Acoustic Damping using Polyurethane - Polymer Composites/ru

Данные о местоположении

Загрузка карты... {"minzoom":false,"maxzoom":false,"mappingservice":"leaflet","width":"auto","height":"200px","centre":false,"title":"","label":"","icon":"","lines":[],"polygons":[],"circles":[],"rectangles":[],"copycoords":false,"static":false,"zoom":1,"defzoom":14,"layers":["OpenStreetMap"],"image layers":[],"overlays":[],"resizable":false,"fullscreen":false,"scrollwheelzoom":true,"cluster":false,"clustermaxzoom":20,"clusterzoomonclick":true,"clustermaxradius":80,"clusterspiderfy":true,"geojson":"","clicktarget":"","imageLayers":[],"locations":[{"text":"","title":"","link":"","lat":44.230686111111111813443130813539028167724609375,"lon":-76.48132222222221798801911063492298126220703125,"icon":""}],"imageoverlays":null} +− Листовка | © Участники OpenStreetMap

Расположение

Кингстон , Канада

Музыка — это средство, с помощью которого большинство людей находят ту или иную форму удовольствия. Благодаря достижениям в области современных технологий музыкантам стало легко распространять свои записи по всему миру. Метод, с помощью которого записываются музыкальные треки, может или не может отображать эмоции и творчество создавшего их артиста. Достижения в области материаловедения позволили разработать звукоизолирующие студии звукозаписи. Эти студии не только блокируют внешние шумы, но и уменьшают нежелательные эхо/ реверберации , которые могут негативно повлиять на процесс записи. В этой статье будет рассмотрено использование полиуретановых , полимерных и металлических акустических материалов для снижения реверберации/передачи.

Снижение уровня шума и контроль эха

Все материалы обладают некоторыми акустическими свойствами. Эти свойства связаны с физическим составом материала. Что касается эха и реверберации, акустические материалы для использования в студиях и/или ситуациях шумоподавления предназначены для поглощения звуковой энергии. Звуковая энергия, которая не поглощается, отражается, рассеивается или передается. ^{[ 1 ]} Коэффициент поглощения звука материала описывает его звукопоглощающие свойства. Этот коэффициент варьируется от 0 до 1, где 1 представляет собой полное поглощение, а 0 представляет собой полное отражение. Звукопоглотители, как правило, допускают передачу звука, в то время как звукоотражатели не передают звуковую энергию, но могут вызывать значительные эффекты эха. ^{[ 1 ]}

Пористые звукопоглотители

Materials with a high porosity tend to have a high sound absorption coefficient. Materials such as polyurethane foam contain a cellular structure which allows air to flow into and the absorbed sound energy is converted into heat.^[1] Generally, a large material thickness is required in order to provide sufficient sound absorption, especially when used in conjunction with high density construction materials (such as concrete). This increase in thickness aids in reducing low frequency reflection. The geometry of these types of absorbers is important as it can aid in the scattering of incident waves to further absorb the sound energy.^[2]

Flexural Sound Absorbers

These types of materials are generally non-porous, elastic materials which flex due to excitation from sound energy/pressure. Flexural sound absorbers are typically most effective at absorbing low frequencies, unlike porous materials.^[1]

High Density Sound Attenuators

These acoustic materials can be used in conjunction with the low density porous materials to create an effective recording/listening environment. Materials with a high density generally attenuate sound energy effectively, but they cannot be in direct contact with other structural materials if total sound isolation is required.^[3] The sound energy will cause these types of materials to resonate, which reduces the overall transmission of sound, but when in contact with another surface, can produce unwanted vibrations.

Attenuated Energy Formulation

Most forms of porous media exhibit some form of wave energy damping as the wave propagates through the medium. The porosity of a material can be represented by its pneumatic permeability tensor, considering the three dimensional case. However, if the material in question is assumed to be isotropic, this simplifies to just the pneumatic permeability. The other parameter that affects the material's dissipation potential is the wave velocity vector. When combining these terms, a type of pseudo dissipation potential is formed. The relationship can be described as follows:

D=(1/2E)w2

In this equation, E is the pneumatic permeability and w is the wave velocity vector. This equation is only useful for the acoustical comparison of different materials and actual acoustical attenuation properties must be examined experimentally.

Анализ полиуретановой пены

Полиуретановая пена создается посредством реакции полимеризации основного присоединения с участием диола или полиола, диизоцианата и воды. ^{[ 4 ]}

Уретановый полимер создается, когда дисоцианат реагирует с диолом или полиолом. Вода реагирует с некоторыми изоцианатными группами, и образуется диоксид углерода. По мере полимеризации жидкости, ее расширения и затвердевания некоторые из этих пузырьков газа оказываются захваченными. Акустические пены имеют в основном открытые ячейки из-за захваченных пузырьков газа, которые лопаются. Воздух может легко проходить через этот тип пены. ^{[ 4 ]}

Влияние на акустические свойства

Что касается акустики, то существует четыре важных свойства материала, которые влияют на его эксплуатационные характеристики.

