喬萌，李健，李彬（.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州 540006；.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430000）

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基于多孔材料的圓柱結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)驗(yàn)與仿真分析

喬萌1，李健1，李彬2
（1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西 柳州 540006；2.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430000）

摘要：基于聲學(xué)覆蓋層噪聲被動(dòng)控制方法，建立圓柱結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)多孔材料圓柱結(jié)構(gòu)聲腔噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試并獲得了圓柱結(jié)構(gòu)無(wú)材料鋪設(shè)、鋪設(shè)三聚氰胺泡沫、鋪設(shè)吸音棉腔內(nèi)噪聲頻譜圖，分析比較了不同厚度、不同密度多孔材料的降噪效果。基于LMS Virtual-lab 聲學(xué)軟件建立多孔材料圓柱型聲腔仿真計(jì)算模型，研究了某種多孔材料孔隙率、流阻、曲折因子對(duì)圓柱型聲腔噪聲響應(yīng)的影響，提出了基于多孔材料噪聲被動(dòng)控制方法在圓柱聲腔上運(yùn)用規(guī)律和特點(diǎn)，為工程實(shí)際提供了借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵字：多孔材料；降噪；圓柱結(jié)構(gòu)；孔隙率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U464.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-61-04

1、簡(jiǎn)介

在目前工程中，典型圓柱結(jié)構(gòu)如火箭整流罩、汽車駕駛室、潛艇艦艙、飛機(jī)圓柱段等其聲振問題越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的噪聲響應(yīng)不僅嚴(yán)重影響到乘客的人生安全，同時(shí)還影響精密設(shè)備的正常使用，所以對(duì)于圓柱腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的噪聲優(yōu)化已成為當(dāng)今一項(xiàng)重要的研究課題。

多孔材料噪聲被動(dòng)控制方法一直以來(lái)被運(yùn)用于腔體的降噪研究中，利用多孔材料性能優(yōu)越的孔隙率和空間骨架結(jié)構(gòu)，通過聲波在內(nèi)部的反復(fù)折射，以及摩擦力和黏滯力的影響，來(lái)降低聲音在其內(nèi)部傳播的能量，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲學(xué)響應(yīng)降到最低，以達(dá)到降噪效果。目前，宋海洋[1]等人采用了統(tǒng)計(jì)能量法分析了在整流罩內(nèi)壁黏貼多孔吸聲材料后的降噪效果，比較了黏貼方式及不同材料對(duì)降噪效果的影響，但未對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行深入研究。陳浩等[2]采用邊界元/有限元方法計(jì)算了聲吶平臺(tái)敷設(shè)不同阻尼及吸聲特性材料的聲輻射性能，結(jié)果表明材料吸聲性能可通過設(shè)置邊界阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)表明吸聲系數(shù)越大，聲輻射越小。Johnson[3]等人提出了一種分布式吸振器，其原理將多孔材料粘合在金屬板上形成彈簧質(zhì)量單元，并將其裝入整流罩內(nèi)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明僅增加2％的質(zhì)量和6％體積，便可實(shí)現(xiàn)50Hz-160Hz噪聲衰減7.7dB。Lane和Griffin[4]等人將碳纖維復(fù)合多孔材料制成聲學(xué)共振元件并裝入圓柱殼體內(nèi)部，試驗(yàn)結(jié)果表明在低頻聲學(xué)共振區(qū)域可實(shí)現(xiàn)噪聲聲壓級(jí)衰減10dB以上，在50-125Hz可衰減7.3dB以上。

在本文中，通過實(shí)驗(yàn)的方法比較了在圓柱型聲腔內(nèi)壁敷設(shè)三聚氰胺泡沫和吸音棉前后的降噪效果，給出了敷設(shè)兩種多孔材料后聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)曲線。采用有限元數(shù)值計(jì)算的方法，通過LMS virtual-lab acoustic聲學(xué)軟件分析了在中低頻段，三聚氰胺泡沫的孔隙率、流阻、曲折因子對(duì)圓柱聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)的影響，提出了基于多孔材料噪聲被動(dòng)控制方法在圓柱型聲腔上運(yùn)用規(guī)律和特點(diǎn)。

2、圓柱聲腔噪聲實(shí)驗(yàn)

2.1噪聲實(shí)驗(yàn)

