趙少東 吉日格勒 曾玉梅 肖望強(qiáng) 趙文華

(1.國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建 廈門 361000;3.國(guó)能郎新明環(huán)?？萍加邢薰?北京 100039)

礦用管狀帶式輸送機(jī)作為采礦過程中的長(zhǎng)距離運(yùn)輸皮帶,啟動(dòng)后托輥不斷運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輸送帶和托輥輥筒摩擦產(chǎn)生噪聲,傳播出的噪聲對(duì)當(dāng)?shù)氐拇迕裆顜砹朔浅４蟮挠绊?。為了減少噪聲污染,設(shè)備只能在平日6～22時(shí)之間運(yùn)行,這很大程度地降低了管帶機(jī)的工作效率。因此,研究出能對(duì)管帶機(jī)噪聲實(shí)現(xiàn)有效吸隔聲的方案至關(guān)重要。

對(duì)于傳統(tǒng)材料,根據(jù)質(zhì)量定律可知,如果要實(shí)現(xiàn)吸隔聲的目標(biāo),可以采用厚度很大或者密度非常大的材料,因此研發(fā)出具有良好低頻吸隔聲性能且重量輕的復(fù)合結(jié)構(gòu)和材料便成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1]。對(duì)亞波長(zhǎng)復(fù)合微結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料,通過巧妙地設(shè)計(jì)可表現(xiàn)出獨(dú)特的聲學(xué)性能,例如負(fù)等效模量、負(fù)折射等,即使得隔聲峰頻率與目標(biāo)噪源最大峰值頻率達(dá)成一致來實(shí)現(xiàn)吸隔聲的目標(biāo)[2-3]。Liu等[4]提出的局域共振型板結(jié)構(gòu)概念是指通過將彈性材料周期性地涂覆在剛性球體上,在特定的頻率能表現(xiàn)出特殊的聲學(xué)特性,如負(fù)等效彈性常數(shù)、聲波全反射等。Yang等[5]設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料是通過將具有質(zhì)量的物塊固定在薄膜中心的結(jié)構(gòu),借助有限元軟件探究該超材料的低頻特性,并設(shè)計(jì)駐波管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的結(jié)論。肖望強(qiáng)等[6]基于離散元仿真的方法,在齒輪傳動(dòng)過程中通過改變阻尼器的個(gè)數(shù)和安裝位置以及不同顆粒材料填充率,研究其對(duì)整體系統(tǒng)的耗能影響,設(shè)計(jì)的方案能有效地解決齒輪嚙合過程中產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的問題。賀子厚等[7]設(shè)計(jì)的基于薄膜型的聲學(xué)超材料具有可調(diào)節(jié)性,對(duì)于壓電材料通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù),在低頻段能得到較好的吸隔聲性能。許多研究人員通過利用有限元仿真、模型建立、設(shè)計(jì)駐波管實(shí)驗(yàn)等過程,探究了改變聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的隔聲機(jī)理[8-9]。

針對(duì)管帶機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生噪聲的問題,本研究首先介紹了聲學(xué)超材料的基本理論,并設(shè)計(jì)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料板。其次,通過現(xiàn)場(chǎng)采集的管帶機(jī)噪聲數(shù)據(jù)和主振頻率范圍確定隔聲的主要頻段,以此作為COMSOL仿真和后續(xù)實(shí)驗(yàn)輸入噪聲激勵(lì)的依據(jù),并且創(chuàng)新性地改變結(jié)構(gòu)內(nèi)蜂窩芯子的邊長(zhǎng)及高度,根據(jù)仿真的結(jié)果比較不同參數(shù)下的吸隔聲性能,由最佳設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)了聲學(xué)超材料板。最后,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將管帶機(jī)的噪聲數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)的輸入噪聲激勵(lì),利用聲壓傳感器采集噪聲激勵(lì)通過超材料板后的噪聲數(shù)據(jù),計(jì)算出隔聲量并繪制隔聲曲線,觀察設(shè)計(jì)參數(shù)下的超材料板的吸隔聲特性,通過對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出相關(guān)結(jié)論。

1 聲學(xué)超材料理論分析

1.1 聲學(xué)超材料原理介紹

物體振動(dòng)過程中,某塊區(qū)域的振動(dòng)會(huì)引起該區(qū)域中的媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)離開平衡點(diǎn),即推動(dòng)了相近媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn),這個(gè)過程為壓縮相鄰媒質(zhì)[10]。假設(shè)p為聲壓,p0為沒有聲波擾動(dòng)時(shí)的大氣靜壓強(qiáng),p1為體積元受到擾動(dòng)后轉(zhuǎn)變的壓強(qiáng),聲壓原理圖如圖1所示。

