基于多孔材料的圓柱結構噪聲實驗與仿真分析

喬萌，李健，李彬（.廣西科技大學汽車與交通學院，廣西 柳州 540006；.武漢理工大學理學院，湖北 武漢 430000）

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基于多孔材料的圓柱結構噪聲實驗與仿真分析

喬萌1，李健1，李彬2
（1.廣西科技大學汽車與交通學院，廣西 柳州 540006；2.武漢理工大學理學院，湖北 武漢 430000）

摘要：基于聲學覆蓋層噪聲被動控制方法，建立圓柱結構及鋪設多孔材料圓柱結構聲腔噪聲實驗平臺，測試并獲得了圓柱結構無材料鋪設、鋪設三聚氰胺泡沫、鋪設吸音棉腔內噪聲頻譜圖，分析比較了不同厚度、不同密度多孔材料的降噪效果。基于LMS Virtual-lab 聲學軟件建立多孔材料圓柱型聲腔仿真計算模型，研究了某種多孔材料孔隙率、流阻、曲折因子對圓柱型聲腔噪聲響應的影響，提出了基于多孔材料噪聲被動控制方法在圓柱聲腔上運用規律和特點，為工程實際提供了借鑒和指導。

關鍵字：多孔材料；降噪；圓柱結構；孔隙率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U464.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-61-04

1、簡介

在目前工程中，典型圓柱結構如火箭整流罩、汽車駕駛室、潛艇艦艙、飛機圓柱段等其聲振問題越來越引起人們的廣泛關注。結構內部的噪聲響應不僅嚴重影響到乘客的人生安全，同時還影響精密設備的正常使用，所以對于圓柱腔體結構內部的噪聲優化已成為當今一項重要的研究課題。

多孔材料噪聲被動控制方法一直以來被運用于腔體的降噪研究中，利用多孔材料性能優越的孔隙率和空間骨架結構，通過聲波在內部的反復折射，以及摩擦力和黏滯力的影響，來降低聲音在其內部傳播的能量，將聲能轉化為熱能，從而使聲學響應降到最低，以達到降噪效果。目前，宋海洋[1]等人采用了統計能量法分析了在整流罩內壁黏貼多孔吸聲材料后的降噪效果，比較了黏貼方式及不同材料對降噪效果的影響，但未對材料參數進行深入研究。陳浩等[2]采用邊界元/有限元方法計算了聲吶平臺敷設不同阻尼及吸聲特性材料的聲輻射性能，結果表明材料吸聲性能可通過設置邊界阻抗來實現，同時表明吸聲系數越大，聲輻射越小。Johnson[3]等人提出了一種分布式吸振器，其原理將多孔材料粘合在金屬板上形成彈簧質量單元，并將其裝入整流罩內，經過實驗測試表明僅增加2％的質量和6％體積，便可實現50Hz-160Hz噪聲衰減7.7dB。Lane和Griffin[4]等人將碳纖維復合多孔材料制成聲學共振元件并裝入圓柱殼體內部，試驗結果表明在低頻聲學共振區域可實現噪聲聲壓級衰減10dB以上，在50-125Hz可衰減7.3dB以上。

在本文中，通過實驗的方法比較了在圓柱型聲腔內壁敷設三聚氰胺泡沫和吸音棉前后的降噪效果，給出了敷設兩種多孔材料后聲腔內部噪聲響應曲線。采用有限元數值計算的方法，通過LMS virtual-lab acoustic聲學軟件分析了在中低頻段，三聚氰胺泡沫的孔隙率、流阻、曲折因子對圓柱聲腔內部噪聲響應的影響，提出了基于多孔材料噪聲被動控制方法在圓柱型聲腔上運用規律和特點。