通常描繪傳遞損失的試驗(yàn)方法是比較聲音發(fā)生源空間與聲音接受空間的聲功率的差值，其中發(fā)聲源一般為擴(kuò)散式的混響聲源，而接受空間近似為無(wú)回響的多級(jí)子空間[5]。在本實(shí)驗(yàn)中為了降低建造聲音發(fā)生空間及接受空間的實(shí)驗(yàn)成本，而采用聲源直接加載法。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，將實(shí)驗(yàn)試件（圓柱結(jié)構(gòu)）放置于混響室中心，底部用橡膠墊支撐，兩側(cè)距離三米處各放置一個(gè)音響，白噪聲信號(hào)由電腦傳入均衡器，經(jīng)過過濾處理后再將信號(hào)放大，最后通過音響發(fā)出載荷聲源。數(shù)據(jù)采集器記錄聲源載荷值與聲腔內(nèi)部響應(yīng)值。

如圖2所示為聲學(xué)傳感器測(cè)試位置示意圖。在圓柱聲腔中層平面距離外壁20mm處每120o角均勻放置1個(gè)聲學(xué)傳感器用于測(cè)試外部聲壓值，在圓柱聲腔內(nèi)部上層、中層、下層各平面每90o角放置兩個(gè)聲學(xué)傳感器（一個(gè)位于徑向位置，另一個(gè)為1/2徑向位置）用于測(cè)試內(nèi)部聲壓值，即外部共布置3個(gè)聲學(xué)傳感器，內(nèi)部共布置24個(gè)聲學(xué)傳感器。信號(hào)采集系統(tǒng)采用PROSIG公司生產(chǎn)的80通道P8000型號(hào)，傳聲器采用PCB公司生產(chǎn)的130E型號(hào)，采樣時(shí)間為8s。為獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，混響室內(nèi)噪聲均勻度范圍控制為±3db，噪聲控制譜偏差控制為±5db。

實(shí)驗(yàn)所選用的多孔材料分別為三聚氰胺泡沫和聚酯纖維吸音棉，由于其優(yōu)越的吸聲性能而被廣泛運(yùn)用于汽車及航天領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)中將多孔材料在圓柱腔內(nèi)全層敷設(shè)，如圖3、4所示。三聚氰胺泡沫使用三種不同厚度的樣品，分別為20mm、30mm、40mm。聚酯纖維吸音棉選用三種密度不同的樣品，分別為400g/m2、450 g/m2、600 g/m2。

圖1　實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1　Schematic of the noise experiment

圖2　聲學(xué)傳感器布置位置圖Fig.2　Schematic of sensor locations

圖3　鋪設(shè)三聚氰胺泡沫測(cè)試Fig.3　Noise testing with Melamine Foam

圖4　鋪設(shè)吸音棉測(cè)試Fig.4　Noise testing with Glass Dawn

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖5所示，鋪設(shè)三種不同厚度的三聚氰胺泡沫腔內(nèi)噪聲頻譜圖，由圖可知敷設(shè)三聚氰胺泡沫后，圓柱聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)有明顯的降低，并隨著頻率的增加，降低的幅度也逐漸增大。在低頻段0-160Hz三聚氰胺泡沫對(duì)聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)的影響沒有產(chǎn)生明顯差異，但隨著頻率的增高，尤其是中高頻段，三聚氰胺泡沫敷設(shè)厚度對(duì)聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)的影響越來(lái)越大，同時(shí)其降噪量越來(lái)越大，由此說(shuō)明在中高頻段可通過控制敷設(shè)層厚度來(lái)控制腔內(nèi)噪聲響應(yīng)。

鋪設(shè)三種不同密度的吸音棉腔內(nèi)噪聲頻譜圖如圖6所示，由圖可知吸音棉可有效降低腔內(nèi)噪聲響應(yīng)值，同樣在低頻段對(duì)于減緩噪聲沒有明顯效果，但隨著頻率的增大其降噪效果越來(lái)越明顯。與三聚氰胺泡沫不同的是，三種不同密度的吸音棉情況下腔內(nèi)噪聲響應(yīng)曲線基本重合，由此說(shuō)明吸音棉的密度的變化對(duì)噪聲響應(yīng)的影響較小。

為了更直觀的體現(xiàn)多孔材料在圓柱腔內(nèi)的降噪效果，將測(cè)試的噪聲頻譜圖在頻段0-16000Hz進(jìn)行計(jì)算得到噪聲總體聲壓級(jí)值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。表中20mm、30mm、40mm三聚氰胺泡沫所對(duì)應(yīng)的降噪量分別為17.74dB、19.32dB、21.18dB，同時(shí)400g/m2、450 g/m2、600 g/m2吸音棉所對(duì)應(yīng)的的降噪量分別為19.22dB、18.69dB、19.50dB。由此可知不同厚度的三聚氰胺泡沫所產(chǎn)生的降噪量有明顯差距，且隨著厚度的增加其降噪量也增大，但不同密度的聚酯纖維吸音棉所產(chǎn)生的降噪量基本保持一致，對(duì)噪聲響應(yīng)影響較小，與上述結(jié)論一致。

