開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲特性分析

金 鑫 沈安瀾 侯志強(qiáng)

（1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000； 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000）

0 引言

直升機(jī)艙內(nèi)噪聲環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響乘坐的安全性和舒適度。從噪聲傳遞路徑來看，直升機(jī)內(nèi)部噪聲主要來自機(jī)艙周圍的艙壁、地板、艙門、窗戶等薄板結(jié)構(gòu)，并在外部聲載荷和振動激勵下形成艙內(nèi)復(fù)雜噪聲環(huán)境。然而，由于連接、布線、通風(fēng)、安裝、加工誤差等因素，機(jī)艙結(jié)構(gòu)并不是完全封閉的，一般含有孔、洞、縫隙等結(jié)構(gòu)，會引發(fā)機(jī)外空氣聲衍射，造成艙內(nèi)基礎(chǔ)噪聲水平偏高，該現(xiàn)象可被稱之為機(jī)艙的聲泄露問題。

為了控制艙內(nèi)噪聲水平，國內(nèi)、外直升機(jī)廠商通常采用鋪設(shè)內(nèi)飾的方法，通過隔聲、吸聲等降噪手段，抑制壁板噪聲向艙內(nèi)傳遞，同時配合氣密艙布置，解決機(jī)艙聲泄露問題。然而在很多工況下，直升機(jī)無法實(shí)現(xiàn)氣密設(shè)計，很多不可避免的開孔要求造成的聲泄露問題較為嚴(yán)重。因此，為了盡可能控制艙內(nèi)基礎(chǔ)噪聲水平，該文以某型直升機(jī)上一塊典型金屬薄板為研究對象，通過仿真方法，研究不同開孔工況下的壁板隔聲特性，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)艙壁板等薄板結(jié)構(gòu)的開孔加工設(shè)計，同時為艙內(nèi)噪聲預(yù)測中的聲泄露問題提供可行的預(yù)測方法。

1 開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲特性分析

1.1 隔聲評價函數(shù)

為了計算開孔壁板結(jié)構(gòu)的隔聲特性，可以將一個包括多種結(jié)構(gòu)“元素”的板分成很多面積的小塊，設(shè)面積為（S，S，...，S），如圖1所示，按照“元素”分成的子塊定義為Patch。根據(jù)Patch加權(quán)聲傳遞率方法，一塊包括多種子結(jié)構(gòu)的板的總聲傳遞率τ等于各個子結(jié)構(gòu)聲傳遞率τ的面積加權(quán)。

圖1 包括多種結(jié)構(gòu)“元素”的板結(jié)構(gòu)

因此，含有N個子結(jié)構(gòu)的板結(jié)構(gòu)總聲傳遞率τ的定義如式（1）所示。

根據(jù)式（8）可知，獲得w就能在已知開孔率、聲源和合理的假設(shè)條件下得到開孔壁板結(jié)構(gòu)的隔聲特性。

1.2 隔聲仿真建模

板狀結(jié)構(gòu)隔聲量的試驗(yàn)測試原理圖如圖2所示。在兩個房間之間的墻壁上固定測試件，一個房間為多個聲源按照一定規(guī)律排列組成的混響室，另一房間為吸聲尖劈組成的消聲室，由此測量獲得試件的入射聲功率及其輻射到消聲室的透射聲功率，從而得出試件的隔聲曲線。

圖2 混響室與消聲室試驗(yàn)測試原理圖

根據(jù)以上試驗(yàn)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)模塊中選擇耦合聲學(xué)間接邊界元方法對開孔壁板隔聲量進(jìn)行仿真計算。

仿真對象為某型直升機(jī)機(jī)艙頂部1塊典型鋁板，其尺寸為1000mm×1000mm×1.2mm，材料為2A12鋁，其彈性模量、密度和泊松比分別為75GPa、2.7g/cm和0.3 。由于傳動、飛控及航電等需求，需要開設(shè)大量孔、洞，在此基礎(chǔ)上，基于有限元和邊界元耦合分析方法建立鋁板的隔聲仿真分析模型，如圖3所示。

根據(jù)理論公式計算出的該尺寸鋁板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)臨界吻合頻率超過4000Hz，因此采用網(wǎng)格尺寸為20mm 的2D單元對板進(jìn)行劃分網(wǎng)格，以保證聲學(xué)網(wǎng)格可以精確計算到2800Hz。在此基礎(chǔ)上，定義12個分布聲源組成半球空間，模擬混響聲源效應(yīng)；定義障板Baffle模擬混響室和消聲室之間的隔斷，以排除鋁板邊界在計算分析時對聲的反射影響；同時建立半球空間場點(diǎn)網(wǎng)格，以其聲學(xué)響應(yīng)點(diǎn)。此外，提取網(wǎng)格表面skin作為邊界元網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的耦合面。

