不同變量對蜂窩紙板隔聲性能的影響

賈玉東 王濤

摘要：蜂窩紙板作為一種生活中越來越常見的結(jié)構(gòu)，其性能已經(jīng)得到很多人的重視。本文通過改變不同變量，研究蜂窩紙板的隔聲性能，以期更好的生產(chǎn)此類產(chǎn)品，達(dá)到人們所期望的效果。通過聲學(xué)邊界條件，聲波的反射和折射理論，來求出蜂窩紙板的隔聲量公式，再帶入不同變量：紙板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窩形狀對隔聲量的影響，得出蜂窩紙板隔聲量優(yōu)異情況時(shí)其紙板的狀態(tài)，為后面蜂窩紙板在隔聲中的生產(chǎn)提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：蜂窩紙板；不同變量；隔聲性能

中圖分類號：TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 09-0026-04

Effect of Different Variables on Sound Insulation Performance of Honeycomb Paperboard

JIA Yu-dong， WANG Tao（Shandong Xinhua Printing Co.， LTD. Dezhou branch， DeZhou 253018， China）

Abstract： Honeycomb paperboard as a more and more common structure in life， its performance has been a lot of peoples attention. By changing different variables， this paper studies the sound insulation performance of honeycomb paperboard. In order to better products， to achieve the result that people have come to expect. Through the acoustic boundary conditions， acoustic reflection and refraction theory， to find out the honeycomb paperboard sound insulation formula， in the different variables： board size、the density of board、the thickness of the board and the effect of different honeycomb shapes on sound insulation， to reach the state of honeycomb paperboard is obtained when its sound insulation is excellent. It provides some help for the production of honeycomb paperboard in sound insulation

Key words： honeycomb paperboard； different variables； sound insulation performance

近年來，隨著社會的不斷發(fā)展，人民生活條件逐步提高，對所處環(huán)境有了更高要求，但是噪聲污染一直以來都是日常生活中不可避免的問題。蜂窩紙板作為一種新型材料，已經(jīng)應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大作用。德國、日本、意大利的高速列車車體、護(hù)板、部分結(jié)構(gòu)件等都采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料，美國海軍采用蜂窩面板作為船艙壁材料以減輕船重，從而改善艦船的靈活性和穩(wěn)定性[1，2]。隨著不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)蜂窩紙板在隔聲方面也存在著優(yōu)良性能。經(jīng)測試，單層芯做的蜂窩板，聲波頻率在500Hz以上時(shí)，隔聲效果隨頻率的提高而增加[3]。本文通過分析蜂窩紙板的不同變量，來比較其隔聲性能的優(yōu)良程度。

1 隔聲特性分析

1.1 噪聲控制的三個(gè)手段

1）對聲源進(jìn)行控制。把產(chǎn)生噪聲的聲源從源頭消除，杜絕其向外傳播的機(jī)會。聲源是目前最好的控制方式，主要是使用阻尼材料、改進(jìn)潤滑、改變共振頻率、破壞共振、隔離聲源震動部分等方法[4]。

2）對傳播途徑進(jìn)行控制。通過阻隔傳播途徑來降低噪聲污染，是最簡單易行的一種方法?？梢酝ㄟ^遠(yuǎn)離噪聲的源頭，利用一些有隔音效果的結(jié)構(gòu)來降低噪聲傳播。其實(shí)就是增加聲音在傳播中的損耗，以此達(dá)到降低噪聲的目的。

3）對噪聲的受害者進(jìn)行保護(hù)。如果無法通過聲源和傳播途徑降低噪聲，那只能通過降低噪聲接收者的分貝來降低對其的傷害。

1.2 隔聲特性曲線

對于有隔聲性能的材料或結(jié)構(gòu)來說，隔聲特性曲線是體現(xiàn)其隔聲能力的一個(gè)重要參數(shù)。

1）第一階段，剛度控制區(qū)域。在這一區(qū)域內(nèi)，隔聲結(jié)構(gòu)隔聲性能的高低主要受其剛度控制，結(jié)構(gòu)剛度越大，隔聲量也就越大[5]。