Упругие свойства

• Жесткость материала определяется его геометрией, топологией и микроструктурными интерфейсами. ^{[ 5 ]}

Вязкоупругие свойства

• Эти свойства описывают твердое затухание материала. Они в основном зависят от геометрии материала. ^{[ 5 ]}

Акустические свойства

• Акустические свойства определяются жидкой средой, через которую распространяются звуковые волны. ^{[ 5 ]}

Вязкоакустические свойства

• Жидкостное демпфирование материала регулируется его геометрией, топологией и микроструктурными интерфейсами, аналогично упругим свойствам. ^{[ 5 ]}

Изменяя свойства материала, такие как плотность, можно изменять упругие и вязкоупругие компоненты затухания звуковой энергии. Акустические и вязкоакустические свойства зависят от константы вязкого сопротивления и объемного модуля поровой жидкости. ^{[ 5 ]} Используя теорию Биота и формулировку Гассмана, можно рассчитать насыщенный объемный модуль с помощью уравнения 1, показанного на рис. 4.

K _f представляет собой объемный модуль упругости насыщенного полиуретана, K _s представляет собой объемный модуль упругости пенной структуры, окружающей поры, K _fl представляет собой объемный модуль упругости жидкости внутри пены (в данном случае воздуха), а K ₀ представляет собой модуль упругости сухого полиуретана.

Полиуретан моделируется как гибкое, открытоячеистое, пористое тело. Звуковая энергия передается через материал двумя основными способами: ^{[ 6 ]}

• Звуковые волны давления распространяются через жидкость в порах полиуретана.
• Упругие волны напряжения возникают из-за волн давления, которые передаются через каркас полиуретана.

Акустические свойства полимеров

Как обсуждалось, полиуретан довольно эффективен для ослабления высокочастотных звуковых волн, но он не обеспечивает низкочастотную изоляцию, если не используется адекватная толщина. Пористая природа полиуретана значительно снижает акустическое отражение, но эта низкая плотность также позволяет передавать звуковую энергию. Полимеры также могут использоваться в качестве акустических демпферов. Что касается полимеров, существует два основных режима распространения звука: продольный и сдвиг . ^{[ 7 ]} Продольные волны также могут называться волнами сжатия или расширения. Эти волны включают локальные сжатия и расширения внутри материала. Отдельные частицы материала вибрируют перпендикулярно направлению распространения возбуждения. В сдвиговых волнах или поперечных волнах осциллирующая сдвиговая волна создается локальными сдвиговыми силами, вызванными внутри материала из-за звуковой волны. Движение отдельных частиц внутри материала из-за этих волн происходит в направлении, параллельном фронту волны. Из этих продольных и сдвиговых волн можно показать, что для описания акустических свойств полимера необходимо изучить четыре параметра. ^{[ 7 ]}

• Продольная скорость, u _L
• Скорость сдвига, u _Sh
• Продольное поглощение, α _Lt
• Поглощение сдвига, α _Sh

Поглощение звука внутри полимерной структуры связано с рядом молекулярных механизмов, таких как стеклование, отверждение, отжиг и т. д. ^{[ 7 ]} Общее затухание (потеря энергии) представляет собой сумму всех рассеянных, отражательных и поглощенных энергий для данного материала.

Влияние плотности и кристалличности на скорость звука

Степень кристалличности полимера влияет на его плотность и модули. ^{[ 7 ]} Скорость звука также зависит от этих параметров и, таким образом, будет зависеть от них. В настоящее время необходимы дополнительные исследования в этой области, поскольку часто экспериментальные результаты не согласуются с теоретическими моделями. ^{[ 7 ]} Было показано, что скорость продольной волны u _L в материале пропорциональна (Э/п)1/2, где E — модуль Юнга, а p — плотность материала. Однако экспериментальные результаты показывают, что скорость звука изменяется линейно с этими свойствами. ^{[ 7 ]}

Пористость в полимерах

Обычно пористые полимеры получают путем сополимеризации стирола и дивинилбензола. В результате получается полимер, содержащий микромасштабные поры, который, как правило, слаб из-за отсутствия сшивки между мономерными цепями. Эти типы пористых полимеров обычно называют гелями из-за низкого количества сшивок. ^{[ 8 ]} Чтобы сохранить желаемые механические свойства полимера, ученые создали еще одну пористую версию, известную как макропористые полимеры . В этих полимерах поры образуются независимо от сшивки. Порогены используются во время полимеризации, поскольку они растворимы в мономерах, но нерастворимы в сформированных полимерах. Это вызывает создание пор, поскольку полимер не может образоваться в любой области, где находится пороген. Это создает полимерную структуру с максимальной пористостью 50% при сохранении механических свойств. ^{[ 8 ]}

