一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法技术

本发明专利技术公开的一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，包括：制作测试样件；测试样件的法向入射吸声系数α；识别曲折度α

【技术实现步骤摘要】
一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法


[0001]本专利技术属于多孔材料的参数识别领域，涉及一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，特别涉及木棉混合纤维的曲折度、粘性特征长度和热特征长度的识别方法。

技术介绍

[0002]参数识别是多孔材料研究的一个重要领域。多孔材料的参数包括流体相参数和固体相参数。流体相参数包括流阻率、孔隙率、曲折度、粘性特征长度和热特征长度，固体相参数包括密度、杨氏模量、泊松比和结构损耗因子。这些参数的精确度直接关系到所建立的多孔材料模型的准确性，以及是否可以准确预测其声学行为。曲折度、粘性特征长度和热特征长度作为多孔材料隔声与吸声性能计算的三个重要参数，在实际的工程应用中，常通过超声波测量技术测试得到。
[0003]超声波测量技术需要使用两种气体，一种是空气，另一种是氦气或者氩气，通过对折射率的高频行为来提取多孔材料的曲折度、粘性特征长度和热特征长度。但超声波测量技术的工作量大，测试成本高。因此，通过理论计算的方法得到多孔材料的曲折度、粘性特征长度和热特征长度具有重要意义。
[0004]要通过理论计算的方法得到多孔材料的曲折度、粘性特征长度和热特征长度，首先必须确定材料的厚度、密度、流阻率、孔隙率和法向入射吸声系数。目前最常用的方法是使用参数反推的商业软件，根据多孔材料的厚度、密度、流阻率、孔隙率和法向入射吸声系数，采用Johnson
‑
Champoux
‑
Allard模型和非线性最小二乘法，识别得到曲折度、粘性特征长度和热特征长度。但该软件只适用于单一一种多孔材料的参数识别，比如玻璃棉、岩棉和发泡类材料，对于多种纤维材料混合而成的多孔材料，则不适用。上海工程技术大学的研究人员提出了一种遗传学算法来推导开孔发泡材料的参数。该方法推导的参数包括材料的流阻率、孔隙率、曲折度、粘性特征长度、热特征长度、密度、杨氏模量、泊松比、结构损耗因子、静态热渗透率，共10个。该技术存在三个不足之处。其一，遗传学算法本身存在容易过早收敛的缺点，不适用用于多目标优化，将遗传学算法用于10个参数的推导，其结果可能并不准确。其二，作者只对流阻率、孔隙率、杨氏模量、泊松比和结构损耗因子的推导结果做了验证，其他参数的推导结果并没有验证其准确性。其三，该方法仍然是针对开孔发泡材料的，并不适用于木棉混合纤维材料。因此，有必要提出一种适用于木棉混合纤维材料的参数识别方法。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，给出了木棉混合纤维多孔材料的曲折度α
∞
、粘性特征长度Λ和热特征长度Λ
′
的识别方法。利用材料的法向入射吸声系数的高频平均值α
high
和孔隙率φ识别曲折度α
∞
。采用Johnson
‑
Champoux
‑
Allard
‑
Lafarge模型，并引入杨氏模量E、泊松比ν和损耗因子η来计算法向入射吸声系数的理论值α
S
。计算法向入射吸声系数理论值α
S
与试验值α的误差，
使用遗传算法寻优，找到误差的最小值，最后输出粘性特征长度Λ和热特征长度Λ
′
。
[0006]为了实现本专利技术目的，本专利技术提供的一种木棉混合纤维多孔材料的曲折度α
∞
、粘性特征长度Λ和热特征长度Λ
′
的识别方法，包括以下步骤：
[0007](1)制作测试样件：将木棉纤维与其他两种纤维材料进行混合，制作成木棉混合纤维多孔材料，然后将木棉混合纤维多孔材料压制成平板样件；使用裁刀从平板样件上裁剪下来不同尺寸的测试样件；
[0008](2)获取测试样件的厚度h、密度ρ
m
、流阻率σ、孔隙率φ、杨氏模量E、泊松比ν、结构损耗因子η：使用激光测厚仪测试得到样件的厚度h；使用电子秤测试得到样件的重量，重量除以体积得到样件的密度ρ
m
；使用流阻测试系统测试得到样件的流阻率σ；使用孔隙率测试系统测试得到样件的孔隙率φ；使用准静态机械分析仪测试得到样件的杨氏模量E、泊松比ν和结构损耗因子η；
[0009](3)设备连接、样件安装：采用阻抗管测试系统，包含两种尺寸的试件筒，大管和小管；将对应尺寸的样件安装在试件筒的一端；安装时样件不能过分受压以致装得太紧而中间鼓起，也不能太松以致样件与试件筒四周有较大缝隙；样件四周的小缝隙涂抹凡士林加以封堵；在样件前端安装两个传声器，传声器连接信号采集前端和数字频谱分析系统；信号发生器连接功率放大器，功率放大器连接声源；
[0010](4)测试样件的法向入射吸声系数曲线：首先用大管测试样件在中低频段内的法向入射吸声系数；然后用小管测试样件在中高频段内的法向入射吸声系数；使用信号采集前端采集测试数据；使用数字频谱分析系统将大管和小管的测试数据进行合并，得到该样件在全频段内的法向入射吸声系数；