2）第二階段，隔聲量會與材料達(dá)到共振效果。在這個(gè)階段，材料的隔聲性能會有急劇的變化，隔聲性能也會出現(xiàn)一個(gè)最小值。

3）第三階段，隔聲量會和質(zhì)量有重要關(guān)系。在這一階段，隨著質(zhì)量不斷增加，隔聲性能也會逐漸增強(qiáng)。

4）第四階段，隨著頻率不斷增加，在某一個(gè)值，隔聲量會有急劇下降。

2 不同變量對蜂窩紙板隔聲性能的影響

2.1 背景概況

研究蜂窩紙板的隔聲能力，直接對蜂窩紙板進(jìn)行研究存在一定難度，這時(shí)將蜂窩紙板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，等效為一種理論模型來進(jìn)行計(jì)算將會顯得更加便利。然后對等效的理論模型進(jìn)行單一變量改變，達(dá)到想要的結(jié)果。在現(xiàn)階段，主要的等效理論模型主要有四個(gè)，第一個(gè)就是Hoff剛度等效理論，這是一種典型的等效板理論，它將蜂窩夾層板等效為與原夾層板不等厚度的各向同性殼，不但像彎曲板一樣承受垂直板面的剪力載荷和彎扭載荷，還能像平面應(yīng)力板一樣承受面內(nèi)的壓力和剪切載荷[6]；第二個(gè)是改進(jìn)的Allen模型，考慮了蜂窩夾芯的彎曲剛度進(jìn)行的等厚度等效，即在體積保持不變的情況下考慮夾芯影響的等效模型。這種理論模型也是將蜂窩紙板看作一個(gè)整體來進(jìn)行考慮，只不過考慮是會將厚度與等效前一樣[6]，來計(jì)算出所需求的數(shù)據(jù)；第三個(gè)是蜂窩板理論，將蜂窩夾層板等效為同材質(zhì)、均勻密度、與原板厚度相同的各向異性板[7]，得出蜂窩板的各項(xiàng)等效參數(shù)；第四個(gè)是三明治夾層板理論，這種等效模型是將蜂窩板等效為上下兩層夾個(gè)板的結(jié)構(gòu)，最大程度保留了應(yīng)有的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

本文利用三明治夾層板的理論模型，通過聲學(xué)邊界條件，聲波的反射和折射理論等方法，求出蜂窩紙板的隔聲量，最終發(fā)現(xiàn)蜂窩紙板的隔聲性能非常符合隔聲特性曲線的規(guī)律。

2.2 不同變量對蜂窩板隔聲量的影響

2.2.1 蜂窩紙板尺寸對隔聲量的影響

蜂窩板的面板尺寸對固有頻率有著很大影響，尤其是在第一階段。因?yàn)榉涓C紙板結(jié)構(gòu)本身有自己的固有頻率，當(dāng)射入的聲波頻率與蜂窩板結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸接近時(shí)，就會產(chǎn)生共振，從而降低蜂窩板的隔聲能力。在低頻階段，蜂窩板的傳聲損失隨著蜂窩板面積的增大而減小。當(dāng)隔聲曲線進(jìn)入質(zhì)量控制階段時(shí)，由于面板的增加，蜂窩板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大，尺寸大的蜂窩板結(jié)構(gòu)隔聲性能更加優(yōu)越。因?yàn)楝F(xiàn)代生活中的大部分噪聲都處在低頻階段，所以為了更好地達(dá)到隔聲效果，可以通過改變蜂窩面板的尺寸，在可能的情況下，增加面板的尺寸，或者增加面板的層數(shù)。

2.2.2 蜂窩紙板的密度對隔聲量的影響

當(dāng)增加面板的密度時(shí)，由于密度并不能增加面板的剛度，所以在剛度控制區(qū)域，三種不同尺寸蜂窩板的傳聲損失并不會有明顯區(qū)別。而在質(zhì)量控制區(qū)和吻合效應(yīng)時(shí)，密度的增加可以顯著提高蜂窩板的質(zhì)量，所以隔聲性能會有非常顯著的提高，且密度越大，蜂窩板的隔聲性能提升越明顯。所以在進(jìn)行生產(chǎn)生活時(shí)，可以在盡可能的情況下使用面板密度較大的材料，可以得到更好的隔聲效果。

