新型微穿孔鋁蜂窩板隔吸聲性能仿真與測試

張克姝 許晴 馬維蓮 潘春軍

（1中車青島四方機(jī)車車輛有限公司，山東 青島 266111；2江蘇標(biāo)榜裝飾新材料股份有限公司，江蘇 江陰 214421）

0 前言

城市交通日益擁擠，推動(dòng)了輕軌、地鐵在大中城市的發(fā)展。相比于公交車等出行方式，地鐵有著載客量大、高效便捷且綠色環(huán)保的優(yōu)勢，但也會(huì)帶來噪聲環(huán)境污染問題。惡劣的噪聲環(huán)境會(huì)刺激人的神經(jīng)系統(tǒng)、讓人易產(chǎn)生疲勞和煩躁等不良情緒[1]。因此，改善地鐵駕駛室內(nèi)聲環(huán)境得到了重點(diǎn)關(guān)注。

在我國，地鐵運(yùn)行速度在60～120km/h，地鐵運(yùn)行時(shí)輪軌噪聲是最主要的噪聲源[2-3]，可以通過機(jī)車側(cè)墻等隔聲薄弱環(huán)節(jié)傳入司機(jī)室內(nèi)[4-5]。本文對地鐵司機(jī)室內(nèi)常用的普通鋁蜂窩板進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，通過改善鋁蜂窩復(fù)合板的吸聲降噪效果，以改善司機(jī)室內(nèi)的聲環(huán)境，降低噪聲影響。

1 新型鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是一種充分利用材料強(qiáng)度的同時(shí)還具有重量輕、隔熱隔聲等優(yōu)點(diǎn)的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，在航空航天、交通運(yùn)載工具以及現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用十分普遍。

馬大猷在20世紀(jì)70年代提出了穿孔板、微穿孔板理論[6-7]。薄板的微穿孔近似于空氣聲阻抗，通過與空腔內(nèi)空氣的摩擦消耗聲能，是一種高聲阻、低聲質(zhì)量的共振吸聲體，但吸聲的工作頻段較窄，且與空腔深度有關(guān)。通過在微穿孔板空腔中加入無紡布多孔材料來改變微穿孔板末端的輻射阻抗以及孔腔的聲阻抗，可獲得更寬頻帶的吸聲性能?；谏鲜隼碚?，結(jié)合工程應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了新型鋁蜂窩板。

普通鋁蜂窩板是由兩個(gè)薄鋁板和輕質(zhì)鋁蜂窩芯材通過膠結(jié)劑粘接而成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，中間鋁蜂窩芯材為正六邊形蜂窩孔，邊長8mm，材料厚度0.08mm，高度18mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 普通鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)

新型鋁蜂窩板由一塊微穿孔鋁板、一塊穿孔鋁板無紡布和鋁蜂窩芯材組成。試件中微穿孔鋁板厚度為1mm，孔形狀為等腰直角三角形，斜邊長為0.4mm，孔中心距2.2mm，穿孔率為0.65%，板后表面貼一層厚0.2mm、密度為40g/m2的無紡布多孔吸聲材料。試件中穿孔鋁板厚度為1mm，孔直徑2.5mm，孔中心距4.5mm，穿孔率23.8%，板后表面也貼有一層厚0.2mm的無紡布多孔吸聲材料。中間鋁蜂窩芯材與普通鋁蜂窩板相同，結(jié)構(gòu)如圖2所示。微穿孔鋁板和穿孔鋁板局部放大圖如圖3(a)和(b)所示。

圖2 新型鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 微穿孔鋁板(a)和穿孔鋁板(b)

2 仿真分析

仿真對理論和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義?？梢愿鶕?jù)仿真的結(jié)果不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案，通過最優(yōu)結(jié)果來決定實(shí)際中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不僅節(jié)約時(shí)間，縮短研發(fā)周期，還能降低成本，節(jié)約人力物力。

LMS Virtual Lab軟件是全球領(lǐng)先的專門用于噪聲分析的CAE軟件，能夠提供最先進(jìn)的振動(dòng)聲學(xué)和流體聲學(xué)仿真功能。本文采用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進(jìn)行隔聲量和吸聲系數(shù)仿真。

2.1 隔聲量仿真

使用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板建立結(jié)構(gòu)有限元模型，設(shè)置為Structural類型；建立發(fā)聲側(cè)和接收側(cè)空氣的聲學(xué)有限元模型，設(shè)置為Acoustical類型，并對聲學(xué)網(wǎng)格進(jìn)行前處理。定義結(jié)構(gòu) 的材料和網(wǎng)格屬性，并對新型鋁蜂窩板的四邊進(jìn)行固定約束。對聲學(xué)流體材料和屬性進(jìn)行定義，并設(shè)置相當(dāng)于傳聲器的場點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行監(jiān)測。隔聲仿真模型如圖4所示，混響聲源如圖5所示。

圖4 隔聲仿真模型

圖5 混響聲源

使用Direct-Acoustic Response Analysis Case對新型鋁蜂窩板進(jìn)行直接聲振耦合計(jì)算，然后使用Random Post-Processing Case將耦合響應(yīng)合成隨機(jī) 計(jì)算響應(yīng)，計(jì)算出新型鋁蜂窩板100Hz到5000Hz的1/3倍頻程隔聲量曲線，如圖6所示。

圖6 隔聲量曲線

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，新型鋁蜂窩板低頻隔聲性能較差，在200Hz和315Hz隔聲量明顯降低，800Hz后隨頻率升高隔聲量增大。計(jì)算得出仿真結(jié)果的計(jì)權(quán)隔聲量為27.0dB。