2、圓柱聲腔噪聲實驗

2.1噪聲實驗

通常描繪傳遞損失的試驗方法是比較聲音發生源空間與聲音接受空間的聲功率的差值，其中發聲源一般為擴散式的混響聲源，而接受空間近似為無回響的多級子空間[5]。在本實驗中為了降低建造聲音發生空間及接受空間的實驗成本，而采用聲源直接加載法。實驗原理如圖1所示，將實驗試件（圓柱結構）放置于混響室中心，底部用橡膠墊支撐，兩側距離三米處各放置一個音響，白噪聲信號由電腦傳入均衡器，經過過濾處理后再將信號放大，最后通過音響發出載荷聲源。數據采集器記錄聲源載荷值與聲腔內部響應值。

如圖2所示為聲學傳感器測試位置示意圖。在圓柱聲腔中層平面距離外壁20mm處每120o角均勻放置1個聲學傳感器用于測試外部聲壓值，在圓柱聲腔內部上層、中層、下層各平面每90o角放置兩個聲學傳感器（一個位于徑向位置，另一個為1/2徑向位置）用于測試內部聲壓值，即外部共布置3個聲學傳感器，內部共布置24個聲學傳感器。信號采集系統采用PROSIG公司生產的80通道P8000型號，傳聲器采用PCB公司生產的130E型號，采樣時間為8s。為獲得準確的測試結果，混響室內噪聲均勻度范圍控制為±3db，噪聲控制譜偏差控制為±5db。

實驗所選用的多孔材料分別為三聚氰胺泡沫和聚酯纖維吸音棉，由于其優越的吸聲性能而被廣泛運用于汽車及航天領域。在實驗中將多孔材料在圓柱腔內全層敷設，如圖3、4所示。三聚氰胺泡沫使用三種不同厚度的樣品，分別為20mm、30mm、40mm。聚酯纖維吸音棉選用三種密度不同的樣品，分別為400g/m2、450 g/m2、600 g/m2。

圖1　實驗原理圖Fig.1　Schematic of the noise experiment

圖2　聲學傳感器布置位置圖Fig.2　Schematic of sensor locations

圖3　鋪設三聚氰胺泡沫測試Fig.3　Noise testing with Melamine Foam

圖4　鋪設吸音棉測試Fig.4　Noise testing with Glass Dawn

2.2實驗結果及分析

如圖5所示，鋪設三種不同厚度的三聚氰胺泡沫腔內噪聲頻譜圖，由圖可知敷設三聚氰胺泡沫后，圓柱聲腔內部噪聲響應有明顯的降低，并隨著頻率的增加，降低的幅度也逐漸增大。在低頻段0-160Hz三聚氰胺泡沫對聲腔內部噪聲響應的影響沒有產生明顯差異，但隨著頻率的增高，尤其是中高頻段，三聚氰胺泡沫敷設厚度對聲腔內部噪聲響應的影響越來越大，同時其降噪量越來越大，由此說明在中高頻段可通過控制敷設層厚度來控制腔內噪聲響應。

鋪設三種不同密度的吸音棉腔內噪聲頻譜圖如圖6所示，由圖可知吸音棉可有效降低腔內噪聲響應值，同樣在低頻段對于減緩噪聲沒有明顯效果，但隨著頻率的增大其降噪效果越來越明顯。與三聚氰胺泡沫不同的是，三種不同密度的吸音棉情況下腔內噪聲響應曲線基本重合，由此說明吸音棉的密度的變化對噪聲響應的影響較小。

為了更直觀的體現多孔材料在圓柱腔內的降噪效果，將測試的噪聲頻譜圖在頻段0-16000Hz進行計算得到噪聲總體聲壓級值，計算結果如表1所示。表中20mm、30mm、40mm三聚氰胺泡沫所對應的降噪量分別為17.74dB、19.32dB、21.18dB，同時400g/m2、450 g/m2、600 g/m2吸音棉所對應的的降噪量分別為19.22dB、18.69dB、19.50dB。由此可知不同厚度的三聚氰胺泡沫所產生的降噪量有明顯差距，且隨著厚度的增加其降噪量也增大，但不同密度的聚酯纖維吸音棉所產生的降噪量基本保持一致，對噪聲響應影響較小，與上述結論一致。

