金属橡胶声学性能研究进展与展望

金属橡胶(metal Rubber, Meталлорезина)是用特定的工艺方法制备而成的一种多孔弹性材料，其内部金属线匝相互交错勾连而形成互相连通的孔隙，且允许空气等流体通过[1]，具有有效孔隙率高(0.13～0.95)、比表面积大、耐高低温、抗腐蚀、抗疲劳老化等优点[2]。由于其组织结构符合多孔吸声材料的特征，其样品图片如图1所示，所以在分类上可归为纤维类吸声材料。金属橡胶作为一种多孔声学元件，当声波入射到金属橡胶内部时，使孔隙中的空气运动，与金属线匝发生摩擦，由于空气的黏滞性和热传导效应，声能转化为热能耗散掉，从而达到吸声的目的[3]，其声学性能的研究亦具有广阔的工程应用前景(尤其是在恶劣环境中吸声的应用)。俄罗斯的萨玛拉国立航空航天大学、哈尔滨工业大学的姜洪源及其科研团队、北京航空航天大学的马艳红及其科研团队、福州大学的白鸿柏及其科研团队等先后对金属橡胶的声学性能及其工程应用进行研究。故本文从金属橡胶材料的制备工艺出发，对金属橡胶声学性能的理论与试验研究及其工程应用进展进行综述，重点分析不同结构形状金属橡胶的工艺参数、装配参数以及使用环境对其吸声性能的影响，同时对金属橡胶声学性能研究的后续工作进行展望。

(a) 样品实物图[4]

(b) SEM图[5]

(c) 表面CT扫描图[6]

(d) 横截面X-ray图[5]

图1 金属橡胶样品图片

Fig.1 metal rubber sample

1 金属橡胶材料的制备工艺

金属橡胶作为一种新型的多孔弹性声学材料，采用金属丝作为原材料，制备流程如下：包括选择金属丝(牌号和直径)、线卷绕制、螺旋卷定螺距拉伸、缠绕/编织或铺设/铠装毛坯、一次或分步多次冷冲压、后处理等工序[7]，如图2所示。金属橡胶材料在制备工艺上具有设备工装消耗小、制备成本较低等优点[8]，且其孔隙率可控，易于制成各种复杂的形状[9]。在新制备工艺不断发展的背景下，金属橡胶的制备将逐渐走向机械化、自动化，伴随着金属橡胶应用背景和研究发展的需要，所设计构件的结构尺寸、性能的一致性将随着制备工艺的进步而稳步提升[10]，这对其声学性能的研究起着至关重要的作用。

图2 金属橡胶制备工艺流程

Fig.2 metal rubber preparation process flow

2 金属橡胶声学性能的理论与试验研究

2.1 金属橡胶材料吸声理论模型的研究

在研究之初，需要通过大量的试验研究来获得频率、材料参数和结构参数等与金属橡胶材料吸声性能的关系，然后经过材料特性参数的影响因素分析，最后开展理论研究工作。

2.1.1 基于经验模型的金属橡胶吸声模型

经验模型比较简单，所需材料属性参数少，但是其不能对微观结构的影响进行描述[11]。姜洪源等[12]根据经验模型，结合试验求得所需参量，建立了金属橡胶材料声学特性参数的经验公式；Safin等[13]建立了确定金属橡胶材料流阻率的数学模型，计算了金属橡胶样品的流阻率、吸声系数等参量，经验模型的拟合情况如图3(a)所示。

2.1.2 基于均匀、各向同性多孔材料理论模型的金属橡胶吸声模型

在均匀、各向同性多孔吸声材料的基本理论上，姜洪源等[14-16]推导了金属橡胶材料声学参数的理论计算公式，通过加入平均孔隙直径参数完善计算模型，Izzneurrov等[17]根据试验研究的结果确定了金属橡胶材料的结构因子，通过解析表达式进行近似表征，该模型理论值与试验值拟合较好，如图3(b)所示。

另外，在共振吸声参数计算方面，Izzneurrov等[18-19]对金属橡胶材料的第一共振频率及吸声系数进行理论研究，推导了金属橡胶的第一共振频率和反共振频率方程。