Пористость в металлах

Желаемые характеристики акустических демпфирующих материалов могут быть дополнительно улучшены за счет использования пористых металлов. Подобно пористым полимерам, могут быть созданы металлы (даже в макромасштабе), которые имеют полностью взаимосвязанную пористую структуру. ^{[ 9 ]} Эта взаимосвязанная пористость имеет решающее значение для акустических характеристик материала из-за текучей среды, которая необходима для распространения звуковых волн. Образец пористого металла обеспечивает такие же характеристики демпфирования, как образец пенополиуретана, сохраняя при этом высокий модуль упругости. Формирование этих металлов также относительно просто и включает процесс, называемый спеканием.

• Формирование пористых металлов

Как уже упоминалось, большинство пористых металлов образуются путем спекания . Спекание подразумевает использование мелких частиц, которые «спекаются» вместе с использованием печи при высокой температуре. Эти частицы не обязательно сферические, однако для целей моделирования здесь будет рассмотрен сферический случай. Процесс состоит из четырех этапов, показанных на рисунке 6. Для акустических приложений полезна технология твердотельного спекания Gravity Sintering. Следует также отметить, что можно использовать метод спекания Axial Compaction (он похож на гравитационное спекание с добавленным этапом обработки, включающим уплотнение металлических частиц под высоким усилием), однако гравитационное спекание обычно обеспечивает большую взаимосвязанную пористость из-за отсутствия уплотнения частиц. ^{[ 9 ]} При гравитационном спекании создание пористой структуры зависит от диффузионного связывания соседних частиц. Как правило, более мелкие порошки материалов можно спекать при более низких температурах из-за увеличенной движущей силы от поверхностной энергии более мелких частиц. При более высоких температурах спекания стадия образования шейки происходит быстрее и создаются более крупные поры. ^{[ 9 ]} Обычно это приводит к неравномерной пористости. Поэтому для акустического демпфирования желательно подвергать металлические частицы воздействию требуемой температуры спекания в течение минимального периода времени. Диффузионный поток для поверхностной диффузии можно увидеть в следующем уравнении:

• J _s =[(-δ _s D _s Ωγ _s )/kT] dK/ds

В этом уравнении член -δ _s представляет толщину поверхностного слоя, D _s представляет поверхностную диффузию, Ω представляет атомный объем, γ _s - поверхностную энергию, k - постоянную Больцмана, T - температуру спекания, а член dK/ds относится к кривизне шейки. Уравнение для диффузионного потока вдоль границ зерен очень похоже на это уравнение, причем член кривизны шейки заменен на объемную плотность химического потенциала . Можно также отметить, что диаметр шейки между соседними частицами растет пропорционально квадратному корню из времени спекания. ^{[ 9 ]}

Применение акустических демпфирующих материалов

Большинство применений акустического демпфирования включают в себя некоторую форму звукорежиссуры/записи. В студиях звукозаписи окружающий шум нежелателен и должен быть сведен к минимуму. В то же время реверберация должна контролироваться для надлежащей записи дорожек. Однако существуют и другие применения акустических демпфирующих материалов. Эти типы материалов могут использоваться для снижения шума в салоне коммерческих авиалайнеров. Кроме того, на производственных предприятиях, где шумовое загрязнение является проблемой, акустические демпфирующие материалы могут использоваться для уменьшения нагрузки на уши рабочих и предотвращения потери слуха из-за громкого оборудования.

Экономика

Как обсуждалось, обычно для значительного демпфирования широкого спектра частот требуется большая толщина полиуретановой пены. При использовании пористого металла количество материала может быть уменьшено, что соответствует прямой экономии затрат. В следующей таблице показан пример расчета, в котором сравнивается стоимость акустического полиуретана и пористого металла. Сравнение было сделано для площади демпфирования 2,50 м ² .

Используя табличные значения, объемную пористость алюминия 70% и соотношение толщины 0,25:1 (алюминий к пенополиуретану), была рассчитана стоимость каждого материала. Результаты показаны в таблице ниже.

Эта оценка иллюстрирует, как уменьшенный объем пористого алюминия влияет на стоимость материала. Стандартные значения стоимости для алюминия и полиуретана были определены в ходе исследования. ^{[ 10 ]}

Уменьшение объема акустических демпфирующих материалов

Как обсуждалось ранее, акустическая пена (полиуретан) требует относительно большой толщины для обеспечения достаточного демпфирования низкочастотных звуковых колебаний. Однако полиуретан хорошо подходит для снижения более высоких частот, поэтому хороший баланс между пористыми звукопоглощающими свойствами и изгибными поглощающими свойствами теоретически может обеспечить широкий спектр частотного демпфирования при минимизации требований к материалу.