2.2.3 蜂窩紙板的厚度對隔聲量的影響

控制面板的厚度可以顯著改善所有頻率范圍內(nèi)的傳聲損耗。蜂窩紙板的厚度對從低到高頻率的聲音都有很明顯的作用。這是由于面板厚度的增加，不管是蜂窩結(jié)構(gòu)的剛度還是質(zhì)量都會有顯著提高，而這兩項(xiàng)提高就會使得蜂窩板在剛度控制段和質(zhì)量控制段對傳聲損失都有很大影響。

2.2.4 芯層厚度對傳聲損失的影響

當(dāng)逐漸提高蜂窩板的芯層厚度時(shí)，可以在一定頻率下改善蜂窩板的隔聲能力。因?yàn)槿绻黾臃涓C板的芯層厚度，能夠合理的增加蜂窩板的彎曲剛度，因此也就讓在傳聲損失的剛度控制區(qū)，芯層比較厚的蜂窩板會有更好地隔音能力。因?yàn)榉涓C板結(jié)構(gòu)自己特有的頻率會隨著蜂窩板芯層厚度的逐漸增加而不斷提高，所以入射聲波的頻率與蜂窩板固有頻率達(dá)到共振的階段也就會相應(yīng)往頻率高的區(qū)段移動一點(diǎn)。所以在高頻區(qū)域，雖然芯層的高度增加，傳聲損失也在逐漸增加，但是芯層厚度對傳聲損失的影響沒有那么顯著，幾乎處于差不多相同的狀態(tài)。這是因?yàn)?，在高頻時(shí)控制隔聲性能最主要的因素已經(jīng)變成了質(zhì)量，由于蜂窩芯密度較小，所以在增加芯層厚度時(shí)，并不會對蜂窩板的整體質(zhì)量產(chǎn)生太大影響，所以傳聲損失的影響只有很小一點(diǎn)，并不會像之前有那么大的影響。

2.2.5 不同芯層結(jié)構(gòu)對隔聲量的影響

密排的圓形蜂窩夾芯層板對傳聲損失的影響較大，也就有著更好地隔聲性能，然后對傳聲損失有著較好能力的是疏排的圓形，再就是三角形，而隔聲能力最差的是正六邊形和方形，正六邊形比方形稍微好一點(diǎn)。

對于蜂窩紙板結(jié)構(gòu)來看，隔聲曲線先是有一個(gè)明顯的下降趨勢，然后在某一個(gè)頻率附近到達(dá)谷底，造成這種現(xiàn)象的原因是這一階段射入的聲波頻率和蜂窩紙板自己所特有的頻率越來越接近，逐漸到達(dá)共振階段，直接削弱了蜂窩板結(jié)構(gòu)的隔聲性能。但是隨著射入的聲波頻率不斷升高，逐漸到達(dá)了主要由剛度和質(zhì)量控制隔聲能力的階段，蜂窩板的隔聲性能開始逐漸增強(qiáng)，但是因?yàn)椴煌緦咏Y(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量也不同，所以隔聲性能也會產(chǎn)生一定影響。

3 總結(jié)與展望

本文通過在一定條件下改變不同變量，包括紙板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窩形狀等，研究了蜂窩紙板的隔聲性能。未來對蜂窩紙板這一優(yōu)異結(jié)構(gòu)還需展開更加細(xì)致的調(diào)查研究，可以從改變材料、改變一定結(jié)構(gòu)等方面著手探究隔聲方面的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧天健，辛鋒先.輕質(zhì)板殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的振動和聲學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 張廣平，戴干策.復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2000，25（2）：25-27.

[3] 王正忠.輕質(zhì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合隔聲材料[J].噪聲與振動控制，1993，（3）：23-25.

[4] 苗鳳娟.防治到港船舶污染的岸電技術(shù)研究[D].上海海事大學(xué)2006.

[5] 李威.多類蜂窩芯夾層板的振動與隔聲特性研究[D].南昌航空大學(xué)，2019.

[6] 李賢冰.蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)[D].國防科技大學(xué)，2012.

[7] 季寶峰，陳東良，孫艷杰，等.基于等效理論的蜂窩夾層板強(qiáng)度等效分析[J].宇航材料工藝，2015，（2）：12-15.