2.1.3 基于瑞利模型的金属橡胶吸声模型

在建立金属橡胶的理论吸声模型时，马艳红等[20]以瑞利模型为基础，推导了吸声系数的计算公式，理论计算结果和试验结果的拟合如图3(c)所示。拟合存在误差的原因是将金属橡胶内部微观结构进行有序化，与实际金属橡胶内部孔隙的大小及排列方式不一致[21]。

2.1.4 基于孔的内流模型的金属橡胶吸声模型

基于孔的内流模型具有较高的计算精度和明确的物理意义，但是需要的材料属性参数较多。李一峰等基于Johnson-Allard刚性骨架多孔材料内流吸声模型，进行了理论公式推导，在试验数据基础上对材料参数进行拟合，得到了材料参数和结构参数与吸声性能的关系[11]。

2.1.5 基于湍流物理模型的金属橡胶吸声模型

金属橡胶材料从表面到内部有大量相互贯通且混乱的孔隙，这类似于湍流的不规则性和准周期性，胡志平等[22]从湍流物理模型出发，凭借湍流的统计处理方法，定量分析了金属橡胶材料的吸声特性，得到了金属橡胶材料的能量耗散率随结构参数变化的表达式。

(a) 基于经验模型

(b) 基于均匀、各向同性多孔材料理论模型

(c) 基于瑞利模型

图3 不同模型吸声系数理论值与试验值比较

Fig.3 Comparison between theoretical and experimental values of sound absorption coefficients of different models

2.2 金属橡胶声学性能测试方法的研究

通过声学试验研究可以确定影响金属橡胶声学性能的敏感因素和非敏感因素，为后续理论研究和工程应用提供试验依据。另一方面，在理论研究时，某些不能通过计算定量求出的参数需要通过试验直接或间接获得。

对材料声学性能的测量方法主要有混响室法和阻抗管法：混响室法精度高但对设施条件要求高，用于无规入射吸声系数的测量，多用于工程领域的研究；阻抗管法，如图4所示，安装测量方便，用于法向入射吸收系数的测量，满足当下科研试验精度要求[23-24]。

金属橡胶试件装在一平直、刚性、气密的阻抗管一端，声波由声源产生，通过测量靠近样品的两个位置的声压，利用驻波比法[25]或传递函数[26]即可求得测量试件的吸声系数和声阻抗。为了使用驻波管对金属橡胶材料的吸声性能进行更为准确的测量，武国启等[27]分析了测试方法的主要误差来源并检测了误差大小，获得了提高测量准确度的方法。Dong等[28]采用驻波管测试金属橡胶样品的吸声系数，表明孔隙率为0.67～0.90的金属橡胶材料是严苛环境下的潜在吸音组件。Safin等[29]通过试验研究了新工艺制备的金属橡胶材料的基本声学性能，得到了新工艺制备的产品孔隙率与吸声系数之间的关系，如图4(d)所示，其还根据试验研究的结果得出了金属橡胶材料比多孔铝等材料具有更高的吸声系数的结论，如图4(e)所示，并指出金属橡胶存在材料质量较大的缺点[30]。

2.3 单层结构圆形金属橡胶声学性能的研究

单层吸声结构是其他结构设计研究的基础[31]，由于试验主要采用阻抗管法，故研究的主要对象是圆形金属橡胶，主要包括两种基本形式，如图5所示。

2.3.1 金属橡胶工艺参数对吸声性能的影响

在研究金属橡胶工艺参数对吸声性能的影响时，对照组通常采用单层金属橡胶置于刚性墙的配置。

(1) 金属橡胶材料丝径的影响

(a) 驻波管测试仪实物图与结构简图

(b) 金属橡胶吸声试件

(c) 阻抗管原理图和实物图

(d) 阻抗管与试件的安装图、样品吸声系数比较(重复性研究、新旧制备工艺)

(e) 金属橡胶、多孔铝、烧结青铜吸声系数比较

(f) 测试系统示意图

图4 金属橡胶材料阻抗管法声学试验的研究

Fig.4 Acoustic tests of metal rubber materials: impedance tube

图5 单层金属橡胶的基本结构[32]

Fig.5 Basic structure of monolayer metal rubber[32]

