微穿孔板-聚合物层状结构材料的制备和吸声性能

doi:10.11901/1005.3093.2020.401

微穿孔板-聚合物层状结构材料的制备和吸声性能

徐稳, 王知杰, 朱雯雯, 彭子童, 姚楚, 游峰, 江学良^,

武汉工程大学材料科学与工程学院武汉 430074

Preparation and Sound Absorption Properties of MPP-polymers Layered Structure Materials

XU Wen, WANG Zhijie, ZHU Wenwen, PENG Zitong, YAO Chu, YOU Feng, JIANG Xueliang^,

School of Material Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China

通讯作者: 江学良，教授，jiangxl@wit.edu.cn,研究方向为有机-无机杂化材料与功能高分子材料

收稿日期: 2020-09-27 修回日期: 2020-11-02 网络出版日期: 2021-07-29

基金资助:

国家自然科学基金. 51273154
武汉工程大学研究生教育创新基金. CX2019056

Corresponding authors: JIANG Xueliang, Tel:(027)87194849, E-mail:jiangxl@wit.edu.cn

Received: 2020-09-27 Revised: 2020-11-02 Online: 2021-07-29

作者简介 About authors

徐稳，男，1994年生，硕士生

摘要

以微穿孔板(MPP)、聚氨酯泡沫(PU)、丁腈橡胶(NBR)和空腔(AG)为原料，根据不同的结构顺序分别制备出MPP-AG共振结构、MPP-PUFM层状结构、MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料和NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料，研究了MMP穿孔率、PUFM厚度、泡沫层孔径、泡沫厚度和结构交替顺序对复合材料吸声性能的影响。结果表明：在频率较低的条件下MPP穿孔率越低或在较高频率条件下MPP穿孔率越高，层状结构材料的吸声系数越高；随着PUFM厚度的增大层状结构材料的共振峰值频率向低频方向移动。与MPP-PUFM层状结构材料相比，MPP-AG-NBR-PUFM在500~1600Hz频率范围的平均吸声系数由0.58提高到0.66；NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料具有优异的中低频吸声性能，频率为400 Hz时最大吸声系数达到0.94，频率为2700 Hz时吸声系数达到0.85。

关键词： 复合材料 ; 微穿孔板 ; 聚氨酯泡沫 ; 丁腈橡胶 ; 层状结构 ; 吸声

Abstract

MPP-AG resonance structure, MPP-PUFM layered structure, MPP-AG-NBR-PUFM multilayer structure material and NBR-PUFM-MPP-AG multilayer structure material were respectively prepared taking micro-perforated panel (MPP), polyurethane foam (PU), nitrile rubber (NBR) and cavity (AG) micro materials as raw materials, which were placed separately in desired structural order. The effect of MMP perforation rate, PUFM thickness, pore size of foam layer, thickness of foam and alternation order of structure on sound absorption properties of composite materials were investigated. The results show that: at lower frequency, the smaller the MPP perforation rate, and at higher frequency, the higher the MPP perforation rate, the higher the sound absorption coefficient of layered structure materials; With the increase of PUFM thickness, the resonance peak frequency of layered structure materials gradually moves toward the low frequency direction. In comparison with MPP-PUFM, the average sound absorption coefficient of MMP-AG-NBR-PUFM increases from 0.58 to 0.66 in the frequency range of 500~1600 Hz; NBR-PUFM-MPP-AG multi-layer structure material shows excellent sound absorption performance by low and medium frequencies, with the maximum absorption coefficient of 0.94 at 400 Hz and 0.85 at 2700 Hz.

