基于COMSOL的板結構聲學性能仿真研究

戴震坤

摘要：本文基于COMSOL軟件建立了三種厚度相同的板結構的聲學仿真模型，分別是云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板，并開展了其聲學性能的仿真研究。研究表明，鋁板在低頻區域具有最好的隔聲性能，夾層板次之，但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩定。

關鍵詞：聲學生能;傳聲損失;板結構;COMSOL軟件

0 ?引言

隨著人們環保意識的增強，以及國家發展綠色復合材料的需求，植物纖維復合材料的研究受到了越來越多的關注。植物纖維具有天然的空腔結構，聲波在空腔中傳播時更容易發生能量耗散而被吸收掉，因此植物纖維具有優良的吸聲性能[1-3]。本論文基于COMSOL軟件開展了云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板的聲學性能仿真研究。

1 ?聲學模型構建

首先在COMSOL軟件中建立三種板結構的聲學仿真模型。以夾層板的建模為例，陳述如下：在“模型導向”建模模式中選擇三維空間維度并添加“聲-固相互作用，頻域”物理場接口與“頻域”研究。板的面板，芯層和研究域均采用“長方體”，夾層板的兩個面板均采用鋁面板，選擇“Aluminum3003 [solid，-F]”，芯層材料選擇“Pine[solid， tangential]”，聲壓級參考壓力設置為環境空氣的參考壓力。選擇自由四面體網格用于劃分網格單元，將最大單元尺寸設置為343[m/s]/1500[Hz]/5=0.045mm，至此即可完成夾層板的聲學仿真模型構建。

2 ?聲學性能仿真研究

模型建完后，設置相應的分析頻率范圍，此處為50-1500Hz，計算頻率間隔為25Hz，然后點擊“計算”進行運算，在“模型開發器”的“結果”展開列里可以看到結果列表。單擊“結果”節點下的聲壓、聲壓級、聲壓等值面、傳聲損失以及1/3倍頻帶圖等按鈕便可查看相應的分析結果。圖1-圖4所示為芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的聲學仿真結果圖。

由圖4和圖5可以看出，夾層板在整個分析頻帶上都具有比較高的傳聲損失值。為進一步考察同等厚度的純鋁板與純云杉板的隔聲性能，將芯層與面板材料進行替換，分別測得云杉板與鋁板的聲學性能，將仿真結果導入表格，并在matlab中編程讀取仿真數據繪圖，可得到三種板結構的傳聲損失對比圖，如圖6所示。

從傳聲損失比對圖可知，鋁板在低頻區域具有最好的隔聲性能，夾層板次之，但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩定。在傳聲損失曲線上，某些頻率傳聲損失會突然下降，這些頻率與板的固有模態頻率相接近，引起了板的共振，從而使傳聲損失下降。

在低頻區域，芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的傳聲損失與同厚度的鋁板相當，但在高頻區域，夾層板的傳聲損失量卻明顯高于鋁板，這意味著用云杉作芯層的夾層板的高頻隔聲性能優于同厚度的鋁板。這是由于當入射聲波接觸植物多孔材料時，材料表面及材料內部孔洞中的空氣分子將被迫發生振動，從而消耗掉入射聲能。在這個過程中，聲波所攜帶的能量，將在材料內部孔隙壁、通道與空氣之間的熱交換以及粘性阻力作用下，被逐漸轉化為熱能。此外，對于纖維狀多孔材料面而言，纖維之間的摩擦，以及單根纖維的振動也將消耗掉部分聲能。

3 ?結語

本文基于COMSOL軟件研究了三種厚度相同的板結構的隔聲性能。研究表明，芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板在整個隔聲頻帶上都具有較好的隔聲性能，其在高頻段的隔聲性能明顯優于同厚度的鋁板。

參考文獻：

[1]李巖，李倩.植物纖維增強復合材料力學高性能化與多功能化研究[J].固體力學學報，2017，38（03）：215-243.

[2]倪麗.多物理場作用下的多孔金屬材料聲學性能研究[D].銀川：寧夏大學，2016.

[3]劉國強，樓京俊，何世平等.基于COMSOL多層材料吸聲覆蓋層的吸聲特性分析[J].艦船科學技術，2016，38（07）：33-37.

[4]李娟.組合微穿孔吸聲體聲學特性研究[D].銀川：寧夏大學，2015.