圖5　鋪設(shè)三聚氰胺泡沫腔內(nèi)噪聲響應(yīng)頻譜圖Fig.5　Spectrum of noise response with melamine foam

圖6　鋪設(shè)吸音棉腔內(nèi)噪聲響應(yīng)頻譜圖Fig.6　Spectrum of noise response with glass dawn

表1　不同工況下的降噪量Tab.1　Noise reduction of different conditions

3、仿真計(jì)算及參數(shù)分析

3.1仿真模型

在畢奧拉格朗日模型上所延伸出來(lái)了目前運(yùn)用最廣的Johnson-Allard多孔材料模型[6]，其采用平面波原理，通過固體材料和泡沫框架的三組參數(shù)（彈性參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)、孔隙參數(shù)）來(lái)描述彈性多孔介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，具體定義了四種彈性參數(shù)來(lái)描述這種關(guān)系，分別為壓力N，環(huán)境壓力P，流阻系數(shù)R，多孔材料體積模量Q。

Virtual. Lab Acoustic 聲學(xué)軟件將多孔材料三組參數(shù)具體化，在一般情況下多孔材料的彈性參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)對(duì)其吸聲性能的影響保持不變，而孔隙參數(shù)中流阻、孔隙率、曲折因子、特征長(zhǎng)度對(duì)吸聲性能有很大影響[1]。在本節(jié)中將利用聲固耦合有限元法，通過改變多孔材料的流阻、孔隙率、曲折因子來(lái)研究其參數(shù)的變化對(duì)多孔材料吸聲性能的影響。

有限元模型如圖7所示，多孔材料通過在內(nèi)部聲腔網(wǎng)格上定義內(nèi)飾屬性來(lái)模擬，圓柱殼體結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋采用面單元CQUAD4模擬，內(nèi)外聲腔采用CHEXA體網(wǎng)格模擬，加強(qiáng)筋與面壁連接采用RBE2單元模擬。模型完成后定義多孔材料屬性及結(jié)構(gòu)屬性，加載24列平面波合成混響聲源，其載荷以實(shí)驗(yàn)測(cè)得圓柱結(jié)構(gòu)外部載荷功率譜形式輸入，軟件首先進(jìn)行直接頻率響應(yīng)分析，然后根據(jù)24種工況合成隨機(jī)頻響分析，輸出頻率為25-1000Hz（三分之一倍頻程），場(chǎng)點(diǎn)選擇在圓柱腔體內(nèi)部1/4平面位置，輸出結(jié)果為噪聲的自功率譜函數(shù)。

圖7　有限元模型Fig.7　Finite element model

3.2參數(shù)分析

為了進(jìn)一步研究多孔材料對(duì)聲腔噪聲響應(yīng)的規(guī)律特點(diǎn)，基于中低頻段有限元仿真分析的準(zhǔn)確性，通過改變多孔材料孔隙參數(shù)來(lái)研究參數(shù)變化對(duì)聲腔響應(yīng)的影響規(guī)律。

圖8比較了三聚氰胺泡沫材料孔隙率的變化對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響，其中孔隙率分別為0.9、0.95、0.99，密度為8.8kg/m2，流阻為10833 pa·s/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。圖中各點(diǎn)表示為三分之一倍頻程中心頻率點(diǎn)的聲壓級(jí)值，總體上孔隙率大小改變了各個(gè)中心頻率點(diǎn)上的峰值大小，而對(duì)共振頻率點(diǎn)位置沒有產(chǎn)生影響。在低頻段（0-250Hz）孔隙率對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響較小，三條曲線基本重合，而在中頻段（250Hz-500Hz）孔隙率對(duì)聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)的影響逐漸明顯，且聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)隨著孔隙率的增大而減小，從而說(shuō)明在中頻段選用較大孔隙率的多孔材料可有效降低聲腔內(nèi)部噪聲。