Keywords： composite ; micro-perforated plate ; polyurethane foam ; nitrile rubber ; layered structure ; sound absorption

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本文引用格式

徐稳, 王知杰, 朱雯雯, 彭子童, 姚楚, 游峰, 江学良. 微穿孔板-聚合物层状结构材料的制备和吸声性能. 材料研究学报[J], 2021, 35(7): 535-542 DOI:10.11901/1005.3093.2020.401

XU Wen, WANG Zhijie, ZHU Wenwen, PENG Zitong, YAO Chu, YOU Feng, JIANG Xueliang. Preparation and Sound Absorption Properties of MPP-polymers Layered Structure Materials. Chinese Journal of Materials Research[J], 2021, 35(7): 535-542 DOI:10.11901/1005.3093.2020.401

近年来，噪声污染越来越严重。使用吸声材料或吸声结构，可将噪声源的声能转化为热能^[1]。吸声材料因其本体阻尼或发生结构共振而吸收声波，其吸声能力可用吸声系数表征^[2]。传统的吸声和隔声材料，通过多孔结构延长声波的传播路径。通过结构设计或穿插另类介质减弱声波的振动强度，可实现吸声和隔声。但是，这只对特定频率噪声的吸收效果较佳。应用在宽频范围的吸声材料，其价格较高。在实际应用中，噪声控制既要考虑科学性和合理性，还要考虑成本。使用吸声材料，是目前噪声控制应用最广泛、简单和有效的手段^[3]。

聚合物泡沫是一种多孔介质，其内部的空气摩擦和相邻聚合物链之间的粘滞摩擦使部分入射声能以热的形式耗散，是一种广泛应用的吸声材料。关于多孔结构材料吸声性能的影响因素，有许多文献报道。裴春明等^[4]用多孔材料和微穿孔板制备了4种复合吸声结构，多孔材料与微穿孔板^[5,6]的组合拓宽了吸声频带，两层间的空气腔也使吸声性能提高。刘培生^[7,8]研究了孔径、比表面积和孔隙形貌的测定方法，为了解多孔材料孔道结构与吸声性能的关系提供了途径。孟文哲等^[9]分析和设计规则孔型泡沫金属，研究了比表面积、孔隙率和材料厚度的最佳匹配关系。刘伟伟等^[10]制备了孔结构周期调制的多孔铝合金，发现不同孔径层调制分布对吸收频率高于2 kHz的声波有较大的影响。聚氨酯泡沫(PUFM)材料具有良好的隔音性能、低导热性和低密度，广泛用于座椅、缓冲、绝缘和填料^[11~14]。以聚氨酯为主体或添加各种无机填料，可提高塑料泡沫的吸声性能究。陈明轩等^[15]研究了AC发泡剂用量对聚氨酯发泡塑料吸声性能的影响。Mohammad等^[16]研究聚氨酯泡沫材料微观几何形状变化对其宏观声学性能的影响和拓展已有的声学模型^[17]，表明非声学参数对复合材料吸声性能的影响。Lee等^[18]制备聚氨酯泡沫与纳米二氧化硅复合材料，研究了异氰酸酯指数、孔径、密度和多元醇分子量对聚氨酯/纳米二氧化硅泡沫材料吸声率的影响。结果表明，提高纳米二氧化硅含量和增大泡沫孔径使材料吸声性能提高的主要的原因。Geng等^[19]将羰基铁粉(CIP)加入聚氨酯泡沫材料中开发出一种新型磁声弹性体材料，发现CIP的加入使复合材料的低频吸声性能提高。

单纯聚氨酯泡沫的吸声机理单一，吸声频段较窄，影响对低频噪声的吸收性能。Li等^[20]使用针孔针织物(上层)、柔性聚氨酯(中层)和尼龙(下层)制备“三明治”结构复合吸声材料，研究了针刺织物组分、孔结构和织物泡沫界面对复合夹层吸声和压声性能的影响。结果表明，与纯聚氨酯泡沫相比，针刺复合纤维的吸声系数和抗压强度分别提高了223%和121%。Jiang等^[21]将钛酸钡/丁腈橡胶(BT/NBR)与聚氨酯(PU)泡沫复合制备一种具有交替多层结构的吸声材料，研究了聚氨酯泡沫的胞元大小和交替单元数对材料吸声性能的影响。结果表明，聚氨酯泡沫孔径越小其在低频范围的吸声效果越好。

