薄鋁板敷設(shè)阻尼層聲學(xué)性能研究

桑麗　帥仁忠

摘 要：

以鋁薄板為例，利用有限元及試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)、聲學(xué)性能的影響，并分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與聲學(xué)性能的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)減振降噪提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

阻尼；隔聲量；結(jié)構(gòu)模態(tài)；振動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2016）04021502

1 引言

阻尼減振降噪已廣泛應(yīng)用于諸如航空航天、機(jī)械、船舶、軌道交通及家用電器等領(lǐng)域，以達(dá)到結(jié)構(gòu)減少傳遞振動(dòng)與聲輻射的能力。針對(duì)軌道列車，車體和內(nèi)飾部分有眾多的板件結(jié)構(gòu)，由于輕量化和車內(nèi)空間的限制，并不能無限的增加板件的厚度。為了增加板件的隔聲性能，降低其聲輻射，采取在板件表面敷設(shè)阻尼層。

2 自由阻尼

表面阻尼處理可分為自由阻尼處理和約束阻尼處理兩大類。與約束阻尼相比，自由阻尼處理更加簡(jiǎn)捷，而且工程化程度高。自由阻尼處理是將一層一定厚度的粘彈性阻尼材料敷貼與結(jié)構(gòu)表面，由于粘彈性阻尼層外側(cè)表面處于自由狀態(tài)，稱這一阻尼層位自由阻尼層。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，阻尼層隨之一起振動(dòng)，從而阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生拉壓變形。本文主要研究敷設(shè)自由阻尼層薄鋁板結(jié)構(gòu)。

3 試驗(yàn)與仿真分析

自由阻尼處理技術(shù)通過提高結(jié)構(gòu)阻尼，可以有效抑制共振，是解決工程中振動(dòng)和噪聲十分有效的技術(shù)，尤其適用于薄板結(jié)構(gòu)的減振降噪。本文研究的數(shù)學(xué)模型如圖2所示：自由阻尼層敷設(shè)在鋁板的一側(cè)。板的幾何尺寸及材料特性為：板長、寬為1300×1000mm，板厚為4mm，彈性模量7×104GPa，密度2700kg/m3，泊松比0.3，阻尼材料密度1400kg/m3，彈性模量100GPa，泊松比0.3，阻尼層的厚度選為1mm、3mm、6mm。通過仿真、試驗(yàn)兩種方法，研究敷設(shè)阻尼鋁板的聲振性能。劃分單元時(shí)，將阻尼層和基體層看成一個(gè)整體，這能更好地體現(xiàn)出阻尼結(jié)構(gòu)層之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

3.1 聲學(xué)性能

3.1.1 隔聲性能

采用混響室法進(jìn)行隔聲量測(cè)試，Vaone聲學(xué)仿真軟件進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算，與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析不同阻尼厚度對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3可知，敷設(shè)阻尼層后，隔聲量有了較大的提高，由于敷設(shè)阻尼層可以減小共振振幅，提高阻尼控制區(qū)的隔聲量。此外，在提高結(jié)構(gòu)的隔聲能力上，阻尼層可以有效地抑制板的共振頻率和吻合頻率處的隔聲低谷，提高隔聲量。但是現(xiàn)象不是很明顯，這是因?yàn)榫蛷椥阅Ａ慷裕枘岵牧媳冉饘侔逍讉€(gè)數(shù)量級(jí)，從而吻合頻率的變化甚小，當(dāng)然增加阻尼層的厚度，對(duì)改善隔聲低谷是有利的，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子增加所致。

從圖4中可以看出，敷設(shè)阻尼層隔聲量的測(cè)試與仿真曲線在中高頻段基本一致，但是在125Hz以下的低頻段，兩者的差別比較明顯，因?yàn)檫@是共振頻率控制的區(qū)域，并且影響因素也比較多，進(jìn)而造成測(cè)試與仿真有一定的偏差。此外，這些頻段產(chǎn)生的聲透射效應(yīng)，使隔聲曲線中的形成若干低谷和起伏。

3.1.2 輻射聲功率

結(jié)構(gòu)的輻射噪聲取決于結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移振動(dòng)能到其周圍介質(zhì)中去的能力。為了衡量結(jié)構(gòu)的聲輻射能力，降低振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面所產(chǎn)生的聲輻射，有必要獲得振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面的輻射聲功率。

圖5為仿真計(jì)算所得的輻射聲功率級(jí)隨頻率變化的曲線，從圖中可以看出，就整體而言，三條曲線的趨勢(shì)基本相同，隨著阻尼厚度的增加，輻射聲功率級(jí)降低了。板結(jié)構(gòu)的輻射聲功率值與結(jié)構(gòu)的固有頻率和激勵(lì)頻率相關(guān)。在共振區(qū)內(nèi)，如果結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的位移響應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的聲輻射。通過噪聲輻射聲功率公式也可知，由于聲功率與均方速度成正比，所以振動(dòng)振幅的減小可降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

3.2 振動(dòng)性能分析

結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的優(yōu)良與否取決于結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)態(tài)性能，研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以更好地分析結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性。為此進(jìn)行諧響應(yīng)分析，定義的約束條件是板四周六個(gè)自由度全約束，激勵(lì)力為1N的隨機(jī)力。本文計(jì)算了板中心處一點(diǎn)在0—200Hz內(nèi)的響應(yīng)。響應(yīng)曲線如圖6、圖7所示。

從圖中可知，經(jīng)過阻尼處理，板的振動(dòng)幅值明顯降低。結(jié)合隔聲曲線可知，隔聲量低谷處于板結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率附近，通過阻尼處理，結(jié)構(gòu)模態(tài)基頻前移，低頻隔聲低谷作相應(yīng)移動(dòng)，同時(shí)提高了隔聲量。說明板件敷設(shè)阻尼層，可以有效地優(yōu)化結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能。

4 結(jié)論

從上述結(jié)果可知，鋁板表面敷設(shè)阻尼材料對(duì)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)及聲輻射有明顯的作用；同時(shí)，敷設(shè)阻尼可以抑制高頻的吻合效應(yīng)與低頻共振，提高隔聲性能，隨著阻尼層厚度的增加，隔聲量會(huì)隨著增大。從振動(dòng)響應(yīng)曲線和聲功率級(jí)曲線也可知，敷設(shè)阻尼不但抑制了振動(dòng)，還減弱了結(jié)構(gòu)往外輻射的能力。

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