圖5　鋪設三聚氰胺泡沫腔內噪聲響應頻譜圖Fig.5　Spectrum of noise response with melamine foam

圖6　鋪設吸音棉腔內噪聲響應頻譜圖Fig.6　Spectrum of noise response with glass dawn

表1　不同工況下的降噪量Tab.1　Noise reduction of different conditions

3、仿真計算及參數分析

3.1仿真模型

在畢奧拉格朗日模型上所延伸出來了目前運用最廣的Johnson-Allard多孔材料模型[6]，其采用平面波原理，通過固體材料和泡沫框架的三組參數（彈性參數、聲學參數、孔隙參數）來描述彈性多孔介質的應力-應變關系，具體定義了四種彈性參數來描述這種關系，分別為壓力N，環境壓力P，流阻系數R，多孔材料體積模量Q。

Virtual. Lab Acoustic 聲學軟件將多孔材料三組參數具體化，在一般情況下多孔材料的彈性參數及聲學參數對其吸聲性能的影響保持不變，而孔隙參數中流阻、孔隙率、曲折因子、特征長度對吸聲性能有很大影響[1]。在本節中將利用聲固耦合有限元法，通過改變多孔材料的流阻、孔隙率、曲折因子來研究其參數的變化對多孔材料吸聲性能的影響。

有限元模型如圖7所示，多孔材料通過在內部聲腔網格上定義內飾屬性來模擬，圓柱殼體結構及加強筋采用面單元CQUAD4模擬，內外聲腔采用CHEXA體網格模擬，加強筋與面壁連接采用RBE2單元模擬。模型完成后定義多孔材料屬性及結構屬性，加載24列平面波合成混響聲源，其載荷以實驗測得圓柱結構外部載荷功率譜形式輸入，軟件首先進行直接頻率響應分析，然后根據24種工況合成隨機頻響分析，輸出頻率為25-1000Hz（三分之一倍頻程），場點選擇在圓柱腔體內部1/4平面位置，輸出結果為噪聲的自功率譜函數。

圖7　有限元模型Fig.7　Finite element model

3.2參數分析

為了進一步研究多孔材料對聲腔噪聲響應的規律特點，基于中低頻段有限元仿真分析的準確性，通過改變多孔材料孔隙參數來研究參數變化對聲腔響應的影響規律。

圖8比較了三聚氰胺泡沫材料孔隙率的變化對聲腔內部響應的影響，其中孔隙率分別為0.9、0.95、0.99，密度為8.8kg/m2，流阻為10833 pa·s/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。圖中各點表示為三分之一倍頻程中心頻率點的聲壓級值，總體上孔隙率大小改變了各個中心頻率點上的峰值大小，而對共振頻率點位置沒有產生影響。在低頻段（0-250Hz）孔隙率對聲腔內部響應的影響較小，三條曲線基本重合，而在中頻段（250Hz-500Hz）孔隙率對聲腔內部噪聲響應的影響逐漸明顯，且聲腔內部噪聲響應隨著孔隙率的增大而減小，從而說明在中頻段選用較大孔隙率的多孔材料可有效降低聲腔內部噪聲。

圖8　不同孔隙率的聲腔內部響應Fig.8　Cavity noise response of different porosity

如圖9所示， 比較了三聚氰胺泡沫不同的流阻的變化對聲腔內部響應的影響，其中流阻分別為12000 pa·s/m2、30000 pa·s/m2、50000 pa·s/m2、80000 pa·s/m2，孔隙率為0.99，密度8.8kg/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。從圖中可知，在0-160Hz頻段流阻的變化對聲腔內部響應的影響很小，基本保持一致。在峰值點200Hz時其聲腔響應值隨著流阻值增大而增大，在峰值點315Hz時隨著流阻值的增大其聲腔響應值反而減小。而在中頻段400Hz-1000Hz同樣滿足聲腔響應隨著流阻的增大而增大。由此可知在中頻段選用流阻較小的多孔材料可有效降低噪聲響應。