圖8　不同孔隙率的聲腔內(nèi)部響應(yīng)Fig.8　Cavity noise response of different porosity

如圖9所示， 比較了三聚氰胺泡沫不同的流阻的變化對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響，其中流阻分別為12000 pa·s/m2、30000 pa·s/m2、50000 pa·s/m2、80000 pa·s/m2，孔隙率為0.99，密度8.8kg/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。從圖中可知，在0-160Hz頻段流阻的變化對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響很小，基本保持一致。在峰值點(diǎn)200Hz時(shí)其聲腔響應(yīng)值隨著流阻值增大而增大，在峰值點(diǎn)315Hz時(shí)隨著流阻值的增大其聲腔響應(yīng)值反而減小。而在中頻段400Hz-1000Hz同樣滿足聲腔響應(yīng)隨著流阻的增大而增大。由此可知在中頻段選用流阻較小的多孔材料可有效降低噪聲響應(yīng)。

圖9　不同流阻的聲腔內(nèi)部響應(yīng)Fig.9　Cavity noise response of different flow resistance

圖10　不同曲折因子的聲腔內(nèi)部響應(yīng)Fig.10　Cavity noise response of different tortuosity factor

如圖10為不同三聚氰胺泡沫不同曲折因子情況下聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)頻譜圖，其中曲折因子分別為1.1、1.5、1.9，流阻為10800 pa·s/m2，孔隙率為0.99，密度8.8kg/m2，厚度30mm。從圖中可知低頻段曲線基本重合，中頻段曲線峰值點(diǎn)的差值變大，且聲壓響應(yīng)值隨著曲折因子的增大而減小，由此說(shuō)明在中頻段選用曲折因子較大的多孔材料可有效降低噪聲響應(yīng)。

4、總結(jié)

基于聲學(xué)覆蓋層噪聲被動(dòng)控制方法，建立了鋪設(shè)多孔材料圓柱殼體結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別測(cè)試了3種不同厚度的三聚氰胺泡沫和3種不同密度的吸音棉在腔體結(jié)構(gòu)中的噪聲響應(yīng)頻譜圖及總體聲壓級(jí)值，結(jié)果表明，三聚氰胺泡沫和吸音棉能有效降低噪聲響應(yīng)， 且隨著三聚氰胺泡沫的厚度的增加降噪效果越明顯，最大降噪量達(dá)到21.18dB，但不同密度的吸音棉對(duì)降噪效果不影響，3種情況所產(chǎn)生的降噪效果基本一致。

通過Virtual. Lab Acoustic聲學(xué)軟件對(duì)鋪設(shè)多孔材料圓柱殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在力學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)不變的情況下，通過改變多孔材料空隙參數(shù)來(lái)研究多孔材料的孔隙率、流阻、曲折因子對(duì)腔內(nèi)噪聲響應(yīng)的影響，仿真結(jié)果表明；（1）在低頻段（0-250Hz）孔隙率對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響較小，在中頻段（250-500Hz）孔隙率對(duì)聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)的影響逐漸明顯，且聲腔內(nèi)部噪聲響應(yīng)隨著孔隙率的增大而減小。（2）在0-160Hz頻段流阻的變化對(duì)聲腔內(nèi)部響應(yīng)的影響很小，基本保持一致，而在中頻段（400Hz-1000Hz）聲腔響應(yīng)隨著流阻的增大而增大。由此可知在中頻段選用流阻較小的多孔材料可有效降低噪聲響應(yīng)。（3）中頻段噪聲響應(yīng)值隨著曲折因子的增大而減小，說(shuō)明在中頻段選用曲折因子較大的多孔材料可有效降低噪聲響應(yīng)。

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Experimental and Simulation Analysis of noise for Cylindrical Structure with Porous Material

Qiao Meng1, Li Jian1, Li Bin2
( 1.Automotive and Transportation Engineering Institute, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006; 2. Science Institute, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

Abstract:Noise experiment of cylindrical structure with porous material was test and established by passive noise control methods of acoustic blanket. Cavity noise spectrum diagram that the cylindrical structure without material , laying laid of melamine foam and glass down was obtained . Simulation analysis was then conducted for the noise of cylindrical cavity by using the Virtual Lab- acoustics software. The regularity and characteristics influence of the cavity response is proposed by researching the melamine foam porosity, flow resistance and tortuosity factor, provided the reference and guidance for the engineering practice.

Keywords:Porous Material; noise; cylindrical structure; porosity

中圖分類號(hào)：U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-61-04

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)堂龋T士研究生，就讀于廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院。李健，博士，教授，就職于武漢理工大學(xué)理學(xué)院。

基金項(xiàng)目：民用航天專業(yè)技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目；廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程（GXQG012013032）；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（JGY2014117）。