圖1 聲壓原理Fig.1 Principle of sound pressure

1.2 聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用管狀帶式輸送機(jī)的噪聲大多由托輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)造成,當(dāng)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),輸送帶與托輥的輥筒發(fā)生劇烈摩擦從而產(chǎn)生噪聲,通過托輥的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)傳出外界,托輥徑向跳動(dòng)導(dǎo)致皮帶與托輥拍打產(chǎn)生噪聲,噪聲傳遞路徑如圖2所示。利用聲壓傳感器采集噪聲數(shù)據(jù),測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置在管帶機(jī)外側(cè)距離地面上高度為1.5 m處,如圖3所示。采集0～1 000 Hz中1/3倍頻程頻率上的噪聲數(shù)據(jù),測(cè)量3次數(shù)據(jù)并取平均值繪制聲壓級(jí)柱狀圖,如圖4所示。同時(shí)根據(jù)振動(dòng)測(cè)試可知管帶機(jī)的主振頻率為270～450 Hz,噪聲范圍在58.61～64.49 dB,這些也是作為COMSOL仿真和后續(xù)實(shí)驗(yàn)輸入噪聲激勵(lì)的依據(jù),并為研究不同參數(shù)下最佳吸隔聲性能方案及對(duì)聲學(xué)超材料板進(jìn)行吸隔聲實(shí)驗(yàn)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

圖2 管帶機(jī)噪聲傳遞路徑Fig.2 Noise transmission path of the tubular belt conveyor

圖3 噪聲測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Location of noise measuring points

圖4 管帶機(jī)聲壓級(jí)柱狀圖Fig.4 Sound pressure level bar chart of the tubular belt conveyor

此次設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料板為蜂窩夾層結(jié)構(gòu),首先建立結(jié)構(gòu)的三維模型,該結(jié)構(gòu)包括上下面板和中間一系列緊密排列的正六邊形組成的蜂窩芯層,蜂窩芯子高度為H=20 mm,長(zhǎng)度為L(zhǎng)=9 mm,整體板材質(zhì)為鋁,壁厚為D=1 mm,超材料板剖視圖如圖5所示。通過中空的蜂窩芯層結(jié)構(gòu)能夠減小整體的質(zhì)量,同時(shí)還能起到支撐作用,提高夾層板剛度,從而獲得良好的隔聲性能[15-16]。

圖5 蜂窩芯板剖視圖Fig.5 Cross-sectional view of honeycomb core board

2 聲學(xué)超材料板的仿真分析

本項(xiàng)目將研究聲學(xué)超材料板的吸隔聲作用以及在改變蜂窩芯子長(zhǎng)度和高度情況下超材料板最佳的吸隔聲結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用現(xiàn)場(chǎng)采集的管帶機(jī)噪聲數(shù)據(jù)和主振頻率范圍確定隔聲的主要頻段,以此作為COMSOL仿真和后續(xù)實(shí)驗(yàn)輸入噪聲激勵(lì)的依據(jù)。

借助COMSOL有限元軟件對(duì)聲學(xué)超材料板進(jìn)行仿真分析,由于超材料板具有明顯的周期性特征,通過模擬板中含有足夠多個(gè)單元體,仿真模型如圖6所示。此外,入射聲壓場(chǎng)設(shè)置為背景壓力場(chǎng),設(shè)置平面波聲壓幅值為1 Pa的聲源,通過在單元體的兩端分別設(shè)置完美匹配層來吸收聲波,防止出現(xiàn)聲波反射影響仿真結(jié)果的正確性,對(duì)聲學(xué)超材料板進(jìn)行0～1 000 Hz的掃頻。整體板材質(zhì)為鋁,材料參數(shù)見表1。

圖6 單元體仿真模型Fig.6 Simulation model of unit body

表1 吸隔聲單元體材料參數(shù)Table 1 Material parameters of sound absorption and insulation unit

2.1 蜂窩芯子邊長(zhǎng)對(duì)材料板隔聲量的影響

基于蜂窩夾層的結(jié)構(gòu),此次采用COMSOL進(jìn)行仿真,研究聲學(xué)超材料板內(nèi)不同蜂窩芯子的邊長(zhǎng)對(duì)吸隔聲性能的影響。圖7為蜂窩芯子邊長(zhǎng)L分別為3、6、9 mm的三維模型圖。

圖7 3種邊長(zhǎng)蜂窩芯子Fig.7 Three lengths honeycomb cores

本項(xiàng)目主要研究改變蜂窩芯子長(zhǎng)度和高度對(duì)聲學(xué)超材料板低頻隔聲性能的影響。首先研究蜂窩芯子長(zhǎng)度的影響,為了控制單一變量,統(tǒng)一設(shè)置高度為H=10 mm,3種邊長(zhǎng)的隔聲曲線如圖8所示。

