標(biāo)，繪出聲音強弱的頻率分布圖，叫頻譜圖。第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四利用頻譜圖可以進(jìn)行頻譜分析，可以看出構(gòu)成聲音的各個頻率成分和相應(yīng)的強度。頻譜分析在材料的無損檢測、機械的故障診斷、噪聲控制等方面有廣泛的應(yīng)用。第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四2、發(fā)聲材料和聲探測材料凡是能產(chǎn)生振動的材料（固體、液體和氣體）都可以是發(fā)聲材料，都可能成為發(fā)聲材料。這里我們只介紹壓電材料和磁致伸縮材料（壓磁）。它們既可以做發(fā)聲材料，又可以做聲探測材料。壓電材料主要是利用它的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電--聲和聲--電轉(zhuǎn)換，利用電--聲轉(zhuǎn)換可做為發(fā)聲材料，利用聲--電轉(zhuǎn)換可做為聲探測材料。壓電效應(yīng)是指在某些晶體材料上施加機械應(yīng)力時，晶體的某些表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象通常稱為正壓電效應(yīng)：反之，在晶體的某些方向施加電場時，晶體會產(chǎn)生幾何形狀的變化，這種現(xiàn)象通常稱為逆壓電效應(yīng)。除了一些晶體外，許多陶瓷、聚合物也具有壓電效應(yīng)。第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)可制成各種電聲源，如揚聲器、鱗鳴器、超聲波發(fā)生器等。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)可制成各種聲探測器，如拾音器、船舶聲納、水聲換能器、超聲探測器等。利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮放應(yīng)可制造成各種超聲波發(fā)生器、水聲、電聲換能器，如聲納的水聲發(fā)射與接受器，超聲波換能器等。第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四3、聲阻尼材料隨著工業(yè)和交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，噪聲污染及其對人體健康的危害，越來越引起人們的重視。它同水污染、空氣污染一樣被列為三大公害。噪聲與振動可以通過吸聲、隔聲、消聲、阻尼減振等措施加以治理。阻尼減振技術(shù)已發(fā)展成為一項專門的技術(shù)，成為控制振動、沖擊和噪聲的主要技術(shù)手段。第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四阻尼減振技術(shù)中所用到的材料稱為阻尼材料或減振材料。阻尼材料可分為金屑基阻尼材料和非金屬基阻尼材料兩大類。阻尼材料屬于粘彈性材料，它的動態(tài)力學(xué)性能不同于純彈性材料，應(yīng)變ε滯后應(yīng)力σ。滯后的相角αβ是阻尼材料的損耗因子，它可表示為；第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四損耗因子是衡量阻尼材料耗散振動能量的主要指標(biāo)之一。表征阻尼材料阻尼性能最常用的量是損耗因數(shù)η，它的物理意義是每振動一次所損耗的能量與貯存的能量的比值。它的大小與材料振動在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p失的振動能成正比。η值越大，表明材料的阻尼性能越好。損耗因子與損耗因數(shù)的關(guān)系為η＝2βπ。金屬基阻尼材料又稱為減振合金，是一種高內(nèi)耗合金，它能把振動能較快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡?，有效地阻尼聲的傳播。金屬基阻尼材料主要用于設(shè)備和機械上，達(dá)到減振和防噪聲的目的，如發(fā)電機蓋、運輸帶的齒輪、汽車發(fā)動機油盤、汽缸頭蓋、船舶螺旋槳等。用減振合金作為結(jié)構(gòu)材料．制成機械中振動和發(fā)聲強烈的部件。第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四常用的非金屬基阻尼材料有橡膠系、塑料系、瀝青系。通常是由兩種基本材料組成，一種是基材，另一種是添料。常用的基料有瀝青、氯丁橡膠、聚胺脂、環(huán)氧樹脂等。常用的添料有膨脹珍珠巖粉、膨脹蛭石、石棉緘、碳酸鈣、二硫化銅、鉛粉、炭黑粉等。粘彈性聚合物具有很好的阻尼性能，是很好的阻尼材料基料。眾所周知，枯性液體能耗散能量，然而它卻不能貯存能量；彈性體能夠貯存能量，但它卻不能耗散能量。粘彈性聚合物同時具有枯性液體和彈性固體的特征，在受到交變應(yīng)力作用下發(fā)生變形時，部分能量作為位能貯存起來，另一部分能量則被耗散掉，轉(zhuǎn)化為熱能。這種能量的耗散表現(xiàn)為振動阻尼，第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四用枯彈性聚合物阻尼材料牢固地粘貼到產(chǎn)生振動的部件上，形成阻尼層，會使振動減弱，降低噪聲，在工業(yè)、國防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。一種典型的阻尼材料是美國海軍研制的MRC-OG4粘彈性聚合物阻尼材料。它的基體是經(jīng)過增塑處理的氯乙烯和醋酸乙烯共聚物，添料是片狀石墨和炭黑。它在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)阻尼較好，把它粘貼在潛艇的殼體上，可以有效地降低潛艇的自噪聲。第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四4、聲吸收材料在噪聲較大的車間，由于四壁及天花板的多次反射，造成混響，使車間內(nèi)噪聲強度增加。另外，在大型會議室、劇場、禮堂、音樂廳和體育館等，為了得到良好的音響效果，通常不希望墻壁和屋頂反射聲音。因此需要在天花板和墻壁上粘貼吸聲材料，以減少聲音的反射。常用的吸聲材料主要是多孔材料。當(dāng)聲波進(jìn)入吸聲材料孔隙后，引起空隙中的空氣和材料的細(xì)小纖維振動。由于摩擒和枯滯阻力，聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而被吸收和消耗掉。材科的吸聲性能常用吸聲系?shù)α來表示，它定義為聲波人射到材料表面時，材料的吸收聲能和透射聲能之和與入射到材料表面的總聲能之比。完全反射的材料，α＝o，完全吸收的材料，α=1，一般材料的吸聲系數(shù)介于0和1之間。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四多孔吸聲材料分為無機纖維吸聲材料、泡沫塑料吸聲材料、有機纖維吸聲材料和建筑吸聲材料等。無機纖維吸聲材料主要有超細(xì)玻璃棉、玻璃絲、礦渣棉、巖棉等，這類材料的優(yōu)點是隔熱耐．價格低廉。泡沫塑料吸聲材料主要有聚胺脂、聚醚乙烯、聚氯乙烯、酚醛等，這類材料具有良好的彈性，缺點是易燃，易老化。有機纖維吸聲材料有棉麻、干蔗、木絲、稻草等，這些材料的價格低廉，取材方便。建筑上采用的吸聲材料有加氣混凝土、膨脹珍珠巖、微孔吸聲磚等。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四日本市區(qū)內(nèi)的高速路采用聲阻尼材料和

吸聲材料日本市名古屋區(qū)內(nèi)的高速路第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四費米能在固體物理學(xué)中，一個由無相互作用的費米子組成的系統(tǒng)的費米能（EF）表示在該系統(tǒng)中加入一個粒子引起的基態(tài)能量的最小可能增量。費米能是在絕對零度時，處于基態(tài)的費米子系統(tǒng)