从图6(a)和图6(b)所示的研究结果可知，减小金属橡胶丝径，吸声性能有所提高。经分析可知，金属丝直径减小，空气与金属丝接触面积增加，这增大了黏滞摩擦与热传导损耗。

(2) 金属橡胶材料孔隙率的影响

孔隙率太小，使得声波入射困难，难以产生能量耗散；孔隙率太大则材料稀疏，声波入射后不容易发生二次或者多次反射。故孔隙率太大或太小都不利于吸声，图6(c)和图6(d)所示的理论计算与试验研究结果也说明这一点。

(3) 金属橡胶材料厚度的影响

从图6(e)和图6(f)所示的研究结果可知，随着金属橡胶材料厚度的增加，声波在材料内的传播距离增加，致使增大了声波在材料内的衰减，从而提高低频吸声性能。而当厚度较大时，声波在材料内可近似为无反射传播，大部分声波在材料表面被吸收。

(4) 金属橡胶材料其他表征参数的影响

在研究时还引入其他参数对金属橡胶材料的吸声性能进行表征：① 金属橡胶材料流阻率的影响：流阻表征了材料的透气性，奚延辉等[33]采用自制的试验装置测量了材料的流阻，得到流阻随材料孔隙率变化的规律。武国启等确定了流阻率是影响声学特性的一个参数，其对吸声性能的影响类似于材料厚度的情况；② 金属橡胶材料平均孔隙直径(孔隙水力直径)的影响：平均孔隙直径表征了材料内部孔隙的平均大小，Igolkin等[34]将对吸声特性的一个影响因素归结为水力直径。姜洪源等[35]根据试验研究结果得出了具有相同平均孔隙直径的等厚度金属橡胶材料具有相同的吸声特性的结论。

图6 金属橡胶工艺参数对吸声性能的影响

Fig.6 Effect of process parameters of metal rubber on sound absorption performance

2.3.2 金属橡胶装配参数对吸声性能的影响(主要指背后空腔厚度)

从图7的理论计算与试验研究结果可知，金属橡胶材料背后空腔厚度增加，共振峰往低频移动，提高了低频吸声性能，其效果相当于增加了材料厚度，且空腔厚度较大时仍存在共振现象。在实际工程中，吸声材料的安装空间有限，而且对材料质量有要求，故可通过背后空腔的设计实现减重需求。

图7 金属橡胶装配参数对吸声性能的影响

Fig.7 Effect of metal rubber assembly parameters on sound absorption performance

2.3.3 金属橡胶使用环境对吸声性能的影响

(1) 吸湿性对金属橡胶材料吸声性能的影响

多孔材料在潮湿环境中容易发生孔隙堵塞的情况，使材料发生变质，从而影响材料吸声性能。姜洪源等用未含水和含水3.3%的金属橡胶进行试验研究，根据图8(a)和图8(b)所示的结果得到了金属橡胶可在潮湿环境下工作的结论[23]。马艳红等也通过试验研究考察了吸湿性对金属橡胶吸声性能的影响，如图8(c)所示，由于金属橡胶的吸湿性小(一般小于5%)，故对其吸声性能影响不大[36]。

图8 吸湿性对金属橡胶材料吸声性能的影响

Fig.8 Effect of hygroscopicity on sound absorption performance of metal rubber

(2) 声压级对金属橡胶材料吸声性能的影响

根据工程应用中金属橡胶在高声压级噪声环境中的使用需求，需对其非线性吸声特性进行理论及试验研究。姜洪源等根据Forchheimer非线性修正方法，建立了金属橡胶材料的非线性有效密度计算公式和声质点速度方程，根据图9所示的理论计算及试验测量的结果，得到了通过增加金属橡胶材料的静态流阻率和厚度可使非线性效应降低的结论[32]。

图9 声压级对金属橡胶材料吸声性能的影响

Fig.9 Effect of sound pressure level on sound absorption performance of metal rubber