圖9　不同流阻的聲腔內部響應Fig.9　Cavity noise response of different flow resistance

圖10　不同曲折因子的聲腔內部響應Fig.10　Cavity noise response of different tortuosity factor

如圖10為不同三聚氰胺泡沫不同曲折因子情況下聲腔內部噪聲響應頻譜圖，其中曲折因子分別為1.1、1.5、1.9，流阻為10800 pa·s/m2，孔隙率為0.99，密度8.8kg/m2，厚度30mm。從圖中可知低頻段曲線基本重合，中頻段曲線峰值點的差值變大，且聲壓響應值隨著曲折因子的增大而減小，由此說明在中頻段選用曲折因子較大的多孔材料可有效降低噪聲響應。

4、總結

基于聲學覆蓋層噪聲被動控制方法，建立了鋪設多孔材料圓柱殼體結構噪聲實驗平臺，分別測試了3種不同厚度的三聚氰胺泡沫和3種不同密度的吸音棉在腔體結構中的噪聲響應頻譜圖及總體聲壓級值，結果表明，三聚氰胺泡沫和吸音棉能有效降低噪聲響應， 且隨著三聚氰胺泡沫的厚度的增加降噪效果越明顯，最大降噪量達到21.18dB，但不同密度的吸音棉對降噪效果不影響，3種情況所產生的降噪效果基本一致。

通過Virtual. Lab Acoustic聲學軟件對鋪設多孔材料圓柱殼體結構進行有限元分析，在力學參數、聲學參數不變的情況下，通過改變多孔材料空隙參數來研究多孔材料的孔隙率、流阻、曲折因子對腔內噪聲響應的影響，仿真結果表明；（1）在低頻段（0-250Hz）孔隙率對聲腔內部響應的影響較小，在中頻段（250-500Hz）孔隙率對聲腔內部噪聲響應的影響逐漸明顯，且聲腔內部噪聲響應隨著孔隙率的增大而減小。（2）在0-160Hz頻段流阻的變化對聲腔內部響應的影響很小，基本保持一致，而在中頻段（400Hz-1000Hz）聲腔響應隨著流阻的增大而增大。由此可知在中頻段選用流阻較小的多孔材料可有效降低噪聲響應。（3）中頻段噪聲響應值隨著曲折因子的增大而減小，說明在中頻段選用曲折因子較大的多孔材料可有效降低噪聲響應。

參考文獻

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Experimental and Simulation Analysis of noise for Cylindrical Structure with Porous Material

Qiao Meng1, Li Jian1, Li Bin2
( 1.Automotive and Transportation Engineering Institute, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006; 2. Science Institute, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

Abstract:Noise experiment of cylindrical structure with porous material was test and established by passive noise control methods of acoustic blanket. Cavity noise spectrum diagram that the cylindrical structure without material , laying laid of melamine foam and glass down was obtained . Simulation analysis was then conducted for the noise of cylindrical cavity by using the Virtual Lab- acoustics software. The regularity and characteristics influence of the cavity response is proposed by researching the melamine foam porosity, flow resistance and tortuosity factor, provided the reference and guidance for the engineering practice.

Keywords:Porous Material; noise; cylindrical structure; porosity

中圖分類號：U464.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-61-04

作者簡介：喬萌，碩士研究生，就讀于廣西科技大學汽車與交通學院。李健，博士，教授，就職于武漢理工大學理學院。

基金項目：民用航天專業技術預先研究項目；廣西高等學校優秀中青年骨干教師培養工程（GXQG012013032）；廣西研究生教育創新計劃項目（JGY2014117）。