約束層阻尼對飛機(jī)壁板隔聲特性的影響

馮梓鑫，韓　峰，馮　盟，王曉樂，黃震宇

約束層阻尼對飛機(jī)壁板隔聲特性的影響

馮梓鑫1，韓峰1，馮盟1，王曉樂2，黃震宇2

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

約束層阻尼是飛機(jī)艙壁結(jié)構(gòu)減振降噪的常用材料。為快速預(yù)計敷貼約束層阻尼的飛機(jī)壁板的隔聲特性，以聲阻抗管條件下均勻板傳聲損失測試結(jié)果和有限元模型計算結(jié)果為依據(jù)，分析約束層阻尼的質(zhì)量、阻尼損耗因子及約束層厚度對板傳聲損失的影響效果，進(jìn)而在混響室-全消聲室條件下測試有限尺寸飛機(jī)壁板模型敷貼約束層阻尼板的隔聲量。驗證了基于阻抗管中獲得約束層阻尼參數(shù)與整體傳聲損失的關(guān)系可用于預(yù)計飛機(jī)壁板敷貼約束層阻尼后的隔聲特性。

聲學(xué)；約束層阻尼；隔聲量；飛機(jī)壁板；傳聲損失

民機(jī)艙內(nèi)噪聲水平直接影響到乘客的乘坐舒適性和語言交流便易性。如何改善艙內(nèi)聲學(xué)環(huán)境一直是研究熱點(diǎn)。艙內(nèi)噪聲主要來源于艙外發(fā)動機(jī)和氣流產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動和空氣噪聲。傳統(tǒng)的減振降噪措施主要通過在壁板上敷貼阻尼層來控制中低頻結(jié)構(gòu)振動和噪聲，并鋪設(shè)隔聲棉吸收中高頻空氣噪聲。

約束層阻尼材料是將黏彈性阻尼材料粘合在本體金屬板和剛度較大的約束層之間，從而提高阻尼材料耗散本體振動能量的效率，該材料廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的振動抑制［1］。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在約束層阻尼材料力學(xué)特性的建模分析和實驗測量、抑振性能計算及優(yōu)化設(shè)計等方面做了大量工作，主要采用的方法有解析法［2-3］、數(shù)值法［4-6］和試驗法［7-9］。這些研究較多涉及簡單梁、板類結(jié)構(gòu)敷貼約束層阻尼前后系統(tǒng)的抑振效果和結(jié)構(gòu)振聲輻射性能的分析，對于空氣聲隔離效果的研究，尚停留在無限大約束層阻尼復(fù)合板的傳聲損失計算［10］。而系統(tǒng)地分析約束層阻尼材料的質(zhì)量、阻尼及剛度等參數(shù)對實際有邊界約束的筋板類結(jié)構(gòu)降噪抑振效果的研究還不多，遠(yuǎn)未達(dá)到參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的要求。

本文在聲阻抗管的理想聲學(xué)條件下，測試小面積均勻圓板敷貼約束層阻尼板（以下稱“復(fù)合板”）的法向傳聲損失TLn，即復(fù)合板在垂直入射波條件下的隔聲量。并依照阻抗管的聲學(xué)環(huán)境建立復(fù)合板的隔聲量有限元模型，用以研究約束層阻尼的質(zhì)量、阻尼損耗因子及約束層厚度對復(fù)合板隔聲特性的影響。在此研究基礎(chǔ)上，以典型飛機(jī)壁板模型為對象，考察約束層阻尼板的降噪效果同阻抗管復(fù)合板分析結(jié)果的一致性，形成對于分析有邊界約束的飛機(jī)壁板等復(fù)雜筋板結(jié)構(gòu)敷貼約束層阻尼后聲振特性的快速預(yù)報方法。

