消声器设计机构

南京同韵声学科技有限公司

阻尼的温度变化特性
在外力不变的情况下，随着温度从低到高，分子的流动性增加，微观上呈现出不同的分子运动形式，宏观上，聚合物将经历玻璃态、橡胶态和黏流态三种力学状态。下图为聚合物的温度形变曲线。
当温度较低时，分子处于“冻结”状态，几乎不能运动，只有链内原子的键长、键角改变，以及某些侧基、支链和小链节的运动，即只有分子链构型的变化而没有构象的变化，链段运动的松弛时间几乎为无穷大。因此这时的材料，质硬而脆，类似于坚硬的玻璃，故名玻璃态。材料处于玻璃态，不能耗散能量，而将能量作为位能储存起来，外力除去后，储存的能量释放出去，重新返回外界。
随着温度的升高，进入玻璃态和橡胶态（高弹态）之间的过渡区，称玻璃化转变区。玻璃化转变不是热力学的相变而是一个松弛过程，在玻璃化转变区，分子链开始“解冻”。分子的运动空间变大，运动变得活跃起来，出现了链段的运动，这是产生阻尼作用的运动
形式。因为体系的黏度还很大，分子内摩擦力仍然较大，机械能通过分子的内摩擦而转化为热能，因此链段的运动具有不可逆性，除去外力之后，链段无法完全恢复到原来的状态，产生*形变，聚合物表现出黏性行为。外力作用到黏性成分上的那一部分机械能不能返
回外界，转化为热能而被耗散掉，这就是材料的内耗或阻尼。本质上来说，内耗指的是高分子的键角、键长、基团、链节、链段等各运动单元沿力的作用方向取向为克服内摩擦阻力而耗散掉的能力。在这个区域内，聚合物的松弛特性比较显著，分子基团具有一定的自由度，能够大量吸收振动能量。同时在该区域，材料的模量随温度升高而*降低，损耗因子则达到一个较大值，即阻尼峰值，此时所对应的温度称为玻璃化转变温度，通常用Tg来表示，而后损耗因子*下降。玻璃化转变区形变虽然*增加，但高聚物由坚硬的固体变得柔软而有韧性，虽然链段的滑移会*变形，但整个分子链并未滑动，因此材料仍保持宏观完整的形态。通常而言，玻璃化转变区的温度范围就是材料有效阻尼的温度范围。因而玻璃化转变区在阻尼材料研究中非常重要，作为理想的粘弹性阻尼材料应该有较宽的转变区和较高的内耗峰，而且，转变区的温度范围应和材料的工作温度范围一致。
继续升高温度，进入橡胶态，也称高弹态。在橡胶态，分子链的运动更加自由，不断改变其构象，从蜷曲状态变为伸展状态，但仍以链段运动为主，不是整个分子链的运动，未出现分子链的滑移，形变具有可逆性。处于橡胶态的高聚物柔软而有弹性，宏观上变形很大，受较小的力就可以发生很大的形变，外力除去之后分子链又重新恢复到原来的蜷曲状态，形变可恢复，无*变形。
从以上讨论可知，粘弹阻尼材料的阻尼作用主要发生在玻璃化转变区。这是由于只有温度与Tg 重合才能产生的阻尼效果。阻尼作用产生需要两个条件：一是大分子的链段运动，二是分子运动的内摩擦阻力。没有链段的运动，分子运动的内摩擦阻力就无法显示；
有了内摩擦阻尼，分子链段的运动就不能完全恢复，才能产生能量的损耗。在玻璃化转变区，既有较为明显的链段运动，又有较大的分子内摩擦阻尼，这才会出现显著地阻尼作用。因此在设计阻尼材料时，就是调节阻尼材料的玻璃化温度，使其与工作温度吻合。聚合物玻璃化温度是链段开始运动的温度，玻璃化温度与高分子链的柔顺性和分子之间的作用力有关。影响玻璃化温度主要因素有：
1）分子结构的影响。这是影响高聚物玻璃化温度的主要因素。
2）共聚与共混。共聚与共混通常用来调节玻璃化温度，获得所需要的玻璃化温度范围。例如可以由高Tg 的聚合物与低Tg 的聚合物共聚或共混，得到合适的Tg 范围较宽的阻尼材料配方。
3）增塑剂的影响。加入增塑剂会使分子间作用力僐弱，增大分子链段运动的空间，因此玻璃化温度Tg 下降，玻璃化温度转变区变宽，硫化胶的硬度和模量下降。
4）外界条件。外界条件主要包括升温速率、外压力和频率。一般而言，玻璃化温度随着升温速率的增加、受压缩以及频率的升高而增大。

