局域聲子理論的鋁合金型材低頻降噪研究

孫召進(jìn)　王培培

摘 要：低頻噪聲的降噪處理是當(dāng)前工程領(lǐng)域建設(shè)的一個重難點問題，在高速列車行駛過程中產(chǎn)生的低頻噪聲會對人體造成危害，因此，為了能夠獲得有效的低頻降噪方法，本文在闡述局域聲子理論內(nèi)容的基礎(chǔ)上提出基于局域聲子理論的鋁合金型材低頻降噪實施方案，旨在借助聲子晶體結(jié)構(gòu)的低頻準(zhǔn)禁帶特點來降低低頻范圍內(nèi)的彈性波。

關(guān)鍵詞：局域聲子理論;鋁合金;低頻降噪;措施

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.081

1 離心通風(fēng)機(jī)低頻降噪試驗分析

為了能夠更好的解決氣動噪聲問題某大學(xué)開展了離心通風(fēng)機(jī)降噪試驗，在試壓中所選擇的實驗風(fēng)機(jī)型號為DW13-42No4.5，屬于前向式多葉片離心通風(fēng)機(jī)，按照《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方式》的基本規(guī)定來處理原始噪聲，取風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口軸線上距離蝸殼側(cè)板1m位置作為測試點，在這個測試位置上能夠得到風(fēng)機(jī)的總體聲壓級，通過聲級獲取聲音信號和借助智能信號來收集整理儀器設(shè)備的各個數(shù)據(jù)信息。在降噪之前發(fā)現(xiàn)測試總聲壓級為77.2db，且在總體測試中低頻和中頻占據(jù)主要地位。

按照以往的工程建設(shè)經(jīng)驗在通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)風(fēng)口的位置上安裝絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并將絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定在風(fēng)葉機(jī)上，使其隨著風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動發(fā)生轉(zhuǎn)動。絲網(wǎng)安裝和測量原理如圖1所示，絲網(wǎng)降噪效果對比分析如圖2所示。根據(jù)圖2發(fā)現(xiàn)，低頻和中頻的噪聲得到了改善，考慮到絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)會隨著風(fēng)機(jī)葉輪的高度旋轉(zhuǎn)變化出現(xiàn)噪聲，形成新的噪聲源。為了能夠獲得十分理想的降噪效果，降低風(fēng)機(jī)的全壓損失，在試驗中對絲網(wǎng)的直徑大小和材質(zhì)進(jìn)行了調(diào)整。

2 聲子晶體低頻準(zhǔn)禁帶及其分析

聲子晶體降噪一般是利用布拉格散射和局域共振的發(fā)展機(jī)理來對各個表現(xiàn)進(jìn)行分析，對于低頻降噪，布拉格散熱需要較大的聲子晶體結(jié)構(gòu)。局域共振機(jī)理則是要求聲子晶體結(jié)構(gòu)含有散熱體、基體和包覆層， 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這一點和絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)要求不同。同時，在處理的時候，局域共振激勵對于降低400Hz以下的低頻噪聲會出現(xiàn)比較大的困難，為了能夠更好的解決死網(wǎng)低頻降噪的問題，需要加強(qiáng)對聲子晶體能帶圖的分析。聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)充分反映出聲子晶體的各個性能指標(biāo)，波矢k是橫坐標(biāo)，頻率是縱坐標(biāo)，在確定好橫縱坐標(biāo)之后設(shè)計出二者之間的關(guān)系曲線。聲子晶體結(jié)構(gòu)在帶隙范圍內(nèi)的彈性波具備比較高的反射率和較低的吸收率，因此任何形式的彈性波一般都無法在聲子晶體完全帶隙中傳播，基于這個特點可以設(shè)計聲子晶體結(jié)構(gòu)，并將噪聲頻帶始終控制在帶隙的范圍內(nèi)，由此達(dá)到組織頻帶噪聲的目的。

通過使用COMSOL軟件模擬來獲得絲網(wǎng)聲子晶體的能待土，在聲子晶體結(jié)構(gòu)周期超過7的時候就可以實現(xiàn)對這個結(jié)構(gòu)的無限期處理?？紤]到絲網(wǎng)單位尺寸大小和低頻波長小，由此可以將絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)看作處于一個平面范圍內(nèi)，由此在處理這個結(jié)構(gòu)的時候不僅能夠降低問題的難度，而且還能夠?qū)⒄`差控制在合理的范圍內(nèi)。