1　約束層阻尼復(fù)合板的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1為基板結(jié)構(gòu)上敷貼約束層阻尼材料形成的復(fù)合板結(jié)構(gòu)示意。該復(fù)合板系統(tǒng)由基板層、黏彈阻尼層及約束層三部分組成。

圖1　敷貼約束層阻尼層的復(fù)合板結(jié)構(gòu)示意

選用兩種不同面密度型號的約束層阻尼板（型號01204S-01面密度為2.6 kg/m2，型號01193S-01面密度為4.2 kg/m2）進(jìn)行研究。文中分別簡述為阻尼板2和阻尼板4，其物理參數(shù)見表1。

表1　兩種型號約束層阻尼板的物理參數(shù)

圖2　兩種阻尼板黏彈阻尼材料15°C時的損耗因子頻變曲線

2　阻抗管小樣隔聲特性分析

基于ASTM標(biāo)準(zhǔn)［11］，在阻抗管中采用四傳聲器法測試1.2 mm厚的圓形均勻鋁板敷貼不同面密度約束層阻尼板（敷貼面積占比為100%）后的隔聲效果。測試使用的阻抗管內(nèi)徑為228 mm，測試樣件直徑為225 mm，可在一定程度上減小邊界條件及測試樣件大小對隔聲測量結(jié)果的影響，在中低頻段能準(zhǔn)確地測試材料的隔聲性能。試驗裝置見圖3所示。

圖3　阻抗管隔聲測試裝置

圖4中繪制了試驗測試所得三種不同樣件的隔聲量曲線。注意到所有試驗結(jié)果曲線中均出現(xiàn)了規(guī)律性的跳動，尤其在900 Hz以上頻段更為明顯，這是由于聲波的激勵頻率誘發(fā)了聲管結(jié)構(gòu)的自身模態(tài)所導(dǎo)致的駐波峰谷反映到了樣件的隔聲量曲線當(dāng)中。雖然根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［11］算得測試用聲管的有效頻帶為68.6 Hz～881.6 Hz，但該頻帶以外頻率上隔聲量曲線的中心線依然能夠較真實的反映樣件的隔聲水平。

圖4　阻抗管中隔聲量試驗結(jié)果比較

從圖4中可知，當(dāng)敷貼約束層阻尼板后，光鋁板的隔聲量在所關(guān)心頻段內(nèi)整體平均提升了約3 dB～5 dB。這些隔聲提升量一是由于敷貼約束層阻尼板后附加的質(zhì)量效應(yīng)；二是約束層阻尼板黏彈阻尼層的高損耗因子增加了復(fù)合板的結(jié)構(gòu)阻尼。注意到阻尼板4的面密度要比阻尼板2大約62%，但兩者的隔聲量曲線差別并不明顯，主要原因在于兩種面密度的約束層阻尼板敷貼在鋁基板后，阻尼板4的面密度增量在鋁基板和阻尼板組成的復(fù)合板中的占比較小。就測試樣件尺寸而言，敷貼阻尼板4的復(fù)合板相較于敷貼阻尼板2，其重量增幅為27%，反映在隔聲量的差別較小。

3　阻抗管小樣有限元模型的參數(shù)分析

為了分析約束層阻尼材料參數(shù)對基板隔聲特性的影響機(jī)理，建立如圖5所示的有限元計算模型。該數(shù)值模型基于商用有限元軟件Comsol Multiphysics聲-固耦合模塊建立，包括鋁基板敷貼約束層阻尼板構(gòu)成的固體物理場及入射和透射空氣腔構(gòu)成的聲學(xué)物理場，兩個物理場區(qū)域通過聲-固界面連續(xù)性條件相互耦合關(guān)聯(lián)。鋁材基板的邊界條件定義為簡支以模擬實際阻抗管中樣件的安裝條件。平面聲波通過入射空氣腔垂直激勵復(fù)合板后，一部分聲能反射，另一部分聲能透射進(jìn)入透射空氣腔，根據(jù)入射波及透射波能量計算復(fù)合板的法向傳聲損失