圖8 不同邊長(zhǎng)的蜂窩芯子隔聲曲線Fig.8 Sound insulation curves of honeycomb cores with different side lengths

從圖8可以看出,在所求頻段范圍內(nèi),隨著頻率的升高,蜂窩芯子邊長(zhǎng)增加時(shí)隔聲曲線總體呈逐漸上升的趨勢(shì),且在低頻時(shí)波動(dòng)較大。對(duì)于不同的蜂窩芯子邊長(zhǎng)隔聲曲線出現(xiàn)的隔聲峰和隔聲谷所在的頻率基本相同。隨著蜂窩板邊長(zhǎng)的增大,隔聲量有所增加,主要是因?yàn)榉涓C芯作為上下面板的連接部分,在隔聲過程中會(huì)出現(xiàn)聲橋的現(xiàn)象,當(dāng)蜂窩芯子邊長(zhǎng)較大時(shí),單位面積內(nèi)的芯子個(gè)數(shù)減少,形成的聲橋較少,聲波在蜂窩芯中傳遞被減弱,隔聲量就有所增加。若蜂窩芯子邊長(zhǎng)較小時(shí),聲學(xué)超材料板的單元體增多,聲橋增多,聲波傳遞增多,隔聲效果下降,同時(shí)蜂窩芯子邊長(zhǎng)較小時(shí)會(huì)使得加工工藝變得復(fù)雜,成本升高,對(duì)設(shè)備也有更高的要求。此外,邊長(zhǎng)從6 mm增加到9 mm相比于邊長(zhǎng)從3 mm增加到6 mm總體的隔聲量增加幅度有所下降,主要是因?yàn)榉涓C芯子邊長(zhǎng)較大時(shí),會(huì)使得蜂窩芯層與上下面板的粘接強(qiáng)度和剪切剛度降低,使得隔聲量增加的幅度減小。所以綜合考慮其性能及加工要求,此次設(shè)計(jì)采用邊長(zhǎng)為9 mm的蜂窩芯子,由仿真可知在管帶機(jī)的主振頻率內(nèi),頻率為315 Hz處,隔聲量最高達(dá)到了27.3 dB,這為確定聲學(xué)超材料板的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了方向。

2.2 蜂窩芯高度對(duì)材料板隔聲量的影響

保證蜂窩芯子的邊長(zhǎng)和上下板的厚度不變,僅改變蜂窩芯子的高度,探究其對(duì)聲學(xué)超材料板吸隔聲性能的影響。此時(shí)統(tǒng)一設(shè)置蜂窩芯子邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=9 mm,建模出3種高度分別為10、20、30 mm的蜂窩芯層,如圖9所示。將3種尺寸下的聲學(xué)超材料板模型導(dǎo)入COMSOL中仿真,圖10為仿真結(jié)果。

圖9 3種高度蜂窩芯子Fig.9 Three heights honeycomb cores

圖10 不同高度的蜂窩芯子隔聲曲線Fig.10 Sound insulation curves of honeycomb cores with different side heights

從圖10可知,對(duì)于不同高度的蜂窩芯子,聲學(xué)超材料板的隔聲曲線趨勢(shì)總體一致。在低頻階段,曲線波動(dòng)比較明顯,蜂窩板的隔聲量隨著高度的增大而增大,在管帶機(jī)主振頻率范圍內(nèi)的隔聲量也較高。當(dāng)蜂窩芯子高度增大時(shí),整體剛度和質(zhì)量提高,由隔聲特性曲線規(guī)律可知,這會(huì)使得傳播到聲學(xué)超材料板內(nèi)部的聲能被有效地反射消耗,因此隔聲量也逐漸增多。但是隨著高度的增加,面板的重量和成本也會(huì)提高。此外,隨著蜂窩芯子高度的增加,隔聲峰的頻率逐漸向低頻移動(dòng),主要原因是當(dāng)芯子高度增加時(shí),蜂窩腔的體積增大,腔內(nèi)填充的空氣增多,導(dǎo)致外界的聲波與空腔達(dá)到共振的頻率降低,所以隔聲峰逐漸前移。從圖10中可以看出,在管帶機(jī)的主振頻率范圍內(nèi),高度取20mm時(shí)的隔聲量較大,頻率為315 Hz時(shí),隔聲量最高達(dá)到了34.8 dB。綜合聲學(xué)超材料板的隔聲性能及效率,考慮設(shè)計(jì)及成本等因素,此次設(shè)計(jì)采用20 mm高度的蜂窩芯子。

