局域聲子理論的鋁合金型材低頻降噪研究

孫召進　王培培

摘 要：低頻噪聲的降噪處理是當前工程領域建設的一個重難點問題，在高速列車行駛過程中產生的低頻噪聲會對人體造成危害，因此，為了能夠獲得有效的低頻降噪方法，本文在闡述局域聲子理論內容的基礎上提出基于局域聲子理論的鋁合金型材低頻降噪實施方案，旨在借助聲子晶體結構的低頻準禁帶特點來降低低頻范圍內的彈性波。

關鍵詞：局域聲子理論;鋁合金;低頻降噪;措施

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.081

1 離心通風機低頻降噪試驗分析

為了能夠更好的解決氣動噪聲問題某大學開展了離心通風機降噪試驗，在試壓中所選擇的實驗風機型號為DW13-42No4.5，屬于前向式多葉片離心通風機，按照《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方式》的基本規定來處理原始噪聲，取風機進風口軸線上距離蝸殼側板1m位置作為測試點，在這個測試位置上能夠得到風機的總體聲壓級，通過聲級獲取聲音信號和借助智能信號來收集整理儀器設備的各個數據信息。在降噪之前發現測試總聲壓級為77.2db，且在總體測試中低頻和中頻占據主要地位。

按照以往的工程建設經驗在通風機葉輪進風口的位置上安裝絲網結構，并將絲網結構固定在風葉機上，使其隨著風機的轉動發生轉動。絲網安裝和測量原理如圖1所示，絲網降噪效果對比分析如圖2所示。根據圖2發現，低頻和中頻的噪聲得到了改善，考慮到絲網結構會隨著風機葉輪的高度旋轉變化出現噪聲，形成新的噪聲源。為了能夠獲得十分理想的降噪效果，降低風機的全壓損失，在試驗中對絲網的直徑大小和材質進行了調整。

2 聲子晶體低頻準禁帶及其分析

聲子晶體降噪一般是利用布拉格散射和局域共振的發展機理來對各個表現進行分析，對于低頻降噪，布拉格散熱需要較大的聲子晶體結構。局域共振機理則是要求聲子晶體結構含有散熱體、基體和包覆層， 結構比較復雜，這一點和絲網結構要求不同。同時，在處理的時候，局域共振激勵對于降低400Hz以下的低頻噪聲會出現比較大的困難，為了能夠更好的解決死網低頻降噪的問題，需要加強對聲子晶體能帶圖的分析。聲子晶體能帶結構充分反映出聲子晶體的各個性能指標，波矢k是橫坐標，頻率是縱坐標，在確定好橫縱坐標之后設計出二者之間的關系曲線。聲子晶體結構在帶隙范圍內的彈性波具備比較高的反射率和較低的吸收率，因此任何形式的彈性波一般都無法在聲子晶體完全帶隙中傳播，基于這個特點可以設計聲子晶體結構，并將噪聲頻帶始終控制在帶隙的范圍內，由此達到組織頻帶噪聲的目的。

通過使用COMSOL軟件模擬來獲得絲網聲子晶體的能待土，在聲子晶體結構周期超過7的時候就可以實現對這個結構的無限期處理。考慮到絲網單位尺寸大小和低頻波長小，由此可以將絲網結構看作處于一個平面范圍內，由此在處理這個結構的時候不僅能夠降低問題的難度，而且還能夠將誤差控制在合理的范圍內。

3 鋁合金型材外地板三角筋板研究

高速列車的地板包含外地板、間夾層、內地板，將局域范圍內聲子板敷設在外地板的上方是當前高速列車地板設定中應用最為廣泛的三角筋板結構。按照最優化結構設計的基本參數規定，利用商業軟件打造高速列車鋁合金材料地板三角筋板模型。模型的長度為2240mm，寬度為1800mm，厚度為40mm，上筋厚度為3mm，下筋厚度為2.5mm，強化筋的厚度為1.8mm。按照鋼筋模板的基本結構特點，將結構形式基本設定為殼單元薄板的基本形式，并對鋁型材料鋼筋板的結構進行模擬分析，按照實際安裝過程中筋板周圍的邊界約束情況來設置邊界固定約束，對地板結構的前六個階固定頻率開展仿真分析。

參考當前聲學超材料在聲學領域研究結果以及計算局域共振板聲透射特性——等效介質法，將局域聲子板等效動態質量密度的各個同性質均質結構整合得到局域聲子板中吸振器和基體板的質量比。按照參數調整公式阻尼動力吸振器設計原理來確定最為理想的調諧頻率比，吸振器等效彈簧剛度和橡膠的黏性阻尼系數。局域聲子板中吸振器和基體板的質量比=阻尼動力吸振器等效質量/鋁型材三角筋板質量。最為理想的調諧頻率比=吸振器的設計頻率/鋁型材三角筋板的固有頻率=1/*（1+吸振器和基體板的質量比）。

4 鋁型材筋板結構隔聲量計算和優化

4.1 結構模型聲學仿真的精準性驗證

借助多物理場商業仿真軟件來對模型開展仿真計算分析，確定驗證仿真的精準性，并將薄板的仿真結果和《噪聲與振動控制工程手冊》中開展的試驗數據信息進行綜合比對分析，選擇對象的長寬高分別為1000mm、1000mm和1mm。仿真誤差出現的原因是實際測量數值和仿真邊界條件數值設定不一致。而出現這一問題的原因是有限元網絡劃分精準度、材料參數、板內部阻尼損耗因子設置對最終結果的影響。