圖5　隔聲計算有限元模型

式中Ei為入射聲能，Et為透射聲能。

以敷貼阻尼板4的情況為例繪制圖6。從圖中可見所建有限元模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果整體吻合程度良好，僅在個別峰谷頻率附近存在幅值上的差異，這是由于實際阻抗管測試中采用的密封油脂引入了大量阻尼所致。重點(diǎn)關(guān)心圖6中A—E五個峰谷位置處的隔聲量情況，其中，B、D兩處的隔聲量尖峰均由復(fù)合板的反共振現(xiàn)象導(dǎo)致，而A、C、E三處隔聲量低谷則對應(yīng)復(fù)合板高透射效率的共振模態(tài)。其相應(yīng)的模態(tài)振型亦繪于圖6。并且從振型圖中看出復(fù)合板的中心位置是透射振動最強(qiáng)烈的區(qū)域。

圖6　敷貼阻尼板4的復(fù)合板隔聲量試驗和有限元結(jié)果比較

基于建立的有限元模型，以1.2 mm厚均勻鋁板敷貼阻尼板4為例，研究約束層阻尼的質(zhì)量、阻尼損耗因子及約束層厚度等參數(shù)變化對復(fù)合板隔聲量的影響。

約束層阻尼的質(zhì)量變化對復(fù)合板隔聲量的影響如圖7所示。圖中三種質(zhì)量配置方案分別取黏彈阻尼層的質(zhì)量密度 ρ2為100 kg/m3、1 300 kg/m3及3 000 kg/m3，其他兩層參數(shù)保持不變。三種質(zhì)量配置方案的質(zhì)量占比信息如表2所示。其中m1，m2和m3分別代表約束層，黏彈阻尼層和基板層的質(zhì)量。

圖7　約束層阻尼各層質(zhì)量變化對隔聲量的影響

從圖7中可見，由于質(zhì)量配置1的復(fù)合板總質(zhì)量最小，隔聲量曲線上共振頻率出現(xiàn)位置（圖中A、C、E點(diǎn)所指）高于其余兩種質(zhì)量配置。在質(zhì)量配置3中，黏彈阻尼層的質(zhì)量占比達(dá)到約35%，總質(zhì)量也比前兩種配置分別高約48%和21%，這使得隔聲量曲線的峰谷頻率提前，并且在1階共振頻率（約150 Hz）之后，復(fù)合板隔聲量分別平均高出4.5 dB和2.5 dB。高出部分的隔聲量與采用“質(zhì)量定律”算得的相當(dāng)，從而說明黏彈阻尼層的質(zhì)量改變對于復(fù)合板隔聲能力的影響僅體現(xiàn)在質(zhì)量增減方面，而不涉及到多種層間的耦合作用。另一方面，不同的質(zhì)量配置對于隔聲曲線上的相鄰峰谷差值無明顯影響，三種配置方案在B、C處的峰谷差值均為14 dB，表明黏彈阻尼層的質(zhì)量改變并不能改變系統(tǒng)在共振及反共振頻率處的隔聲量大小。

表2　三種質(zhì)量配置方案的占比信息

黏彈阻尼層損耗因子的變化對復(fù)合板隔聲量的影響見圖8。黏彈阻尼層損耗因子的變化僅影響到隔聲量峰谷位置的幅值大小。隨著損耗因子的增大，隔聲量谷值不斷抬升而隔聲量峰值則不斷削低。這與結(jié)構(gòu)阻尼在振動系統(tǒng)共振和反共振頻率處的效果相一致。

圖8　黏彈阻尼層的阻尼損耗因子變化對復(fù)合板隔聲量的影響

圖9顯示的是約束層厚度變化對復(fù)合板隔聲量的影響。選取了三種約束層厚度，其中1.2 mm厚度與基板厚度相當(dāng)。從圖中可見，隨著約束層厚度的增加，復(fù)合板隔聲量曲線的各階峰谷頻率移向高頻，并且相鄰峰谷之間的差值隨之增大。產(chǎn)生這些變化的原因在于約束層厚度的增加一方面使得復(fù)合板的重量增加，另一方面增加了約束層阻尼板的彎曲剛度。