本文以铝板和聚乳酸为原料制备微穿孔板，将其与聚氨酯泡沫进行层状复合，将MPP-AG共振结构与NBR-PUFM复合材料进行层合，根据结构顺序的不同分别制备出MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料和NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料，研究微穿孔板的穿孔率、聚氨酯泡沫的孔径和厚度等结构参数以及结构交替顺序对其吸声性能的影响。

1 实验方法

1.1 微穿孔板的制备

采用数控机床自动钻孔技术制备两种不同开孔率的铝(工业级，市售)制微穿孔板(AMPP)材料a和b。结构参数列于表1。材料的厚度t和直径D分别为1 mm和100 mm，孔径d为1mm，开孔率σ分别为2%和5%。按上述要求制作出相同规格直径为30 mm的铝制微穿孔板，用于测试吸声系数。采用3D-打印技术制备三种不同厚度的聚乳酸(PLA-100)制微穿孔板(PMPP)材料c、d和e，直径D为100 mm，孔径d为1 mm，开孔率σ为2%，厚度t分别为5 mm、10 mm、15 mm。按上述要求再制作出相同规格、直径为30 mm的聚乳酸制微穿孔板，用于测试吸声系数。

表1 两种穿孔板吸声结构的结构参数

Table 1 Structural parameters of the MPP test specimens

Parameters	d/mm	t/mm	D/mm	σ/%
a	1	1	100,30	2
b	1	1	100,30	5
c	1	5	100,30	2
d	1	10	100,30	2
e	1	15	100,30	2

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1.2 丁腈橡胶的硫化

将丁腈橡胶(NBR，N41)和添加剂(GUERQI V5)在双滚筒开炼机上初混合25 min，添加组分的顺序为ZnO 5 phr，硬脂酸1.5 phr，硬脂酸锌1.5 phr，促进剂TMTD 2 phr，促进剂CZ 1 phr，防老剂4010 1 phr，硫磺1.5 phr，炭黑15 phr，充分混炼后打8~10个三角包出片。将混炼胶在室温下停放24 h后返炼5 min，然后放入直径为100 mm的圆形模具内，在平板硫化机上进行硫化。硫化温度、时间、压力分别为160℃、15 min、15 MPa。

1.3 层状结构材料的制备

以聚氨酯泡沫(PUFM，优级品)作为软层材料，用GUERQI V5胶粘剂对丁腈橡胶和PUFM材料进行均匀喷涂，30 s后即制备出双层、夹层以及多层周期结构复合材料。

MPP-AG共振结构如图1a所示，MPP-PUFM层状结构如1b所示，MPP-AG-NBR-PUFM多层结构如1c所示和NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料如图1d所示。

图1

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图1 微穿孔板层状结构的示意图

Fig.1 Schematic diagram of MPP materials of layer structure (a) MPP-AG, (b) MPP-PUFM, (c) MPP-AG-NBR-PUFM, (d) NBR-PUFM-MPP-AG

1.4 材料的表征

用BK300光学显微镜观察聚氨酯泡沫的微观形貌，放大倍数为40、100倍。使用Nano Measurer粒度分析软件表征聚氨酯泡沫的孔径及分布。按照国标GBT 18696.2-2002使用SW-422&SW477型阻抗管声学测试系统测量微穿孔板层状结构材料的吸声性能。

2 结果和讨论

2.1 穿孔率对AMPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

穿孔率分别为2%和5%的AMPP-PUFM层状结构材料的吸声曲线，如图2所示。由图2可见，AMPP-PUFM层状结构材料的穿孔率表现出双峰特征，吸收频宽也比较高。频率较低时AMPP穿孔率较低，层状结构材料的吸声系数也低；而在频率较高时AMPP穿孔率较高，层状结构材料的吸声系数也高。

图2

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图2 穿孔率对MPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

Fig.2 Effect of the perforation ratio on sound absorption properties of the MPP-PUFM composites with stratified structure

