聲屏障吸聲降噪系數(shù)數(shù)值仿真設計

利用AutoCAD軟件繪出聲屏結(jié)構(gòu)圖，具體采用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對其吸聲降噪系數(shù)進行數(shù)值計算，其中泡沫鋁材料采用多孔介質(zhì)聲學模型中的Johnson-Champoux-Allard模型，研究了聲屏障結(jié)構(gòu)中開孔泡沫鋁穿孔率、孔隙率和厚度對其吸聲性能的影響。結(jié)果表明：對泡沫鋁進行穿孔，聲屏障吸聲性能變好，隨著穿孔率的增加，其吸聲降噪性能提升不明顯；泡沫鋁孔隙率的改變，屏體吸聲降噪效果變化不明顯，其吸聲峰值頻率，隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但對于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢；在泡沫鋁與空腔總厚度一定的情況下，聲屏吸聲峰值隨著泡沫鋁厚度的增加（亦即空腔厚度減小）有所降低，峰值對應頻率卻相應增加。但隨著泡沫鋁厚度的增加，聲屏障結(jié)構(gòu)吸聲帶寬會增大，其中對700 Hz以下低頻與1 800 Hz以上高頻吸聲性能更佳?？蔀榕菽X作為吸聲材料的聲屏障設計及制作提供有益參考。

聲屏障； 泡沫鋁； 吸聲系數(shù)； 降噪系數(shù)； 數(shù)值計算

TU112.4+2A

［定稿日期］2023-04-12

［基金項目］產(chǎn)學研合作研究項目（項目編號：HYB20220108）、安徽高校學科拔尖人才學術資助項目（項目編號：gxbjZD2021066）、安徽省教育廳自然科學基金重點資助項目（項目編號：KJ2020A0484）

［作者簡介］袁敘兵（1978—），男，本科，高級工程師，從事公路工程建設技術質(zhì)量安全管理工作。

［通信作者］張學勇（1974—），男，博士，教授，從事噪聲與振動控制工作。

對工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲、交通運輸噪聲和社會生活噪聲，2022年6月5日頒布實施的《中華人民共和國噪聲污染防治法》明確要求分類防控，并確保精準實施。隨著《“十四五”噪聲污染防治行動計劃》的推進和落實，到2025年，全國聲環(huán)境功能區(qū)夜間達標率將達到85%，因而，我國的人居聲環(huán)境品質(zhì)屆時會得到進一步提升。目前，聲屏障作為一種有效隔斷交通運輸噪聲傳播路徑、減少噪聲污染的聲學構(gòu)件，在軌道交通、高速公路、城市高架及大型室外設備等的噪聲污染治理中，被廣泛采用［1］。

聲屏障的設計，通常內(nèi)置吸聲材料，目的是盡可能增大對入射聲波能量的吸收，從而減少聲波的繞射 ［2］。韓珈琪［3］通過振動加壓成型技術，制備了陶粒吸聲板，研究其隔聲和吸聲性能，測試表明陶粒吸聲板可作為金屬聲屏障吸聲材料，對其后置空腔，可有效增大聲屏吸聲系數(shù)和隔聲量；Xie等［4］利用粉煤灰空心微珠制備了聲屏障水泥基材料，并探討吸聲、隔聲特性，結(jié)果表明，抗壓強度對吸聲性能有顯著影響；Kurniawan等［5］使用摻硅灰的多孔非砂混凝土作為吸聲材料，采用阻抗管法計算材料的吸聲系數(shù)，得出孔隙率為25%時，其對432～1 600 Hz聲音的吸收性能最佳；Mohammad等［6］研究多層吸聲結(jié)構(gòu)，提出采用不同厚度的微穿孔板可有效提高其吸聲性能，同時研究得出對厚度薄的多孔材料，前置多孔板可顯著提高其吸聲系數(shù)，同時增大其吸收頻帶帶寬，然而對3 000 Hz以上聲音的吸聲系數(shù)卻有所減小；陳繼浩［7］對具有開孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁進行吸聲性能測試， 指出8 mm厚度的泡沫鋁具有較好的吸聲性能，且性價比最高；梁李斯等［8］研究設計閉孔泡沫鋁吸聲共振型聲屏障，指出可對500 Hz以下的低頻噪聲吸聲率達到60%～90%；范麗麗等［9］對泡沫鋁及百葉型兩種聲屏障的降噪效果和吸聲特性進行研究，通過測量，結(jié)果表明，泡沫鋁聲屏障對低于630 Hz的低頻噪聲的吸聲效果更好；李占甫［10］提出了一種以泡沫鋁材為主材料的吸聲共振型聲屏障，指出其吸聲主頻率為300～400 Hz，對600 Hz以下的低頻噪聲吸收率較好，其降噪系數(shù)可達0.75；Sun等［11］針對泡沫鋁材料利用Johnson-Champoux-Allard模型進行吸聲系數(shù)仿真，結(jié)果表明JCA模型可用于3 500 Hz頻率以下泡沫鋁吸聲系數(shù)仿真，對3 500 Hz以上頻率，推導并給出需要進行修正的公式；杜孝文等［12］采用Comsol Multiphysics軟件對多孔金屬材料的吸聲性能進行有限元仿真，對不同厚度、孔隙率和不同后背空腔的材料進行仿真分析，并加以實驗驗證，為多孔金屬材料的聲學性能預測提供了依據(jù)。