圖9　約束層厚度變化對復(fù)合板隔聲量的影響

基于上述約束層阻尼板參數(shù)變化對復(fù)合板隔聲量影響的分析，我們以阻尼復(fù)合板的1階共振頻率作為界限（如圖6、7中的A點(diǎn)）將分析頻段內(nèi)的隔聲量曲線劃分為三個區(qū)域，即A點(diǎn)以下頻段定義為“剛度控制區(qū)”，A點(diǎn)附近為“阻尼控制區(qū)”及A點(diǎn)以上頻段為“質(zhì)量控制區(qū)”。

4　飛機(jī)壁板模型的隔聲特性分析

在混響室-全消室實驗條件下，參照ISO標(biāo)準(zhǔn)［12］，采用掃描聲強(qiáng)法對一塊長540 mm、寬535 mm，蒙皮厚度1.2 mm的飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)及其敷貼不同面密度約束層阻尼板（鋪設(shè)面積占比為40%）后的整體構(gòu)型進(jìn)行隔聲量測試。測試樣件照片及測試原理參見圖10，其中壁板四周做固定邊界處理，以近似模擬實際飛機(jī)艙段的復(fù)雜接觸邊界條件。

圖10　混響-全消室中壁板樣件及隔聲試驗裝置

三種構(gòu)型的隔聲量曲線如圖11所示。由圖可知，在飛機(jī)壁板上敷貼不同面密度的約束層阻尼板后，其隔聲量在質(zhì)量控制區(qū)（＞250 Hz）均呈整體上升趨勢。敷貼兩種面密度的約束層阻尼板在250～1 600 Hz的隔聲量比光壁板平均高出3 dB～5 dB。對于飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)1階共振頻率處的隔聲量低谷，敷貼阻尼板后均左移并提升了幅值，并且由于阻尼板4的質(zhì)量及損耗因子相對較大的優(yōu)勢，其左移和提升量要大于阻尼板2。這些結(jié)論均同阻抗管中小樣測試結(jié)果相一致，盡管兩者存在直達(dá)聲與混響聲激勵以及測試方法上的不同。因此，一旦獲取飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息（圖11中給出了由有限元法計算的1階模態(tài)，也可由模態(tài)試驗獲得），便可利用阻抗管測量結(jié)果實現(xiàn)快速預(yù)報。另外，值得注意的是，在1 250 Hz～5 000 Hz頻段，阻尼板4的隔聲量明顯低于阻尼板2，可能的原因在于較厚的約束層及高損耗因子阻尼板在該頻段使得復(fù)合板輻射效率提高所致［5］，具體的影響機(jī)理值得后續(xù)的深入研究。

圖11　混響-全消室內(nèi)飛機(jī)壁板構(gòu)型的隔聲量比較

5　結(jié)語

阻抗管和混響-全消聲室的復(fù)合板的隔聲試驗都表明：約束層阻尼的面密度相對復(fù)合板的面密度變化較大時，其對于復(fù)合板隔聲量的影響主要體現(xiàn)在質(zhì)量效應(yīng)；約束層阻尼的阻尼損耗因子僅影響隔聲量曲線在峰谷位置的值：即阻尼損耗因子增大，則隔聲量谷值抬升而峰值則下降；約束層厚度的增加，復(fù)合板的重量及彎曲剛度增大，隔聲量曲線的各階峰谷頻率移向高頻，并且相鄰峰谷之間的差值也隨之增大。

當(dāng)飛機(jī)壁板構(gòu)型的模態(tài)信息一旦獲取，其敷貼不同面密度約束層阻尼后不同頻段內(nèi)隔聲量的改變程度可根據(jù)阻抗管小樣的測試結(jié)果進(jìn)行快速合理預(yù)計。并且所獲結(jié)論對于其他復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)敷貼約束層阻尼板后的降噪預(yù)計也具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］RAO M D.Recent applications of viscoelastic damping for noise control in automobiles and commercial airplanes ［J］.Journal of Sound And Vibration，2003，262（3）：457-474.