2.2 吸聲系數(shù)仿真

使用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進(jìn)行有限元建模，并設(shè)置為Structural類型；建立阻抗管的聲學(xué)有限元模型，設(shè)置為Acoustical類型，并對聲學(xué)網(wǎng)格進(jìn)行前處理。定義結(jié)構(gòu)的材料和網(wǎng)格屬性。對聲學(xué)流體材料和屬性進(jìn)行定義，在空氣柱的另一側(cè)定義平面聲源，設(shè)置兩個(gè)相當(dāng)于傳聲器的場點(diǎn)網(wǎng)格1和2進(jìn)行監(jiān)測。吸聲系數(shù)仿真模型如圖7所示。

圖7 吸聲仿真模型

使用Acoustic Response Analysis Case計(jì)算聲學(xué)響應(yīng)，再使用Vector to Function Conversion Case得到兩個(gè)場點(diǎn)處的聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)，對數(shù)據(jù)處理得到吸聲系數(shù)曲線，如圖8。

圖8 吸聲系數(shù)曲線

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，新型鋁蜂窩板低頻吸聲效果較差，在800Hz吸聲系數(shù)達(dá)到最大值0.99，在400Hz到1600Hz之間吸聲系數(shù)均大于0.6。在工程中常使用降噪系數(shù)NRC作為衡量封閉空間內(nèi)某材料對聲能吸收的一個(gè)全面評價(jià)的指標(biāo)，NRC為材料在250Hz、500Hz、1KHz和2KHz四個(gè)頻率的吸聲系數(shù)算術(shù)平均值，計(jì)算得出的仿真結(jié)果的NRC為0.64。

3 試驗(yàn)對比

為對比普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板的隔聲吸聲性能，并驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，對普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板進(jìn)行混響室法隔聲量測量及駐波管法吸聲系數(shù)測量。

3.1 混響室法隔聲量測量

混響室法是測量隔聲量的標(biāo)準(zhǔn)方法，依據(jù)GB/T 19889.3-2005和GB/T 50121-2005進(jìn)行隔聲量測試。將要測試的試件固定放置于兩個(gè)相鄰混響室的中間，如圖9(a)和(b)所示。

圖9 發(fā)聲側(cè)(a)和接收側(cè)(b)

發(fā)聲側(cè)放置揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲，發(fā)聲側(cè)和接收側(cè)使用傳聲器采集聲信號(hào)，并通過測試系統(tǒng)記錄，使用計(jì)算機(jī)處理可以得到隔聲量曲線，測試示意圖如圖10所示。

圖10 隔聲測試示意圖

對普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板進(jìn)行隔聲測試，并與仿真結(jié)果繪制到同一幅隔聲量曲線圖中，如圖11所示。

圖11 隔聲量對比曲線

通過隔聲量曲線可知，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果變化基本一致，新型鋁蜂窩板的實(shí)測計(jì)權(quán)隔聲量為26.8dB，與仿真結(jié)果27dB近似。

3.2 駐波管法吸聲系數(shù)測量

用駐波管法測定吸聲材料的法向入射吸聲系數(shù)，適用于測量多孔材料、穿孔板、微穿孔板等吸聲特性與材料尺寸無關(guān)的材料。駐波管末端放置測試試件，另一端由信號(hào)發(fā)生器通過揚(yáng)聲器向駐波管內(nèi)發(fā)出不同頻率的平面聲波。聲波多次反射形成駐波，駐波管上的傳聲器測管內(nèi)位置聲壓的大小，基于傳遞函數(shù)法，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理分析得到吸聲系數(shù)曲線，測試儀器如圖12所示。

圖12 駐波管法測吸聲系數(shù)

對新型鋁蜂窩板和普通鋁蜂窩板進(jìn)行吸聲系數(shù)測試，并與仿真結(jié)果繪制在同一幅吸聲系數(shù)曲線圖中，如圖13所示。

圖13 吸聲系數(shù)對比曲線

通過吸聲系數(shù)曲線可知，新型鋁蜂窩板的實(shí)測降噪系數(shù)0.63，普通鋁蜂窩板的降噪系數(shù)0.17。一般認(rèn)為降噪系數(shù)小于0.2的材料為反射材料，由此可知，新型鋁蜂窩板降噪效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通鋁蜂窩板。新型鋁蜂窩板仿真降噪系數(shù)為0.64，與實(shí)測結(jié)果基本一致，仿真度高。

4 結(jié)語

本文針對國內(nèi)地鐵司機(jī)室受輪軌噪聲影響較大的問題，對司機(jī)室側(cè)墻常用的普通鋁蜂窩板進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了新型鋁蜂窩板，提高其隔聲和吸聲性能。

本文基于LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進(jìn)行隔聲量和吸聲系數(shù)仿真數(shù)據(jù)，通過混響室法、駐波管法分別測試了普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板的隔聲量和吸聲系數(shù)，驗(yàn)證了新型鋁蜂窩板在地鐵司機(jī)室室內(nèi)應(yīng)用以改善聲環(huán)境的可行性，對后續(xù)設(shè)計(jì)和測試實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

新型鋁蜂窩板相較于普通鋁蜂窩板，隔聲量上相差不大，但新型鋁蜂窩板的吸聲性能明顯提高，降噪系數(shù)NRC達(dá)到0.63。當(dāng)NRC達(dá)到0.5以上時(shí)，人耳能夠感受到噪音的明顯降低，可見新型鋁蜂窩板具有很好的降噪效果，適用于改善地鐵司機(jī)室內(nèi)聲環(huán)境。