2.4 其他结构、形状金属橡胶声学性能的研究

在单层结构圆形金属橡胶声学性能研究的基础上，对串联结构和并联结构金属橡胶的声学性能进行研究；考虑到迎声面形状的影响，还需对方形金属橡胶的声学性能进行研究。

2.4.1 串联结构圆形金属橡胶的吸声性能

对于如图10(a)所示的金属橡胶的双层串联结构，武国启等[37]推导了吸声系数和声阻抗率计算公式，从图10(b)～图10(e)的理论计算结果可知，第二层材料厚度的增加、适当调整材料流阻率和背后空腔厚度，可以增加吸声频带宽度。付璐将孔隙率不同的金属橡胶三个为一组进行串联试验，图10(f)的结果表明当孔隙率按由低到高顺序进行排布时，其吸声性能优于由高到低的排布顺序[9]。

图10 串联结构圆形金属橡胶吸声性能的研究

Fig.10 Sound absorption performance of circular metal rubber with series structure

2.4.2 并联结构圆形金属橡胶的吸声性能

将孔隙率不同的内外环金属橡胶进行并联，如图11(a)所示的结果表明同一截面处金属橡胶位置对其吸声性能无影响。对不同厚度的内外环金属橡胶进行组合，设计成阶梯背后空腔结构，如图11(b)所示的试验结果表明，该设计可一定程度上改善低频吸声性能[9]。

图11 并联结构圆形金属橡胶吸声性能的研究

Fig.11 Sound absorption performance of circular metal rubber with parallel structure

2.4.3 方形金属橡胶的吸声性能

为了研究迎声面的形状对吸声性能的影响，付璐使用方形有机玻璃阻抗管进行试验，如图12所示，尽管两套测试系统有所不同，但仍可判定形状对金属橡胶的吸声性能基本无影响；厚度、丝径、孔隙率、背后空腔的影响规律与圆形金属橡胶一致；方形金属橡胶串联排布的位置对吸声性能的影响亦同圆形金属橡胶类似[9]。

图12 方形金属橡胶吸声性能的研究

Fig.12 Sound absorption performance of square metal rubber

2.5 金属橡胶吸声性能预测的研究

上述研究人员的研究基于大量的试验，花费大量的时间和经费来制备和测试样品，此外，通过试验只能得到特定样品的吸声性能，很难在任意材料和结构参数下获得金属橡胶的声学特性[38]。近年来，人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)在声学材料研究中得到了广泛的应用[39-41]，极大地减轻了材料设计中的试验工作，但其前提是需要试验数据的积累、共享以及材料声学性能数据库的建立[42]。付璐[9]通过神经网络算法，对金属橡胶其他参数下的吸声性能进行预测，如图13(a)所示，并根据试验数据进行修正，使其具有更好的实际应用性。Guan等[38]采用广义回归神经网络(General Regression Neural Network, GRNN)方法，对于具有随机结构参数的金属橡胶的吸声性能进行预测，图13(b)所示结果表明该方法可用于工程领域金属橡胶材料的设计和声学性能的预测。

2.6 金属橡胶复合材料声学性能的研究

由于金属橡胶单一组分材料吸声机制受限，为了获得更优的声学性能，将其与其他材料结合，形成金属橡胶复合材料。考虑到金属橡胶材料在低频下(低于1 000 Hz)吸声性能较差的情况，李拓等根据局域共振原理设计了一种如图14(a)所示的以金属橡胶为骨架、酸性硅酮为基体、铅珠为散射体的复合材料，根据表1的参数设置制备了不同的试样，试验结果如图14(b)所示：通过降低金属丝填充率、增大铅珠直径、增加铅珠填充率等措施能提高材料的低频吸声性能；增加背后空腔厚度使共振吸声频率向低频方向移动[43]。

(a) 神经网络吸声系数预测值与实测值的比较

(b) 不同频率下吸声系数预测值和实测值的比较

图13 金属橡胶吸声性能预测的研究

Fig.13 Prediction of sound absorption performance of metal rubber

表1 试样参数

Tab.1 Parameters of samples

3 金属橡胶材料声学应用的研究

金属橡胶不仅具有优异的吸声性能，还具有良好的环境适应性以满足恶劣环境中吸声降噪的需要。降低燃气轮机噪声是解决飞机噪声问题的一个有效的途径[44]，Safin等[45]研究了弹性多孔金属橡胶吸声元件的声学特性数学模型，推导出了降噪因子与金属橡胶特性之间的关系，如图15(a)所示，使得其在较宽的频率范围内实现对燃气轮机噪声的有效吸收。图15(b)的研究结果表明，在卫星飞轮壳体上安装金属橡胶吸声元件后，其噪声降低了15 dB[9]。Kalinin[46]计算了在给定材料和水的通道内传播声波的声能量损失，如试验研究结果图15(c)所示。评估了金属橡胶多孔材料在流体工作环境的管道系统中降低水动力学噪音的有效性。