消声器是一种既能允许气流畅通，又能有效衰减声音的装置。在管道中装置各种类型消声器是降低沿管道传播的噪声的有效措施。消声器的种类很多，根据消声原理的不同，大致可分为三大类型：阻性消声、抗性消声器和排空消声器。
阻性消声器的消声原理是利用装置在管道内的吸声材料或吸声结构的吸声作用，使沿管道传播的噪声不断地被吸收，从而达到消声的目的。在声电类比中，吸声材料或吸声结构的作用相当于交流电路中的电阻。这种消声器的特点是能在较宽的中高频范围内消声。抗性消声器是利用管道中声学性能突变处的声反射作用，例如管道截面突然扩张或旁接共振回路等，沿管道传播的一部分噪声在突变处向声源反射回去而不通过消声器，从而达到消声的目的。抗性消声器的主要类型包括扩张消声器和共振消声器，还包括干涉消声器等形式。总体而言，抗性消声器并不直接吸收声能，在声电类比中，它的作用相当于交流电路中的LC滤波器。抗性消声器的特点是能在低中频范围内有选择地消声。因此为了提高抗性消声器的消声性能，往往采用多多级消声器。多级消声器中，各级消声器之间的声波互互相影响，因此多级消声器的总体特性，不是将各个单节消声器的简单叠加。通常可采用四端网络传递矩阵法进行分析。
在实际消声器设计时，需要考虑声源的频谱特性和实际环境的要求，以设计合理的消声形式，并满足气流的要求。通常而言，对于宽频噪声，可以以要求的消声的频率，来设计相应的阻性消声器中的吸声材料，并该消声器的高频失效问题。同时对于阻性消声器中的吸声材料，还需要结合管道内气流特征和使用要求，以选用合理的吸声材料，如满足现场环保、阻燃和防腐蚀等实际要求。

阻尼的频率变化特性
高分子的运动除了与温度有关外，还与外界条件有关。其中频率的影响和温度影响正好相反。在某一温度下，随着频率由低到高，聚合物经历黏流态、橡胶态和玻璃态。同样存在着类似于玻璃化转变和黏流转变的区域，但频率对分子运动的影响与上图给出的温度影响正好相反。当频率较低时，材料完成一个周期的振动时间较长，**过了大分子的松弛时间，链段运动时间比较充裕，能够跟上振动力的变换。因此在所有时间内，链段运动能够与振动力变化保持一致，处于平衡状态。同时分子链之间的局部相互作用（内摩擦）阻止了链段的远程运动，使整条分子链并未出现相对滑动。由于大分子运动与外力变化同步，因此模量变化不大，滞后较小，内耗也较小，材料呈橡胶弹性，处于这一频率范围的力学状态称为橡胶态。随着频率的增加，聚合物的刚性逐渐增大，当频率足够高时，聚合物完成一个周期的振动时间很短，小于大分子的松弛时间。由于时间不充裕，大分子链来不及做构象的调整而振动力的作用已经过去，在所有时间内，分子的运动都无法保持与应力的变化方向保持一致。这时的链段运动已经很小，应变振幅也很小，材料形变很小，表现出很高的刚性，这与温度低时的玻璃态是相似的。从高弹态向玻璃态转变时出现转变区，此时振动频率与大分子的松弛时间接近，出现了大分子的链段运动，应变振幅较大，大分子链段运动跟不上外力的变化，滞后较大，因此材料呈现粘弹性，模量大幅上升，表现出了的变化速率，而损耗因子则随着频率升高而出现一个值。温度和频率可单独影响力学松弛现象，也可以同时影响力学松弛现象。同一个力学松弛现象既可以在较高温度下，在较高频率下观察到；也可以在较低温度下较低频率内观察。只有当温度和振动频率都处于粘弹性阻尼材料的玻璃化转变区时，材料才有可能具有的损耗因子，耗散更多的机械能。一般而言，温度对损耗因子的影响是位的，频率是*二位的。同时如果恒频率下损耗模量的温度跨度大；那么它在恒温度下频率跨度也大。
如前所述，同一高聚物的各力学状态可以在恒定频率下不同温度范围内表现出来，也可以在恒定温度下不同频率范围内表现出来。这种温度与频率的等效关系也可以从不同频率下测得的动态力学温度谱（DMTA Dynamic Mechanical Thermal Analysis）和不同温度下测得的DMTA 频率谱中体现出来。

另一类在工程中广泛使用的是共振吸声结构。结构都具有各自的共振频率，共振吸声结构的吸声机理是当声波频率与共振吸声结构的固有频率相同时，发生共振。这时声波激发结构产生振动，并使振幅达到，因此从能量守恒的角度，就会使反射声能量的就会小，从而达到吸声的目的。共振吸声结构的吸声特性呈现峰值吸声的现象，即吸声系数在某一频率达到，离开这个频率附近的吸声系数逐渐降低，远离该频率的吸声系数则很小。共振型吸声结构可以在中低频实现良好的吸声性能。