[0011](5)识别曲折度α
∞
：利用木棉混合纤维多孔材料的孔隙率φ以及阻抗管测试得到的法向入射吸声系数的高频平均值α
high
，按照以下经验公式计算得到曲折度α
∞
；
[0012]α
∞
＝[φ(2
‑
α
high
)/α
high
]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013](6)计算木棉混合纤维多孔材料的等效质量密度计算公式为
[0014][0015][0016][0017]式中，是以Johnson
‑
Champoux
‑
Allard
‑
Lafarg模型为表征的木棉混合纤维多孔材料的动态密度，计算公式为
[0018][0019]式中，ρ0是空气密度，P0是大气压，ω是角频率，γ是空气比热比，μ是空气动粘度，κ是空气热导率，C
p
是空气恒压比热，Λ是粘性特征长度，Λ
′
是热特征长度，k0′
是静态热渗透率；
[0020]静态热渗透率k
′0的计算公式为
[0021][0022]式中，a是纤维的等效半径。
[0023](7)计算木棉混合纤维多孔材料的弹性参数P、Q、R：计算公式为
[0024][0025][0026][0027]式中，N为中间量，是以Johnson
‑
Champoux
‑
Allard
‑
Lafarge模型为表征的木棉混合纤维多孔材料的动态密度，可按照以下公式计算得到；
[0028][0029][0030](8)计算木棉混合纤维多孔材料中两个纵波的复波数δ1和δ2：计算公式为
[0031][0032][0033]式中，Δ是中间量，可按照以下公式计算得到；
[0034本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，其特征在于包含以下步骤：(1)制作木棉纤维测试样件；(2)获取测试样件的厚度h、密度ρ
m
、流阻率σ、孔隙率φ、杨氏模量E、泊松比ν、结构损耗因子η：(3)测试所述测试样件的法向入射吸声系数曲线：首先测试样件在中低频段内的法向入射吸声系数；然后测试样件在中高频段内的法向入射吸声系数，然后将得到的两种测试数据进行合并，得到该样件在全频段内的法向入射吸声系数；(4)识别曲折度α
∞
：利用木棉混合纤维多孔材料的孔隙率φ以及通过步骤(3)测试得到的法向入射吸声系数的高频平均值α
high
，计算得到曲折度α
∞
；α
∞
＝[φ(2
‑
α
high
)/α
high
]2ꢀꢀꢀꢀ
(1)(5)计算木棉混合纤维多孔材料的三个等效质量密度计算公式为计算公式为计算公式为式中，ρ
m
是测试样件的密度，是以Johnson
‑
Champoux
‑
Allard
‑
Lafarge模型为表征的木棉混合纤维多孔材料的动态密度，计算公式为(6)计算木棉混合纤维多孔材料的三个弹性参数P、Q、R：计算公式为(6)计算木棉混合纤维多孔材料的三个弹性参数P、Q、R：计算公式为(6)计算木棉混合纤维多孔材料的三个弹性参数P、Q、R：计算公式为式中，N为中间量，是以Johnson
‑
Champoux
‑
Allard
‑
Lafarge模型为表征的木棉混合纤维多孔材料的动态体积模量，能按照以下公式计算得到；料的动态体积模量，能按照以下公式计算得到；式中，ρ0是空气密度，P0是大气压，ω是角频率，γ是空气比热比，μ是空气动粘度，κ是空气热导率，C
p
是空气恒压比热，Λ是粘性特征长度，Λ
′
是热特征长度，k
′0是静态热渗透率，σ是测试样件的流阻率；(7)计算木棉混合纤维多孔材料中两个纵波的复波数δ1和δ2：计算公式为
式中，Δ是中间量，按照以下公式计算得到；(8)计算木棉混合纤维多孔材料流体相中两个纵波的特性阻抗和固体相中两个纵波的特性阻抗计算公式为计算公式为计算公式为计算公式为式中，ζ1、ζ2是中间量，能按照以下公式，计算得到；是中间量，能按照以下公式，计算得到；(9)计算法向入射吸声系数的理论值α
S
：计算公式为：计算公式为式中，A和B是中间量，按照以下公式计算得到；式中，A和B是中间量，按照以下公式计算得到；(10)采用遗传算法通过最小化法向入射吸声系数理论值α
S
与步骤(3)中得到的法向入射吸声系数测试值α的误差识别得到粘性特征长度Λ和热特征长度Λ
′
。2.根据权利要求1所述的一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，其特征在于：步骤(1)中，所述木棉纤维测试样件由木棉纤维与其他至少一种纤维材料混合制得。3.根据权利要求2所述的一种木棉混合纤维多孔材料性能参数的识别方法，其特征在
于：其他至少一种纤维材料中，包括聚酯纤维、玻璃纤维、大豆蛋白质纤维中的任一种或多种。4.根据权利要求1所述的曲折度α
∞
、粘性特征长度Λ和热特征长度Λ
′
的识别方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：康英姿，陈彬权，上官文斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：