(a) 局域共振单元示意图、金属橡胶复合材料宏观形貌及阻抗管结构简图

(b) 不同试样(1～9)的吸声系数及试样2不同背后空腔厚度的吸声系数曲线

图14 金属橡胶复合材料声学性能的研究

Fig.14 Acoustic properties of metal rubber composite

除上述公开的一些报道外，金属橡胶作为一种阻尼多孔材料，潜在的减振降噪应用研究还有潜艇静音等。

4 总结和展望

4.1 总 结

目前，国内外关于金属橡胶声学性能方面研究的报道较少，就现有的理论、试验、工程应用研究结果而言，金属橡胶具有作为多孔吸声材料的结构特征、一般物理特性和吸声频率特性，尤其是拥有在恶劣环境下(如潮湿、腐蚀、高低温、大载荷等)作为吸声材料的潜力。通过金属橡胶材料吸声模型的理论计算与阻抗管声学试验的研究可得：

(1) 对于单层结构金属橡胶而言，可通过适当减小金属丝直径、调节孔隙率、增加材料厚度、调节流阻率、增加背后空腔厚度等措施改善金属橡胶的吸声效果。

(2) 串联结构金属橡胶通过各层材料声学特性的耦合来拓宽吸声频带；在并联结构金属橡胶中引入背后空腔可在不增加质量的情况下改善材料的吸声性能。

(3) 通过方形与圆形金属橡胶吸声性能的研究可初步判定迎声面形状对金属橡胶吸声性能无影响。

(4) 吸声性能预测的研究利于减少试验研究工作，但需要提前准备大量的试验数据。

金属橡胶制备工艺较为简单，其热导率较高，有利于材料中的能量转换与吸收，但存在质量重的缺点。经过文献调研，可以发现目前的研究还存在一些不足：

(1) 金属橡胶恶劣环境下声学性能的研究。尽管目前已有相关工程应用的研究，但仍缺乏对金属橡胶在恶劣环境下声学性能系统的理论与试验研究。

(2) 金属橡胶材料隔声性能的研究。先前对金属橡胶材料声学性能的研究绝大多数集中于吸声性能的研究，缺乏对其隔声性能的研究。

(3) 金属橡胶材料高声压级噪声环境下声学性能的进一步研究。目前对低声压级(即线性条件下)的研究较为完备，而在高声压级(即非线性条件下)的研究较为缺乏[47]。

4.2 展 望

根据目前金属橡胶声学性能的研究进展，今后可开展的研究工作有：

(1) 金属橡胶材料声学性能数值仿真的研究。仿真驱动设计，提升金属橡胶声学元件及相关产品的质量，降低试验验证成本，缩短开发周期，通过设计优化加速技术创新。

(a) 数据拟合，降噪系数NRC与试样厚度h及水力直径dh的关系，吸声系数计算值与试验值的比较

(b) 有无安装金属橡胶的噪声测量结果

金属橡胶构件

节流阀结构

具有金属橡胶的消声器有限元模型

消声器的声能损失

(c)

图15 金属橡胶材料声学应用的研究

Fig.15 Acoustic applications of metal rubber materials

(2) 金属橡胶材料微/细观结构表征及其声学性能的研究，与金属橡胶刚度特性的细观机理研究类似[48]，可以借鉴多孔纤维吸声材料的研究方法[49-50]进行研究。

(3) 金属橡胶材料多物理场耦合的研究。在工程应用中，物理声学现象不都是单独存在的，常见的耦合情况有声-结构耦合、热声-结构耦合、声-压电耦合等。

(4) 金属橡胶复合声学材料的研究。将新的吸声机制引入金属橡胶，探究金属橡胶在新机制下的吸声降噪机理。