2.2 材质对MPP-AG共振结构吸声性能的影响

图3分别给出了用金属铝和聚乳酸制备的MPP-AG共振结构的吸声曲线，其结构参数相同：d=1 mm，t=1 mm，σ=2%。图3表明，两种结构的吸声系数曲线基本吻合，因为微穿孔板的声质量大致只与穿孔率有关。两种结构材料的声质量没有明显的改变。而在800~2500 Hz频率范围内PMPP-AG结构的吸声性能略微高于AMPP-AG结构，其原因可能是实验用AMPP是用数控机床自动钻孔技术加工制作的。在制备过程中在孔径内侧留有毛刺，去除毛刺使孔径比理论值稍大，使声阻略有降低，使实验结果比用3D-打印制备的PMPP-AG共振结构材料略低。

图3

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图3 材质对MPP-AG共振结构吸声性能的影响

Fig.3 Effect of the kinds of materials on sound absorption properties of the MPP-AG resonance structures

因为微穿孔板材质对层状复合材料的吸声性能影响不大，且与金属微穿孔板相比聚合物材料的成本低、质量轻和成型工艺简便，因此后文以聚乳酸微穿孔板(PMMP)为对象，探究影响层状结构吸声性能的因素。

2.3 MPP厚度对MPP-AG共振结构吸声性能的影响

MPP-AG共振结构材料的总厚度为50 mm，所研究的MPP厚度分别为5 mm、10 mm及15 mm。图4给出了MPP厚度对MPP-AG共振结构吸声性能的影响。由图4可见，MPP厚度对吸声系数有显著的影响。MPP板厚为5 mm时吸声峰值频率为500 Hz，吸声系数为0.94。随着MPP厚度的增加MPP-AG共振结构的吸声峰值逐渐降低，峰值频率逐渐向低频方向移动，从500 Hz移至250 Hz。根据微穿孔板吸声的基本理论，共振吸声频率为

f_{0} = \frac{c_{0}}{2 π} \sqrt[]{\frac{σ}{D t}}

其中c₀为声波在空气中的传播速度，σ为穿孔率，D为后背空腔深度，t为微穿孔板厚度。上式表明，板厚t的增加使共振吸声频率f₀降低，与实验结果一致。

图4

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图4 MPP厚度对MPP-AG共振结构吸声性能的影响

Fig.4 Effect of thickness of MPP on sound absorption properties of the MPP-AG resonance structures

2.4 PUFM厚度对MPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

图5给出了PUFM厚度不同的MPP-PUFM层状结构材料的吸声曲线。由图5可见，在微穿孔板其他结构参数不变的条件下，随着PUFM厚度的增加层状结构材料的共振峰值频率向低频方向移动。PUFM厚度为50 mm时穿孔率σ为2%和5%的层状结构材料的共振峰值分别为0.86和0.78。与图4相比，MPP-PUFM层状结构的吸声效果比MPP-AG共振结构更优异。其原因是，多孔材料的填充使气体流阻增大，多孔材料中的孔洞使MPP内的气隙与PUFM之间的共振效应加强。同时，PUFM加厚相当于在空腔中添加介质。空腔内PUFM厚度的增加使空腔的声容变大，共振频率向低频方向移动，因此提高了低频吸声效果。由此可以得出结论：与单层微穿孔板结构类似，MPP-PUFM层状结构的穿孔率降低或多孔材料填充厚度增加都使低频性能改善，且这种结构能显著提高单层微穿孔板的吸收频带宽度。

图5

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图5 PUFM厚度对MPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

Fig.5 Effect of thickness of PUFM on sound absorption properties of the MPP-PUFM composites with stratified structure (a) σ=0.02, (b) σ=0.05

2.5 孔径对MPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

发泡材料的声学性能，与其泡孔特征如孔径、孔径分布等密切相关。图6给出了不同孔径PUFM材料的光学显微照片。图6a和6b分别给出了孔径较小(SPUF)和孔径较大(LPUF)的PUFM材料的孔径图像。图6c表明，SPUF的孔径分布更加均匀，SPUF和LPUF的平均孔径分别为425.55 μm和710.00 μm。