3 鋁合金型材外地板三角筋板研究

高速列車的地板包含外地板、間夾層、內(nèi)地板，將局域范圍內(nèi)聲子板敷設(shè)在外地板的上方是當(dāng)前高速列車地板設(shè)定中應(yīng)用最為廣泛的三角筋板結(jié)構(gòu)。按照最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)規(guī)定，利用商業(yè)軟件打造高速列車鋁合金材料地板三角筋板模型。模型的長度為2240mm，寬度為1800mm，厚度為40mm，上筋厚度為3mm，下筋厚度為2.5mm，強(qiáng)化筋的厚度為1.8mm。按照鋼筋模板的基本結(jié)構(gòu)特點，將結(jié)構(gòu)形式基本設(shè)定為殼單元薄板的基本形式，并對鋁型材料鋼筋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，按照實際安裝過程中筋板周圍的邊界約束情況來設(shè)置邊界固定約束，對地板結(jié)構(gòu)的前六個階固定頻率開展仿真分析。

參考當(dāng)前聲學(xué)超材料在聲學(xué)領(lǐng)域研究結(jié)果以及計算局域共振板聲透射特性——等效介質(zhì)法，將局域聲子板等效動態(tài)質(zhì)量密度的各個同性質(zhì)均質(zhì)結(jié)構(gòu)整合得到局域聲子板中吸振器和基體板的質(zhì)量比。按照參數(shù)調(diào)整公式阻尼動力吸振器設(shè)計原理來確定最為理想的調(diào)諧頻率比，吸振器等效彈簧剛度和橡膠的黏性阻尼系數(shù)。局域聲子板中吸振器和基體板的質(zhì)量比=阻尼動力吸振器等效質(zhì)量/鋁型材三角筋板質(zhì)量。最為理想的調(diào)諧頻率比=吸振器的設(shè)計頻率/鋁型材三角筋板的固有頻率=1/*（1+吸振器和基體板的質(zhì)量比）。

4 鋁型材筋板結(jié)構(gòu)隔聲量計算和優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)模型聲學(xué)仿真的精準(zhǔn)性驗證

借助多物理場商業(yè)仿真軟件來對模型開展仿真計算分析，確定驗證仿真的精準(zhǔn)性，并將薄板的仿真結(jié)果和《噪聲與振動控制工程手冊》中開展的試驗數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合比對分析，選擇對象的長寬高分別為1000mm、1000mm和1mm。仿真誤差出現(xiàn)的原因是實際測量數(shù)值和仿真邊界條件數(shù)值設(shè)定不一致。而出現(xiàn)這一問題的原因是有限元網(wǎng)絡(luò)劃分精準(zhǔn)度、材料參數(shù)、板內(nèi)部阻尼損耗因子設(shè)置對最終結(jié)果的影響。

4.2 鋁型材模型結(jié)構(gòu)隔聲量的計算和優(yōu)化

對鋁型材地板三角筋板開展聲透射隔聲分析，首先，應(yīng)用專業(yè)的商業(yè)軟件來打造出一個系統(tǒng)化的幾何參數(shù)模型，在模型打造之后設(shè)置材料的基本參數(shù)、荷載，定義邊界的約束條件和剖析網(wǎng)絡(luò)?？紤]到在空氣中中頻和低頻波的傳播是平面波的傳播，因而采用1Pa的聲壓值設(shè)置平面波入射場聲壓，并對鋼筋的周圍進(jìn)行固定約束處理。在平面聲波設(shè)置的時候會發(fā)現(xiàn)在有限元界面會打造出一個固定的結(jié)構(gòu)邊界，在這個邊界范圍內(nèi)模擬聲固耦合物理關(guān)系。在模型中會對聲場領(lǐng)域的入射面和投射面產(chǎn)生平面波輻射，在出現(xiàn)輻射之后需要對入射面和投射面的能量進(jìn)行積分。根據(jù)實驗分析可以發(fā)現(xiàn)從100Hz到120Hz之間是比較理想的剛度控制區(qū)，在這個區(qū)域范圍內(nèi)的剛度越大，隔聲量就會不斷的提升，在這個范圍內(nèi)隨著頻率的增加整個筋板會出現(xiàn)一系列的振動，在振動到達(dá)一定臨界頻率的時候隔聲量也會降低到最低的狀態(tài)，這些信息也會全部透射出去，在透射出去之后會進(jìn)入到阻尼控制區(qū)域。在外部激勵頻率和筋板的固有頻率接近的時候筋板會產(chǎn)生共振的現(xiàn)象。