因此,可通過改變蜂窩芯子的邊長(zhǎng)及高度有效地改善聲學(xué)超材料板的吸隔聲性能以滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)需求,此次仿真的結(jié)果為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展提供了有效的方向和依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由以上的仿真結(jié)果設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究聲學(xué)超材料板的吸隔聲性能。蜂窩芯子為正六邊形,邊長(zhǎng)為9 mm,高度為20 mm,壁厚為1 mm,上下面板厚度為1 mm,整體隔聲板材質(zhì)為鋁,尺寸為500 mm×500 mm,聲學(xué)超材料板局部放大圖如圖11所示。

圖11 聲學(xué)超材料板局部放大Fig.11 Partial enlarged view of acoustic metamaterial board

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)(測(cè)試軟件DASP)、球聲源、信號(hào)發(fā)生器、聲壓傳感器等,實(shí)驗(yàn)原理如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)原理Fig.12 Schematic diagram of the experiment

實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示,首先在2個(gè)房間A、B中的隔墻中開設(shè)有一個(gè)500 mm×500 mm的窗口,用于放置隔聲樣件。在房間A距離隔墻1 m處布置1個(gè)球聲源,根據(jù)采集到的管帶機(jī)噪聲數(shù)據(jù)作為球聲源的輸入噪聲激勵(lì),模擬在管帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生噪聲的情況,在房間B距離隔墻1 m處布置聲壓傳感器,在安裝了隔聲板之后房間B外部進(jìn)行模擬試驗(yàn)測(cè)量吸隔聲量數(shù)據(jù)。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.13 Experimental principle

為減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性誤差,每次聲壓傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次的平均值,實(shí)驗(yàn)得到的隔聲曲線與仿真所得的隔聲曲線對(duì)比如圖14所示。

圖14 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隔聲曲線Fig.14 Sound insulation curves of simulation and experimental results

由圖14可知,隨著頻率的不斷增加,隔聲量逐漸提高,在低頻段處出現(xiàn)了2個(gè)隔聲量波峰,第一個(gè)波峰出現(xiàn)在80 Hz處,其隔聲量達(dá)到了31.2 dB,實(shí)驗(yàn)得到的隔聲量達(dá)到了29.8 dB。而隔聲量波谷出現(xiàn)在200 Hz處,仿真結(jié)果的隔聲量為20.6 dB,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為20.4 dB。同時(shí)在管帶機(jī)主振頻率270～450 Hz范圍內(nèi),有較好的隔聲效果,在頻率315 Hz處,仿真得到的隔聲量達(dá)到了34.8 dB,實(shí)驗(yàn)結(jié)果為34.2dB。從圖中也可以看出,實(shí)驗(yàn)與仿真的隔聲曲線有一定的偏差,主要原因是在有限元仿真時(shí)設(shè)置的理想平面波條件與實(shí)際條件有所偏差,同時(shí)仿真采用的材料參數(shù)與實(shí)際情況不夠一致。但是從總體的趨勢(shì)來看,實(shí)驗(yàn)得到的隔聲曲線和仿真曲線有較好的一致性,且都在管帶機(jī)的主振頻率范圍得到了較高的隔聲量。以上結(jié)論驗(yàn)證了本研究的聲學(xué)超材料板在合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)下具有良好的低頻吸隔聲性能以及該超材料板應(yīng)用于管帶機(jī)吸隔聲的可行性。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的聲學(xué)超材料板為內(nèi)部中空的蜂窩夾層結(jié)構(gòu),整體質(zhì)量較小且有較好的支撐作用,提高了整體面板的剛度,從而獲得了良好的隔聲性能。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)采集的管帶機(jī)噪聲數(shù)據(jù)和主振頻率范圍確定隔聲的主要頻段,以此作為COMSOL仿真和后續(xù)實(shí)驗(yàn)輸入噪聲激勵(lì)的依據(jù),并且創(chuàng)新性地通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)蜂窩芯子的邊長(zhǎng)及高度,比較不同參數(shù)下的吸隔聲性能,確定單元體的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到最佳的吸隔聲效果,在管帶機(jī)的主振頻率范圍內(nèi)聲學(xué)超材料板仿真得到的隔聲量能達(dá)到34.8 dB。

(3)雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的隔聲曲線有一定的偏差,主要是實(shí)際的條件與理想的仿真條件誤差以及材料參數(shù)設(shè)置不夠準(zhǔn)確所致,但兩者變化的趨勢(shì)是一致的,整體吻合得較好,在管帶機(jī)主振頻率范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的隔聲量最高也能達(dá)到34.2 dB。研究結(jié)果表明:通過合理設(shè)計(jì)聲學(xué)超材料板的結(jié)構(gòu)參數(shù)能使管帶機(jī)在主振頻率范圍內(nèi)有效地達(dá)到吸隔聲目標(biāo),同時(shí)該超材料板具有良好的低頻吸隔聲性能,這為實(shí)現(xiàn)管帶機(jī)的吸隔聲目標(biāo)提供了一定的參考。