图6

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图6 PUFM材料的光学显微镜照片和孔径分布

Fig.6 Optical microscope images and cell distributions of PUFM composites (a, a') OM images of the SPUF, (b, b') OM images of the LPUF, (c) cell distributions

图7给出了MPP-PUFM层状结构材料的吸声曲线，其中分别填充了平均孔径为422.55 μm和710 μm的PUFM。图7表明，在其他结构参数一定的条件下，频率低于700 Hz时，填充了孔径尺寸较小PUFM的层状结构材料其吸声系数高于填充了较大孔径尺寸的材料。中高频频带的吸声性能则与此相反，因为填充的泡沫材料可看成微孔组成的结构。声波顺着微孔进入材料内部引起泡孔内中的空气振动，泡孔尺寸变小时引起空气振动所需的能量降低，使低频声波更容易耗散。同时，微孔板孔结构的自振频率较低，频率较低的声波与微穿孔板、泡孔空腔发生共振并激发整个系统振动，使振幅达到最大，从而消耗更多的声能。因此，泡沫孔径越小其低频声波耗散的能力越强，吸声效果更好。

图7

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图7 PUFM的孔径对MPP-PUFM层状结构材料吸声性能的影响

Fig.7 Effect of the cell size of PUFM on sound absorption properties of the MPP-PUFM composites with stratified structure

2.6 不同结构MPP层状结构材料的吸声性能

图8给出了4种MPP层状结构材料的吸声曲线。可以看出，在厚度相同的条件下，MPP-AG-NBR-PUFM结构能将MPP-AG共振结构材料和MPP-PM层状结构材料的吸声频带拓宽，频率为500~1600 Hz的平均吸声系数由0.58提高到0.66；在400 Hz、2500 Hz和5000 Hz可观察到NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料的三个特征吸声峰，在200~500 Hz和1600~6300 Hz性能得到优化。与其它结构相比，第一特征吸声峰向低频方向移动了约400 Hz，最大吸声系数达到0.94。其原因是，发泡材料层和空腔气隙层为MPP层提供了声质量电抗，抵消了PUFM层与空腔提供的声刚度电抗，提高了吸声能力并拓宽了频带。同时，发泡材料进一步扩大了空腔气隙和MPP层间的共振效应，也使吸声性能提高。

图8

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图8 不同结构的MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料的吸声性能

Fig.8 Sound absorption curves of the MPP-AG-NBR-PUFM multi-layer structural materials (a) MPP-AG, (b) MPP-PUFM, (c) MPP-AG-NBR-PUFM, (d) NBR-PUFM-MPP-AG

2.7 MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料的吸声性能

图9给出了AG/NBR层厚比不同的MPP-AG-NBR-PUFM层状结构材料的吸声曲线，MPP和NBR的厚度不变而AG和NBR的层厚比分别为5∶1、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4和1∶5。图9表明，无论层厚比怎样变化，在3000~3500 Hz以外的频率范围内，4条曲线的吸声系数都高于0.2。峰值变化有相似的多峰结构，第一共振峰值随着PUFM含量的提高而增大。不同的是：随着AG/PUFM层厚比的降低，即随着AG深度的减小、PUFM厚度的增加，第一特征吸声峰向低频方向移动，第二特征吸声峰向高频方向移动。这表明，这一结构提高了低频吸声却减小了吸声频带的宽度。值得注意的是，当空腔完全用NBR-PUFM层状复合材料填满后，与AG/PUFM层厚比为5∶1的MPP-AG-NBR-PUFM层状结构材料相比，这种层状结构材料在100~500 Hz的平均吸声系数达到0.41，提高了2倍。与前文假设的吸声机理相同，橡胶层将中高频声波反射而使低频性能提高。

图9

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图9 不同AG/PUFM层厚比的MPP-AG-NBR-PUFM 多层结构材料的吸声

Fig.9 Sound absorption curves of the MPP-AG-NBR-PUFM multi-layer structural materials with different layer thickness ratio of AG/PUFM (a) 5∶1, (b) 4∶1, (c) 3∶2, (d) 2∶3, (e) 1∶4, (f) 1∶5