• Макропористые полимеры

Макропористые полимеры могут обеспечить высокий уровень пористости в более плотной среде по сравнению с полиуретаном. ^{[ 8 ]} Как упоминалось ранее, затухание в полиуретане сильно зависит от толщины материала. Акустическая система демпфирования на основе макропористого полимера может обеспечить тот же эффект демпфирования, что и полиуретан, при этом минимизируя передачу вибрации из-за своей более высокой плотности. Это уменьшит количество материала, необходимого для звукоизоляции. Кроме того, эта технология может использоваться в сочетании с полиуретаном для создания образца демпфирования с переменной плотностью. На рисунке 6 показан предлагаемый акустический демпфер, состоящий из двух тонких слоев пенополиуретана различной плотности и одного слоя макропористого полимера. Эта комбинация может иметь общую толщину, которая меньше, чем у пенополиуретана одинарной плотности.

• Пористые металлы

Благодаря пористой структуре и повышенному модулю упругости пористых металлов по сравнению с пористыми полимерами, ^{[ 11 ]} эти материалы будут более эффективны в гашении широкого диапазона звуковых частот. Это отчасти связано с повышенной жесткостью металла и его способностью глушить более низкие частоты звука. Система демпфирования из пористого металла потребует даже меньше материала, чем система из макропористого полимера, что еще больше увеличит экономию материалов.

Расчет экономии толщины

Следующий расчет показывает уменьшенную толщину, необходимую для одинакового потенциала демпфирования между полиуретановой пеной и пористым металлом. Предполагая ламинарный поток, проницаемость каждого материала можно смоделировать с помощью следующего уравнения: ε=μаягВфложΔПггоп/т^{[ 12 ]}

Сравнение двух материалов показано в таблице ниже. Важно отметить, что были сделаны следующие предположения:

• Линейная зависимость между модулем упругости и потенциалом рассеяния ^{[ 7 ]} (Апотентяал=ДпотентяалЭмогтылтыс)
• Постоянная скорость звуковой волны для обоих материалов (постоянная омега)
• Объемный расход через каждое поперечное сечение материала постоянен.
• Перепад давления в каждом поперечном сечении материала постоянен.
• Средний модуль упругости пористого металла составляет приблизительно 0,35 ГПа ^{[ 13 ]}
• Средний модуль упругости полиуретана составляет приблизительно 0,05 ГПа<ref name="M">М. Фогель, "Свойства материалов", в Справочнике по математическим, научным и инженерным формулам, таблицам, функциям, графикам, преобразованиям, 2-е изд. Сотрудники Ассоциации исследований и образования, ред. Пискатауэй, Нью-Джерси: Ассоциация исследований и образования, 1988, стр. 880-885.<ref>Из этих предположений можно увидеть, что единственной переменной, которая влияет на ослабленную энергию, является толщина материала.

Предполагая, что каждый материал обеспечивает одинаковый потенциал затухания, и используя указанные допущения параметров, связывая уравнения с помощью соотношений, можно увидеть, что толщины связаны следующим образом:

• тметал=0.15тполу

Таким образом, использование пористого металла приводит к уменьшению толщины на 85%.

Заключение

Пористые металлы оказались весьма перспективными для ситуаций акустического демпфирования. Они просты в изготовлении и обеспечивают значительный выигрыш в демпфировании звуковой энергии по сравнению с полиуретановыми пенами. По мере развития технологий эти типы материалов станут более распространенными в стандартных инженерных ситуациях.

Ссылки

Данные страницы

Часть	МЕЧ370
Ключевые слова	обработка материалов , акустика , полимерные композиты , полиуретановые композиты , музыка
Авторы	Коннор Кемп
Лицензия	CC-BY-SA-3.0
Организации	Университет Квинс
Язык	Английский (en)
Переводы	Русский
Связанный	1 подстраница , 2 страницы ссылка здесь
Псевдонимы	Снижение эха/реверберации с использованием полиуретановых/полимерных композитов , акустическое демпфирование с использованием полиуретановых/полимерных композитов
Влияние	206 просмотров страниц ( еще )
Созданный	12 ноября 2009 г. Коннор Кемп
Последнее изменение	26 июня 2024 г. Ирен Дельгадо
Цитировать как	Коннор Кемп (2009–2024). «Акустическое демпфирование с использованием полиуретановых полимерных композитов» . Appropedia . Получено 2 февраля 2025 г. .
API-запросы	базовый , семантический , html , файлы , больше