雪的微观结构和吸声系数

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　　本文翻译自《Microstructure and sound absorption of snow》一文，该文2012年5月刊登在《寒冷地区科学与技术》(2014-2015最新影响因子：1.367)杂志。论文中将雪看做是一种多孔吸声材料来进行研究，应用相关模拟公式计算其吸声系数并与实验室实测数据进行比较，这是一种有趣而有价值的学术尝试。

　　以下文字译自论文部分段落：

　　《雪的微观结构和吸声》

　　作者：W. Maysenhölder , M. Heggli 等
　　德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所
　　瑞士雪与雪崩研究所

　　摘要：
　　利用阻抗管法测量了孔隙度在46%~90%的雪试样，在125 Hz~1.6Khz频率的吸声能力。此外，用x射线测定了同一样品的几何结构。这种新型的实验，旨在为吸声与结构之间的定量关系的发展提供可靠的依据。通过图像分析评估样品的均匀性，简化的Wilson弛豫模型可与实测吸声系数数据满意地符合。

　　五十多年前，欧拉 (1952 年) 可能是在阻抗管中测量雪的吸声系数的第一人。从那时起，更多的论文共同证实了初雪具有良好的吸声性能;而密实雪是在这方面远不那么有效。

　　据报道，使用声学方法表征积雪属性的理论模型，初雪的吸声系数(密度90千克/m3，孔隙率0.9)可媲美玻璃棉，而密实雪(密度450千克/m3，孔隙率0.5左右)的吸声只能与直径为0.5mm的玻璃珠层相比较。

　　与许多其他多孔介质一样，雪的吸声特性往往可以描述成一种假设的理论模型。使用Zwikker和Kosten的三参数模型，可以计算雪的表面阻抗。Boeckx等人(2004年)将广泛使用的五个参数的Johnson—尚普—阿拉德模型应用到雪中的声传播。然而，据我们所知，到目前为止已出版的论文还没有直接比较过实测的和计算的雪的吸声系数。

　　Brzoska等人(1999年)是第一个使用x射线研究雪的微观结构的人。复杂结构的约10μm空间分辨率的三维图像，可用于物理性质(比如热导率)的有限元计算。显而易见的是，这种新的雪成像方法对更好地了解和预测雪的吸声特征也有帮助。

　　研究方法：
　　在瑞士的一片新雪地收集了雪样品，或者在实验室造雪，不同的样品具有不同的密度。孔隙度Ω描述了样本的空气体积分数，和雪的密度相关。具体实验设备研究过程从略。

　　直接跳到大家最关心的研究结果：

　　雪样品的层析图像。用于可视化片的大小是6毫米×6毫米×0.5毫米。

　　a)样品4B(层析孔隙度Ω=0.34);b) 样品7A (Ω=0.59);c) 样本2A (Ω = 0.74);d) 样品 6A (Ω = 0.88)。

　　-5 °C测量的雪样品吸声系数， Wilson模型("简化版"和"扩展版")与Biot模型计算对比(Ω：孔隙度)。

　　雪的吸声系数频率特征：
　　雪的垂直入射吸声系数符合经典的多孔吸声材料特征，最大的吸声系数在800Hz~1.6kHz，介于0.8~1。不同温度(-5°和-10°)的雪的吸声系数差异很小。

　　关于Wilson简化模型：
　　等效的流体模型描述多孔介质中的声传播，有效密度ρeff和有效的压缩模量Keff， Wilson的简化的模型具有四个参数：孔隙度 Ω、 惯性因子(扭曲)α∞和两个弛豫时间τvor(粘性的影响)和τent(热效果)：

　　ρ0和K0是"自由"流体密度和压缩模量，γ是其比热容比，ω表示圆频率。弛豫函数Ssimpl由下式给出：

　　Wilson's扩展模型，以及Biot模型。。。公式介绍、推倒过程省略一万字，小编内心是纠结的。。。。

　　结论：
　　各种雪样品的声学和层析图像研究相结合，为微观结构与声学特性提供了实验依据。此实验的尝试可作为进一步发展多孔吸声材料理论的一个适当起点。

　　更多实验数据可查找：http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2012.05.001。

　　来源：华东建筑设计院声学所公众号(ID：ududsound)