本文以多孔泡沫鋁聲屏障為研究對象，利用AutoCAD軟件建立結(jié)構(gòu)模型，并采用Comsol Multiphysics軟件進行數(shù)值仿真計算，探討泡沫鋁穿孔率、孔隙率以及厚度對其吸聲性能的影響。

1 聲屏障仿真設計

泡沫鋁材料的生產(chǎn)工藝一般有粉末冶金發(fā)泡法、溶體發(fā)泡法以及二次發(fā)泡法三種［13］。本文采用溶體發(fā)泡法制作的多孔泡沫鋁，其制作工藝主要步驟是：先熔化鋁錠并控溫，撈凈浮渣，然后將鋁液至發(fā)泡爐內(nèi)增粘，再加入發(fā)泡劑，最后采用水冷法冷卻，并將泡沫鋁從模具中取出，切去制得泡沫鋁塊表面發(fā)泡不均勻部分并取樣。制作的泡沫鋁試件，如圖1所示。

1.1 屏體結(jié)構(gòu)與材料屬性

聲屏屏體結(jié)構(gòu)為“穿孔鋁板+泡沫鋁+空腔+鋁板”， 見圖2。穿孔鋁板、泡沫鋁、空腔和鋁板直徑均為100 mm， 總厚度為82.4 mm。其中穿孔鋁板面板厚度為1.2 mm，泡沫鋁厚度為8 mm，空腔厚度為72 mm，鋁板厚度為1.2 mm。穿孔鋁面板穿孔率為50%，如圖3所示。表1列出的是鋁板及泡沫鋁材料物理參數(shù)。

1.2 計算模型

先采用AutoCAD軟件對泡沫鋁結(jié)構(gòu)進行建模，并將模型導入COMSOL Multiphysics 6.0有限元軟件，進一步對泡沫鋁吸聲性能進行數(shù)值仿真計算，阻抗管三維幾何建模及網(wǎng)格劃分，如圖4所示。設置“自由四面體”劃分所有區(qū)域，在“單元大小”設置欄中選擇“定制”，在“最大單元大小”設置為“343［m/s］/2 000［Hz］/5”，最小單元為1［mm］。幾何區(qū)域的完整網(wǎng)格包含623個域、91 580個單元和26 314個邊界單元。

1.3 物理場設置

采用平面波輻射，輻射聲壓幅值為1Pa。設置為壓力聲學場，外部設置為硬聲場邊界（壁）。泡沫鋁采用Johnson-Champoux-Allard多孔介質(zhì)模型（簡稱為JCA模型）見式（1）、式（2）。

ρ（ω）=τSymboleB@ρfεp1+RfεpjωτSymboleB@ρf1+4jωτ2SymboleB@μρfR2fL2vε2p－1（1）

k（ω）=

γPAεpγ-（γ-1）1+8μjωL2thPrρf1+jωL2thPrρf16μ－1－1（2）

式中：τSymboleB@為多孔材料的曲折因子；ρf為流體密度；εp為多孔材料的孔隙率；Rf為多孔材料的流阻率；μ為流體的動力粘度；Lv為多孔材料的黏性特征長度；γ為流體的比熱率；PA為絕對壓力；Lth為多孔材料的熱特征長度；Pr為流體的普朗特數(shù)。

1.4 參數(shù)求解

基于JCA模型反演法［14-15］ ，獲得的泡沫鋁聲學參數(shù)，見表2。

3 計算結(jié)果及分析

通過改變泡沫鋁穿孔率、孔隙率以及厚度，對應數(shù)值計算聲屏吸聲系數(shù)。定義降噪系數(shù)見式（3）。

NRC=（α250+α500+α1000+α2000）/4（3）

式中：αi表示頻率分別為i=250 Hz、500 Hz、1000 Hz和2000 Hz時泡沫鋁的吸聲系數(shù)。

3.1 穿孔率

對厚度8 mm泡沫鋁樣件采用正方形排列方式進行貫穿打孔模擬，穿孔孔徑2 mm，穿孔率分別為1%、2%和3%泡沫鋁模型，如圖5所示。聲屏試件編號與結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，見表3。

圖6給出的是聲屏試件1#，2#，3#和4# 吸聲系數(shù)與頻率關系曲線。表4列出的對應編號聲屏試件吸聲系數(shù)峰值、峰值中心頻率及降噪系數(shù)NRC值。

由圖6和表4可知，與未穿孔相比，聲屏結(jié)構(gòu)的吸聲峰值和降噪系數(shù)均有所增加；但隨著穿孔率的增加，吸聲峰值、峰值頻率以及降噪系數(shù)變化不明顯。因此，通過改變泡沫鋁穿孔率可以調(diào)節(jié)聲屏障結(jié)構(gòu)的吸聲峰值與降噪系數(shù)，但過高的打孔率對聲屏障結(jié)構(gòu)的降噪性能影響不大。