圖3 鋁板隔聲量計算仿真模型

2 開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲特性分析

2.1 開孔率影響

首先，計算四周簡支條件下壁板結(jié)構(gòu)的模態(tài)，之后在0Hz～3000Hz范圍內(nèi)計算其聲振耦合響應(yīng)，得到該頻域范圍內(nèi)通過場點(diǎn)網(wǎng)格的聲功率數(shù)值。根據(jù)式（9）計算不考慮孔結(jié)構(gòu)的聲傳遞率τ，其中W為入射到待分析件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的聲功率，W為穿過結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的聲功率，也就是經(jīng)過場點(diǎn)網(wǎng)格的聲功率，然后根據(jù)式（10）計算隔聲量TL。

基于隔聲質(zhì)量定律和仿真分析方法，分別計算不開孔鋁板隔聲量，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不開孔鋁板的隔聲量TL曲線

圖5 中心開孔示意

從圖4中可以明顯看出：1）在1 Hz～3000 Hz時，邊界元仿真結(jié)果顯示四周簡支鋁板存在明顯的剛度控制區(qū)，但質(zhì)量控制區(qū)和阻尼控制區(qū)分界不明顯。2）在頻率864Hz和1241Hz附近，結(jié)構(gòu)隔聲量出現(xiàn)明顯低谷，這是因?yàn)榉抡嬗嬎悴介L設(shè)置在該分析點(diǎn)更接近結(jié)構(gòu)共振頻率。3）在低頻（0Hz～100Hz）區(qū)域內(nèi)，仿真方法和基于質(zhì)量定律的理論計算結(jié)果偏差較大，高頻區(qū)仿真計算結(jié)果與理論計算結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了不開孔板結(jié)構(gòu)隔聲量仿真計算方法的可行性。其中，在頻率為1000Hz～1200Hz時，理論和仿真計算的不開孔結(jié)構(gòu)的隔聲量為26dB～30dB。

針對上述鋁板，在中心處開圓孔，如圖5所示。

根據(jù)式（8），分別計算0.2%、0.5%、1%、3%和5%不同開孔率下的鋁板的隔聲量，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，開孔鋁板的孔隙尺寸雖然只占整個鋁板面積的0.2%～5%，但是總的聲傳遞損失在整個頻帶上下降了5dB～20 dB。隔聲結(jié)構(gòu)上的孔隙結(jié)構(gòu)會顯著降低其隔聲效果，開孔率越大，隔聲板結(jié)構(gòu)的隔聲效果越差。開孔率為5%時，鋁板在全頻段的隔聲量不超過13dB，開孔率為3%時不超過15dB，開孔率為1%時不超過20dB，開孔率為0.5%時不超過23dB，開孔率為0.2%時不超過27dB，因此在進(jìn)行開孔設(shè)計時，應(yīng)確認(rèn)原壁板結(jié)構(gòu)的隔聲要求，適當(dāng)確定開孔率，對不可避免的開孔應(yīng)當(dāng)通過改變孔數(shù)等方法重新設(shè)計。

2.2 開孔數(shù)量影響

該文在3%的開孔率下，仿真分析不同開孔數(shù)量對鋁板隔聲的影響。該文選取單孔、雙孔和四孔板開展計算分析。隔聲量計算結(jié)果如圖7所示。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出，假設(shè)壁板結(jié)構(gòu)開孔處的聲傳遞率為1，即不考慮孔隙結(jié)構(gòu)的聲邊緣反射和散射等效應(yīng)，在全頻段范圍內(nèi)不同開孔數(shù)量鋁板的隔聲效果幾乎相同。在高頻區(qū)，由于開孔對結(jié)構(gòu)模態(tài)會產(chǎn)生影響，所以不同開孔形狀的隔聲量低谷對應(yīng)的頻率不同。

為進(jìn)一步對開孔設(shè)計方法給出指導(dǎo)，以下該文將使用虛擬傳遞率方法，定性分析開孔數(shù)量對鋁板隔聲特性的影響規(guī)律。

假設(shè)開孔壁板結(jié)構(gòu)在開孔率為α下的聲傳遞率τ（α）滿足下式：

其中A、B和C分別為二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)。

定義 τ（0）=0，τ（3%）=1，τ（0.5%）=0.25 ，計算結(jié)果如式（12）所示。

此時計算3%開孔率下孔洞數(shù)量對開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲量的影響，并繪制隔聲量TL曲線，如圖8所示。

根據(jù)圖8中可知，在全頻段范圍（0Hz～3000Hz）內(nèi)，開孔面積占比不變時，開孔數(shù)量越多隔聲效果越好，但開雙孔隔聲量不超過17dB，開四孔隔聲量不超過20dB，隔聲效果仍有限。因此，在進(jìn)行開孔設(shè)計時應(yīng)當(dāng)將開孔面積占比作為首要的設(shè)計參數(shù)，再通過試驗(yàn)手段確定具體的孔洞形狀、數(shù)量和位置等具體信息。