4.2 鋁型材模型結構隔聲量的計算和優化

對鋁型材地板三角筋板開展聲透射隔聲分析，首先，應用專業的商業軟件來打造出一個系統化的幾何參數模型，在模型打造之后設置材料的基本參數、荷載，定義邊界的約束條件和剖析網絡。考慮到在空氣中中頻和低頻波的傳播是平面波的傳播，因而采用1Pa的聲壓值設置平面波入射場聲壓，并對鋼筋的周圍進行固定約束處理。在平面聲波設置的時候會發現在有限元界面會打造出一個固定的結構邊界，在這個邊界范圍內模擬聲固耦合物理關系。在模型中會對聲場領域的入射面和投射面產生平面波輻射，在出現輻射之后需要對入射面和投射面的能量進行積分。根據實驗分析可以發現從100Hz到120Hz之間是比較理想的剛度控制區，在這個區域范圍內的剛度越大，隔聲量就會不斷的提升，在這個范圍內隨著頻率的增加整個筋板會出現一系列的振動，在振動到達一定臨界頻率的時候隔聲量也會降低到最低的狀態，這些信息也會全部透射出去，在透射出去之后會進入到阻尼控制區域。在外部激勵頻率和筋板的固有頻率接近的時候筋板會產生共振的現象。

4.3 阻尼層對鋁合金材料三角筋板隔聲的影響

按照上文對阻尼吸振器設計原理的分析以及高速列車輕型化的設計理念總結得到在質量比u的設置越大的時候，總體數值對板的抑制效果就越好，同時對聲能的損耗也就越理想，但是這樣的設計思想和輕量化的設計理念不符合。為此，結合實際將質量比u的最初數值設定為0.1。按照公式計算要求在上筋板面上敷設一個5mm的橡膠層，剩余的質量還需要設置其他質量塊。在設定的時候阻尼層橡膠剛度等效是吸振器的等效彈簧剛度，加上橡膠本身也具備阻尼，因此在設計的時候要完全參照阻尼吸振器的基本設計原理。

4.4 阻尼上層添加整塊鉛片

按照阻尼動力吸振器的基本設計原理，在橡膠層上面添加0.2mm的全部覆蓋橡膠的鉛片，在y軸方向上打造出筋板質量、含有阻尼的彈簧、整塊鉛片質量結果，在入射的聲波頻率等于局域聲子板固有頻率的時候，整個局域共振模態就會被激發，在y軸方向上會產生一個F作用力，在添加整塊鉛片之后會對橡膠層產生一個反向作用力，振動也會在一定程度上被限制。從實際狀態上來看，彎曲波橫波在XZ平面上會繼續傳播，為此在這個圖中結構的隔聲量我們就可以獲得在二階模態周圍的隔聲量和隔聲低谷。在對周圍頻率范圍內鉛片質量分析之后發現鉛片的質量會提升2db左右，由此正經通過添加質量塊能夠得到一個改進頻率，實現模態固有頻率的改變。按照模態分析結果將動力吸振器上的質量塊附加在各個階模態的波峰位置上，從而能夠抑制好各個階模態上三角筋板的振動變化，減少筋板的振動幅度，從而提升隔聲量。從鋁合金型材的六階固有頻率振動圖形能夠直觀的看到對應振動波峰。鋁合金型材敷設局域聲子板模型如圖3所示，根據圖3發現在模態固有頻率位置上能量一般都會集中在XZ平面鉛片之間的橡膠位置上，在彈性波頻率接近共振單元固有頻率的時候，XZ平面的鉛片上會產生一個反作用力F，這樣的彈性波能量會通過局域性共振能量消失在橡膠層的內部，在將其和結構隔聲曲線對比分析發現整塊鉛片和分布鉛片在低頻端的隔聲效果得到了提升，特別是在122Hz周圍的隔聲更是得到了30db的大小，在360Hz的周圍也提升了10db，同時在250Hz的周圍還會出現一個改進的頻率，這個頻率和122Hz的頻率相比隔聲量提升了5db。通過傳遞過程中的質量、彈簧、質量局域共振結構消耗了聲能，提升了隔聲量，使得試驗操作充分滿足了能量守恒定律。

4.5 鋁型材筋板結構隔聲量的結果分析

試驗操作中所選擇的了鋁合金筋板模型長寬分別為1500mm到1200mm，上板、加強筋、下板的厚度分別是2.5mm、1.8mm、3mm，鋁合金三角板的頻率范圍在100Hz到500Hz的三分之一頻段之間。應用COMSOL仿真分析軟件來對模型數據信息進行仿真模擬分析，最終得到隔聲量的試驗值和仿真數值結果。根據對試驗結果數據信息的對比分析發現軟件仿真在邊界條件上的設置趨于理想化，在這樣理想化設置的影響下低階模態頻率會出現比較大的差異，且在低頻段的時候還會出現比較嚴重的試驗漏聲。

5 結束語

綜上所述，通過分析多系統結構振動理論和根據當前高速列車外地板模型結構的基本特點對其結構開展模態分析，在振幅最大的區域范圍內添加局域聲子板，在添加局域聲子板之后能夠很好的控制板的振動。通過應用專業的仿真軟件來對試驗結果進行驗證分析，并將試驗操作的數據信息誤差控制在合理的范圍內，最終會得到能夠指導工程實踐的結論。

參考文獻

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