3.2 孔隙率

選取3#試件的聲屏作為參考，通過改變泡沫鋁孔隙率，對試件編號為5#和6#聲屏進行數(shù)值計算。聲屏試件編號及構(gòu)件參數(shù)見表5。

表6列出的對應編號聲屏試件吸聲系數(shù)峰值、峰值中心頻率及降噪系數(shù)NRC值。圖7給出的是聲屏試件3#、5#和6#吸聲系數(shù)與頻率關系曲線。

由圖7和表6，三個試件吸聲峰值變化不大，但是吸聲峰值頻率隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但對于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢。

3.3 泡沫鋁厚度與空腔深度

選取3#試件的泡沫鋁參數(shù)作為參考，研究泡沫鋁厚度和空腔厚度對聲屏吸聲性能的影響，其中泡沫鋁厚度與空腔厚度之和為固定值80 mm。試件3#、7#和8#，具體計算參數(shù)見表7。

模擬得出不同泡沫鋁厚度與空腔厚度聲屏吸聲系數(shù)-頻率曲線，如圖7所示，吸聲系數(shù)表征值見表8。

由圖8和表8可知，在泡沫鋁厚度與空腔厚度之和一定的情況下，隨著泡沫鋁厚度的增加（亦即空腔厚度減?。┞暺廖暦逯涤兴档?，峰值對應頻率卻相應增加。但隨著泡沫鋁厚度的增加，聲屏障結(jié)構(gòu)吸聲帶寬增大，對700 Hz以下低頻與1 800 Hz以上高頻吸聲性能更佳。

4 結(jié)論

本文使用AutoCAD進行聲屏幾何建模，通過COMSOL Multiphysics 6.0有限元軟件，進一步對其吸聲性能進行數(shù)值計算，研究了聲屏障結(jié)構(gòu)中泡沫鋁穿孔率、孔隙率、密度、孔壁厚和空腔厚度對其吸聲系數(shù)的影響。得出結(jié)論。

（1）泡沫鋁穿孔比未穿孔時，聲屏吸聲效果更好；增大泡沫鋁穿孔率，聲屏吸聲性能變化不明顯。

（2）泡沫鋁孔隙率的改變，屏體吸聲降噪效果變化不明顯，其吸聲峰值頻率隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但對于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢。

（3）增加泡沫鋁厚度（空腔厚度減?。蛊馏w吸聲降噪頻率帶寬增加，但泡沫鋁厚度增大到30 mm后，其降噪系數(shù)變化不明顯。

參考文獻

［1］ 韓運強.噪聲治理工程：聲屏障設計［J］.工程建設與設計，2003（4）：12-14.

［2］ 苗中在.吸聲材料在高速公路聲屏障中的應用［J］.中國公路，2018，517（9）：86-87.

［3］ 韓珈琪.金屬聲屏障用陶粒吸聲板制備及性能實驗研究［J］.鐵道標準設計，2024，68（1）：1-8.

［4］ XIE H， LI Y， KAHYA E， et al. Physical properties and environmental impact of sound barrier materials based on fly ash cenosphere ［J］. Buildings，2022，12（322）：1-19.

［5］ AGUS K， RAMADHAN P A. Porous concrete as non-sand concrete with silica fume substitution for the application of sound absorbing materials in buildings［J］. Key Engineering Materials，2020，840：535-542.

［6］ HOSEIN B M， khavanin A， Ali S V， et al. Improving the sound absorption of natural waste material-based sound absorbers using micro-perforated plates［J］. Journal of Natural Fibers，2021，19（14）：9024-9038.

［7］ 陳繼浩. 隔聲屏障結(jié)構(gòu)聲學模擬、設計與性能優(yōu)化應用研究［D］.北京：中國建筑材料科學研究總院，2009.

［8］ 梁李斯， 姚廣春，穆永亮， 等.閉孔泡沫鋁聲屏障設計［J］.噪聲與振動控制，2011，31（2）：71-74.

［9］ 范麗麗，姚廣春.兩種聲屏障的降噪效果對比研究［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2016（6）：198.

［10］ 李占甫.新型泡沫鋁聲屏障在高速公路中應用研究［J］.公路，2020，65（8）：288-290.

［11］ SUN J X， DUAN C Y， LIU P S. Sound absorption characterization of aluminum foam made by press infiltration casting［J］. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures，2016，12（4）：737-747.

［12］ 杜孝文，陳天寧，王小鵬，等. 多孔金屬材料吸聲性能仿真研究［C］//第二十七屆全國振動與噪聲應用學術會議論文集.2016：66-69.

［13］ 劉勝甫. 泡沫鋁微孔加工及聲學性能研究［D］.長春：長春理工大學，2021.

［14］ 張苗，漆瓊芳，羅建軍.吸聲系數(shù)的傳遞函數(shù)法仿真計算［J］.聲學技術，2021，40（4）：527-531.

［15］ 朱建. 多孔金屬材料聲學參數(shù)表征與確定方法研究［D］.銀川：寧夏大學，2013.