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        基于COMSOL的板結構聲學性能仿真研究

        2020-09-10 07:22:44戴震坤
        內燃機與配件 2020年13期
        關鍵詞:板結構

        戴震坤

        摘要:本文基于COMSOL軟件建立了三種厚度相同的板結構的聲學仿真模型,分別是云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板,并開展了其聲學性能的仿真研究。研究表明,鋁板在低頻區(qū)域具有最好的隔聲性能,夾層板次之,但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩(wěn)定。

        關鍵詞:聲學生能;傳聲損失;板結構;COMSOL軟件

        0 ?引言

        隨著人們環(huán)保意識的增強,以及國家發(fā)展綠色復合材料的需求,植物纖維復合材料的研究受到了越來越多的關注。植物纖維具有天然的空腔結構,聲波在空腔中傳播時更容易發(fā)生能量耗散而被吸收掉,因此植物纖維具有優(yōu)良的吸聲性能[1-3]。本論文基于COMSOL軟件開展了云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板的聲學性能仿真研究。

        1 ?聲學模型構建

        首先在COMSOL軟件中建立三種板結構的聲學仿真模型。以夾層板的建模為例,陳述如下:在“模型導向”建模模式中選擇三維空間維度并添加“聲-固相互作用,頻域”物理場接口與“頻域”研究。板的面板,芯層和研究域均采用“長方體”,夾層板的兩個面板均采用鋁面板,選擇“Aluminum3003 [solid,-F]”,芯層材料選擇“Pine[solid, tangential]”,聲壓級參考壓力設置為環(huán)境空氣的參考壓力。選擇自由四面體網(wǎng)格用于劃分網(wǎng)格單元,將最大單元尺寸設置為343[m/s]/1500[Hz]/5=0.045mm,至此即可完成夾層板的聲學仿真模型構建。

        2 ?聲學性能仿真研究

        模型建完后,設置相應的分析頻率范圍,此處為50-1500Hz,計算頻率間隔為25Hz,然后點擊“計算”進行運算,在“模型開發(fā)器”的“結果”展開列里可以看到結果列表。單擊“結果”節(jié)點下的聲壓、聲壓級、聲壓等值面、傳聲損失以及1/3倍頻帶圖等按鈕便可查看相應的分析結果。圖1-圖4所示為芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的聲學仿真結果圖。

        由圖4和圖5可以看出,夾層板在整個分析頻帶上都具有比較高的傳聲損失值。為進一步考察同等厚度的純鋁板與純云杉板的隔聲性能,將芯層與面板材料進行替換,分別測得云杉板與鋁板的聲學性能,將仿真結果導入表格,并在matlab中編程讀取仿真數(shù)據(jù)繪圖,可得到三種板結構的傳聲損失對比圖,如圖6所示。

        從傳聲損失比對圖可知,鋁板在低頻區(qū)域具有最好的隔聲性能,夾層板次之,但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩(wěn)定。在傳聲損失曲線上,某些頻率傳聲損失會突然下降,這些頻率與板的固有模態(tài)頻率相接近,引起了板的共振,從而使傳聲損失下降。

        在低頻區(qū)域,芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的傳聲損失與同厚度的鋁板相當,但在高頻區(qū)域,夾層板的傳聲損失量卻明顯高于鋁板,這意味著用云杉作芯層的夾層板的高頻隔聲性能優(yōu)于同厚度的鋁板。這是由于當入射聲波接觸植物多孔材料時,材料表面及材料內部孔洞中的空氣分子將被迫發(fā)生振動,從而消耗掉入射聲能。在這個過程中,聲波所攜帶的能量,將在材料內部孔隙壁、通道與空氣之間的熱交換以及粘性阻力作用下,被逐漸轉化為熱能。此外,對于纖維狀多孔材料面而言,纖維之間的摩擦,以及單根纖維的振動也將消耗掉部分聲能。

        3 ?結語

        本文基于COMSOL軟件研究了三種厚度相同的板結構的隔聲性能。研究表明,芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板在整個隔聲頻帶上都具有較好的隔聲性能,其在高頻段的隔聲性能明顯優(yōu)于同厚度的鋁板。

        參考文獻:

        [1]李巖,李倩.植物纖維增強復合材料力學高性能化與多功能化研究[J].固體力學學報,2017,38(03):215-243.

        [2]倪麗.多物理場作用下的多孔金屬材料聲學性能研究[D].銀川:寧夏大學,2016.

        [3]劉國強,樓京俊,何世平等.基于COMSOL多層材料吸聲覆蓋層的吸聲特性分析[J].艦船科學技術,2016,38(07):33-37.

        [4]李娟.組合微穿孔吸聲體聲學特性研究[D].銀川:寧夏大學,2015.

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