4.3 阻尼層對鋁合金材料三角筋板隔聲的影響

按照上文對阻尼吸振器設(shè)計原理的分析以及高速列車輕型化的設(shè)計理念總結(jié)得到在質(zhì)量比u的設(shè)置越大的時候，總體數(shù)值對板的抑制效果就越好，同時對聲能的損耗也就越理想，但是這樣的設(shè)計思想和輕量化的設(shè)計理念不符合。為此，結(jié)合實際將質(zhì)量比u的最初數(shù)值設(shè)定為0.1。按照公式計算要求在上筋板面上敷設(shè)一個5mm的橡膠層，剩余的質(zhì)量還需要設(shè)置其他質(zhì)量塊。在設(shè)定的時候阻尼層橡膠剛度等效是吸振器的等效彈簧剛度，加上橡膠本身也具備阻尼，因此在設(shè)計的時候要完全參照阻尼吸振器的基本設(shè)計原理。

4.4 阻尼上層添加整塊鉛片

按照阻尼動力吸振器的基本設(shè)計原理，在橡膠層上面添加0.2mm的全部覆蓋橡膠的鉛片，在y軸方向上打造出筋板質(zhì)量、含有阻尼的彈簧、整塊鉛片質(zhì)量結(jié)果，在入射的聲波頻率等于局域聲子板固有頻率的時候，整個局域共振模態(tài)就會被激發(fā)，在y軸方向上會產(chǎn)生一個F作用力，在添加整塊鉛片之后會對橡膠層產(chǎn)生一個反向作用力，振動也會在一定程度上被限制。從實際狀態(tài)上來看，彎曲波橫波在XZ平面上會繼續(xù)傳播，為此在這個圖中結(jié)構(gòu)的隔聲量我們就可以獲得在二階模態(tài)周圍的隔聲量和隔聲低谷。在對周圍頻率范圍內(nèi)鉛片質(zhì)量分析之后發(fā)現(xiàn)鉛片的質(zhì)量會提升2db左右，由此正經(jīng)通過添加質(zhì)量塊能夠得到一個改進(jìn)頻率，實現(xiàn)模態(tài)固有頻率的改變。按照模態(tài)分析結(jié)果將動力吸振器上的質(zhì)量塊附加在各個階模態(tài)的波峰位置上，從而能夠抑制好各個階模態(tài)上三角筋板的振動變化，減少筋板的振動幅度，從而提升隔聲量。從鋁合金型材的六階固有頻率振動圖形能夠直觀的看到對應(yīng)振動波峰。鋁合金型材敷設(shè)局域聲子板模型如圖3所示，根據(jù)圖3發(fā)現(xiàn)在模態(tài)固有頻率位置上能量一般都會集中在XZ平面鉛片之間的橡膠位置上，在彈性波頻率接近共振單元固有頻率的時候，XZ平面的鉛片上會產(chǎn)生一個反作用力F，這樣的彈性波能量會通過局域性共振能量消失在橡膠層的內(nèi)部，在將其和結(jié)構(gòu)隔聲曲線對比分析發(fā)現(xiàn)整塊鉛片和分布鉛片在低頻端的隔聲效果得到了提升，特別是在122Hz周圍的隔聲更是得到了30db的大小，在360Hz的周圍也提升了10db，同時在250Hz的周圍還會出現(xiàn)一個改進(jìn)的頻率，這個頻率和122Hz的頻率相比隔聲量提升了5db。通過傳遞過程中的質(zhì)量、彈簧、質(zhì)量局域共振結(jié)構(gòu)消耗了聲能，提升了隔聲量，使得試驗操作充分滿足了能量守恒定律。

4.5 鋁型材筋板結(jié)構(gòu)隔聲量的結(jié)果分析

試驗操作中所選擇的了鋁合金筋板模型長寬分別為1500mm到1200mm，上板、加強(qiáng)筋、下板的厚度分別是2.5mm、1.8mm、3mm，鋁合金三角板的頻率范圍在100Hz到500Hz的三分之一頻段之間。應(yīng)用COMSOL仿真分析軟件來對模型數(shù)據(jù)信息進(jìn)行仿真模擬分析，最終得到隔聲量的試驗值和仿真數(shù)值結(jié)果。根據(jù)對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)信息的對比分析發(fā)現(xiàn)軟件仿真在邊界條件上的設(shè)置趨于理想化，在這樣理想化設(shè)置的影響下低階模態(tài)頻率會出現(xiàn)比較大的差異，且在低頻段的時候還會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的試驗漏聲。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過分析多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動理論和根據(jù)當(dāng)前高速列車外地板模型結(jié)構(gòu)的基本特點對其結(jié)構(gòu)開展模態(tài)分析，在振幅最大的區(qū)域范圍內(nèi)添加局域聲子板，在添加局域聲子板之后能夠很好的控制板的振動。通過應(yīng)用專業(yè)的仿真軟件來對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證分析，并將試驗操作的數(shù)據(jù)信息誤差控制在合理的范圍內(nèi)，最終會得到能夠指導(dǎo)工程實踐的結(jié)論。

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