2.8 NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料的吸声性能

图10给出了层厚比不同的NBR-PUFM-MPP-AG多层结构材料的吸声曲线，MPP和NBR的厚度不变，而PUFM/AG层厚比分别为5∶1、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4、1∶5。由图10可见，无论层厚比怎样变化NBR-PUFM-MPP-AG层状结构都有优异的低频吸声性能，共振峰值的频率集中在400~500 Hz，且最大吸声系数接近1。随着PUFM/AG层厚比的减小，即随着PUFM厚度减小、AG深度增大，第一特征吸声峰向低频方向移动且吸收频宽变窄，第二特征吸声峰值降低。其原因是， PUFM含量的改变使结构材料的声阻抗发生变化，从而影响其吸声特性和特征频率。

图10

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图10 不同PUFM/AG层厚比的NBR-PUFM-MPP- AG多层结构材料的吸声性能

Fig.10 Sound absorption curves of the NBR-PUFM-MPP-AG multi-layer structural materials with different layer thickness ratio of PUFM/AG (a) 5∶1, (b) 4∶1, (c) 3∶2, (d) 2∶3, (e) 1∶4, (f) 1∶5

2.9 层状结构材料吸声性能提高的机理

对于MPP-AG，单独微穿孔板的吸声效果并不理想，加入空腔使每一个穿孔与背腔组成一个等效亥姆霍兹共振器。当声波的频率与共振器的固有频率相同时发生共振而使声能强烈消耗，从而使吸声效果提高；对于MPP-PUFM，相当于在空腔中添加介质，填充PUFM后空腔腔体声容为 $C_{a} = β C_{a 0}$ ，其中 $C_{a 0}$ 为空气介质腔体声容，β为热损耗因子，其值为1。空腔内加入PUFM使其声容变大，根据 $2 π f_{r} = \sqrt[]{\frac{1}{M_{a} C_{a}}}$ (其中 $f_{r}$ 为共振频率，M_a为声质量)，C_a的增大使 $f_{r}$ 向低频方向移动，导致低频吸声效果的提高。

3 结论

(1) 对于MPP-AG共振结构及MPP-PUFM层状结构材料，开孔率更低的共振结构在低频的吸声性能优异。因为穿孔率的减小使板上所有孔的总声质量增加，穿孔板的声阻增大降低了共振吸声峰值的频率，对低频的吸声效果提高；而空腔深度的增大使空腔的刚度降低，使共振结构的吸收峰移向低频方向，并拓宽了吸收峰的带宽。

(2) 材质对MPP-AG共振结构材料的影响不明显，AMPP-AG与PMPP-AG吸声曲线的趋势相似；随着MPP厚度的增加MPP-AG共振结构的吸声峰值逐渐降低，峰值频率向低频方向移动。

(3) 随着PUFM厚度的增加，层状结构的共振吸收峰往低频方向移动；填充孔径较小的PUFM，层状结构的低频吸声性能提高；使用PUFM的MPP-PM层状结构材料的吸声效果优异，最大吸声峰值达到0.87。

(4) 在厚度相同的条件下，MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料将MPP-PUFM层状结构的吸声频带拓宽，使中低频范围的吸声效果提高；NBR-PUFM-AMPP-AG结构有更宽泛的吸声频带，也显著提高了高频区域的吸声性能。

(5) 改变层厚比条件，可使共振峰的吸声频率发生变化。随着AG深度的减小和PUFM厚度的增加，MPP-AG-NBR-PUFM多层结构材料的共振峰分裂，第一特征吸声峰向低频方向移动，第二特征吸声峰向高频方向移动，使吸声频带拓宽；随着AG深度的减小和PUFM厚度的增加，NBR-PUFM-AMPP-AG多层结构材料的第一特征吸声峰向低频方向移动，使其低频吸声性能提高。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

S Q

, Wang

. Industrial Noise and Vibration Control [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1987