2.3 密封影響

針對開孔率為0.5%的壁板結(jié)構(gòu)，按照圖9所示方法建立孔板密封模型，在開孔處使用密封材料進(jìn)行密封，改變密封材料參數(shù)（楊氏模量和密度），計算該結(jié)構(gòu)的隔聲量。

將密封材料密度改為1000kg/m和1500 kg/m，保持楊氏模量數(shù)值不變，再計算該結(jié)構(gòu)隔聲量，并與不開孔和不密封形式隔聲效果進(jìn)行對比，計算結(jié)果如圖10所示。

進(jìn)一步改變密封材料的楊氏模量，使其為鋁材的0.01倍和0.1倍，材料密度不變，計算該結(jié)構(gòu)隔聲量，并與不開孔和不密封形式的隔聲效果進(jìn)行對比，計算結(jié)果圖11所示。

圖6 不同開孔率下的鋁板的隔聲量

圖9 孔板密封示意

圖7 不同開孔數(shù)量鋁板的隔聲量

圖8 考慮聲傳遞率的不同開孔數(shù)量鋁板的隔聲量

通過圖10和圖11的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在低頻區(qū)域（＜400Hz），密封材料的楊氏模量和密度對開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲量的影響均較小，使用密封與不開孔、不密封的隔聲效果基本相同。但當(dāng)分析頻率超過400Hz時，密封材料的使用會在很大程度上提高結(jié)構(gòu)的隔聲量，若密封理想，可達(dá)到未開孔板的隔聲效果。另外，與楊氏模量屬性相比，密封材料的密度屬性對該結(jié)構(gòu)的隔聲效果所起的作用更大。

另假設(shè)中心開孔處使用指定聲傳遞率的密封材料，針對400Hz、1200Hz、2500Hz分別計算密封結(jié)構(gòu)等效聲傳遞率對隔聲量的影響如圖12所示。

根據(jù)圖12可知，開孔處（密封處）的聲傳遞率對高頻區(qū)的隔聲效果影響要高于低頻區(qū)，且頻率越高，影響越大。因此，從隔聲角度對開孔壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封設(shè)計時，首先應(yīng)考慮使用材料的密度參數(shù)。例如對上述鋁板結(jié)構(gòu)，使用0.1倍板材料楊氏模量、密度1000kg/m的密封材料就能夠有效提高整個結(jié)構(gòu)在中高頻區(qū)的隔聲效果。

3 結(jié)論

根據(jù)開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲特性仿真分析結(jié)果，該文可得出以下結(jié)論：1）若壁板采用多孔或有縫隙的材料，即使其面密度很大，隔聲量也會大大降低。2）同樣的結(jié)構(gòu)形式，開孔率越高，隔聲效果越差。例如該文中鋁板結(jié)構(gòu)的開孔率超過1%時，隔聲量不會超過20dB，在某些頻率處甚至低于10dB。因此，聲泄露的存在大大降低了機(jī)艙隔聲區(qū)域的降噪效果，必須加以預(yù)防。3）在相同的小開孔率下，孔隙的形狀、數(shù)量和位置等對板結(jié)構(gòu)的隔聲影響較小。4）在不可避免開孔的位置，應(yīng)合理選用密封材料進(jìn)行密封，可顯著提高整個結(jié)構(gòu)的隔聲效果。

基于以上結(jié)論提出以下聲泄露預(yù)防手段，以期為壁板結(jié)構(gòu)的開孔設(shè)計提供參考，該方法也是最直接的方法，即利用構(gòu)造法對壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，減少或避免壁板結(jié)構(gòu)間的拼接、開孔，從而消除潛在泄露。對不可避免的開孔或接縫設(shè)計，可通過優(yōu)化盡量減小接縫寬度和長度、孔洞數(shù)量和大小。進(jìn)行開孔設(shè)計時，為保證原結(jié)構(gòu)的隔聲效果，開孔面積占比不應(yīng)超過0.5%。對于面積占比超過0.5%的開孔，可通過增加開孔孔數(shù)的方法提高結(jié)構(gòu)隔聲效果。還可在縫隙或邊框中增加采用了柔軟彈性材料（如橡膠制品、可壓縮乳膠條、工業(yè)毛氈條、泡沫塑料等）的密封條、黏結(jié)劑等進(jìn)行密封。

圖10 不同密封材料密度對開孔壁板結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

圖11 不同密封材料楊氏模量對結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

圖12 密封結(jié)構(gòu)等效聲傳遞率對隔聲量的影響