［2］MEAD D J.Passive vibration control［M］.Chichester：Wiley，1998.

［3］KOU Y W，LIU B L，TIAN J.Radiation efficiency of damped plates［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2015，137（2）：1032-1035.

［4］JOHNSON C D KIENHOLZ D A.Finite element prediction of damping in structures with constrained viscoelastic layers［J］.AIAA Journal，1982，20（9）：1284-1290.

［5］劉天雄，華宏星，陳兆能，等.約束層阻尼板的有限元建模研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2002，38（4）：108-114.

［6］LOREDO A，PLESSY A.HAFIDI A E.Numerical vibroacoustic analysis of plates with constrained-layer damping patches［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2011，129（4）：1905-1918.

［7］KUMAR N，SINGH S P.Experimental study on vibration and damping of curved panel treated with constrained viscoelastic layer［J］.Composite Structures，2010，92（2）：233-243.

［8］楊青，王新，張偉，等.約束層阻尼結(jié)構(gòu)降噪性能的測試分析［J］.噪聲與振動控制，2010，30（4）：150-152.

［9］喬志，褚夫強(qiáng)，渠鴻飛，等.敷設(shè)約束阻尼層艙室振動噪聲特性的試驗與仿真對比［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2014，29（3）：14-20.

［10］鄭輝，陳端石，駱振黃.阻尼復(fù)合板的結(jié)構(gòu)參數(shù)配置與傳聲損失［J］.振動工程學(xué)報，1994，7（4）：297-305.

［11］ASTM E2611-09.Standard test method for measurement of normal incidence sound transmission of acoustical materials basedonthetransfermatrixmethod［S］.USA：ASTM，2009.

［12］ISO 15186-1-2000.Acoustics-measurement of sound insulation in buildings and of building elements using sound intensity-Part 1：Laboratory measurements［S］.USA：ISO，2000.

Effects of Constrained Layer Damping Patches on the Sound Insulation Characteristics ofAircraft Panels

FENG Zi-xin1，HANFeng1，F(xiàn)ENGMeng1，WANG Xiao-le2，HUANG Zhen-yu2
（1.COMAC，ShanghaiAircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

The constrained layer damping（CLD）is a typical material which is extensively applied to suppress vibration and noise in aircraft engineering.In order to quickly predict the effects of CLD patches on the sound insulation of aircraft panels，the CLD parameters，such as the mass distribution of each layer，the damping loss factor and the thickness of the constrained layer，on the sound insulation performance of a small uniform panel are investigated by comparing the sound transmission loss measured and calculated in the environment of a sound impedance tube.Then，the study of a real aircraft panel with CLD patches attached is carried out to verify the effectiveness of the prediction method.Hence，the relationship between the CLD parameters and the sound transmission loss of the composite panel measured in the sound impedance tube can be applied to predict the sound insulation performance of the aircraft panels.

acoustics；constrained layer damping（CLD）；sound insulation；aircraft panel；sound transmission loss

TB53

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.016

1006-1355（2016）03-0076-05

2015-06-05

航空科學(xué)基金資助項目（2014ZF57011）

馮梓鑫（1988-），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師，研究方向為民機(jī)艙內(nèi)減振降噪技術(shù)研究。E-mail：fengzixin@comac.cc

韓峰，男，浙江寧波人，碩士，高級工程師，研究方向為民機(jī)艙內(nèi)減振降噪技術(shù)研究。E-mail：hanfeng@comac.cc