不同變量對蜂窩紙板隔聲性能的影響

賈玉東 王濤

摘要：蜂窩紙板作為一種生活中越來越常見的結構，其性能已經得到很多人的重視。本文通過改變不同變量，研究蜂窩紙板的隔聲性能，以期更好的生產此類產品，達到人們所期望的效果。通過聲學邊界條件，聲波的反射和折射理論，來求出蜂窩紙板的隔聲量公式，再帶入不同變量：紙板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窩形狀對隔聲量的影響，得出蜂窩紙板隔聲量優異情況時其紙板的狀態，為后面蜂窩紙板在隔聲中的生產提供一定幫助。

關鍵詞：蜂窩紙板；不同變量；隔聲性能

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 09-0026-04

Effect of Different Variables on Sound Insulation Performance of Honeycomb Paperboard

JIA Yu-dong， WANG Tao（Shandong Xinhua Printing Co.， LTD. Dezhou branch， DeZhou 253018， China）

Abstract： Honeycomb paperboard as a more and more common structure in life， its performance has been a lot of peoples attention. By changing different variables， this paper studies the sound insulation performance of honeycomb paperboard. In order to better products， to achieve the result that people have come to expect. Through the acoustic boundary conditions， acoustic reflection and refraction theory， to find out the honeycomb paperboard sound insulation formula， in the different variables： board size、the density of board、the thickness of the board and the effect of different honeycomb shapes on sound insulation， to reach the state of honeycomb paperboard is obtained when its sound insulation is excellent. It provides some help for the production of honeycomb paperboard in sound insulation

Key words： honeycomb paperboard； different variables； sound insulation performance

近年來，隨著社會的不斷發展，人民生活條件逐步提高，對所處環境有了更高要求，但是噪聲污染一直以來都是日常生活中不可避免的問題。蜂窩紙板作為一種新型材料，已經應用在諸多領域，發揮了巨大作用。德國、日本、意大利的高速列車車體、護板、部分結構件等都采用了蜂窩夾層結構材料，美國海軍采用蜂窩面板作為船艙壁材料以減輕船重，從而改善艦船的靈活性和穩定性[1，2]。隨著不斷研究，人們發現蜂窩紙板在隔聲方面也存在著優良性能。經測試，單層芯做的蜂窩板，聲波頻率在500Hz以上時，隔聲效果隨頻率的提高而增加[3]。本文通過分析蜂窩紙板的不同變量，來比較其隔聲性能的優良程度。

1 隔聲特性分析

1.1 噪聲控制的三個手段

1）對聲源進行控制。把產生噪聲的聲源從源頭消除，杜絕其向外傳播的機會。聲源是目前最好的控制方式，主要是使用阻尼材料、改進潤滑、改變共振頻率、破壞共振、隔離聲源震動部分等方法[4]。

2）對傳播途徑進行控制。通過阻隔傳播途徑來降低噪聲污染，是最簡單易行的一種方法。可以通過遠離噪聲的源頭，利用一些有隔音效果的結構來降低噪聲傳播。其實就是增加聲音在傳播中的損耗，以此達到降低噪聲的目的。

3）對噪聲的受害者進行保護。如果無法通過聲源和傳播途徑降低噪聲，那只能通過降低噪聲接收者的分貝來降低對其的傷害。

1.2 隔聲特性曲線

對于有隔聲性能的材料或結構來說，隔聲特性曲線是體現其隔聲能力的一個重要參數。

1）第一階段，剛度控制區域。在這一區域內，隔聲結構隔聲性能的高低主要受其剛度控制，結構剛度越大，隔聲量也就越大[5]。

2）第二階段，隔聲量會與材料達到共振效果。在這個階段，材料的隔聲性能會有急劇的變化，隔聲性能也會出現一個最小值。

3）第三階段，隔聲量會和質量有重要關系。在這一階段，隨著質量不斷增加，隔聲性能也會逐漸增強。

4）第四階段，隨著頻率不斷增加，在某一個值，隔聲量會有急劇下降。

2 不同變量對蜂窩紙板隔聲性能的影響

2.1 背景概況

研究蜂窩紙板的隔聲能力，直接對蜂窩紙板進行研究存在一定難度，這時將蜂窩紙板結構進行簡化，等效為一種理論模型來進行計算將會顯得更加便利。然后對等效的理論模型進行單一變量改變，達到想要的結果。在現階段，主要的等效理論模型主要有四個，第一個就是Hoff剛度等效理論，這是一種典型的等效板理論，它將蜂窩夾層板等效為與原夾層板不等厚度的各向同性殼，不但像彎曲板一樣承受垂直板面的剪力載荷和彎扭載荷，還能像平面應力板一樣承受面內的壓力和剪切載荷[6]；第二個是改進的Allen模型，考慮了蜂窩夾芯的彎曲剛度進行的等厚度等效，即在體積保持不變的情況下考慮夾芯影響的等效模型。這種理論模型也是將蜂窩紙板看作一個整體來進行考慮，只不過考慮是會將厚度與等效前一樣[6]，來計算出所需求的數據；第三個是蜂窩板理論，將蜂窩夾層板等效為同材質、均勻密度、與原板厚度相同的各向異性板[7]，得出蜂窩板的各項等效參數；第四個是三明治夾層板理論，這種等效模型是將蜂窩板等效為上下兩層夾個板的結構，最大程度保留了應有的結構形態。

本文利用三明治夾層板的理論模型，通過聲學邊界條件，聲波的反射和折射理論等方法，求出蜂窩紙板的隔聲量，最終發現蜂窩紙板的隔聲性能非常符合隔聲特性曲線的規律。

2.2 不同變量對蜂窩板隔聲量的影響

2.2.1 蜂窩紙板尺寸對隔聲量的影響

蜂窩板的面板尺寸對固有頻率有著很大影響，尤其是在第一階段。因為蜂窩紙板結構本身有自己的固有頻率，當射入的聲波頻率與蜂窩板結構的固有頻率逐漸接近時，就會產生共振，從而降低蜂窩板的隔聲能力。在低頻階段，蜂窩板的傳聲損失隨著蜂窩板面積的增大而減小。當隔聲曲線進入質量控制階段時，由于面板的增加，蜂窩板結構的質量增大，尺寸大的蜂窩板結構隔聲性能更加優越。因為現代生活中的大部分噪聲都處在低頻階段，所以為了更好地達到隔聲效果，可以通過改變蜂窩面板的尺寸，在可能的情況下，增加面板的尺寸，或者增加面板的層數。

2.2.2 蜂窩紙板的密度對隔聲量的影響

當增加面板的密度時，由于密度并不能增加面板的剛度，所以在剛度控制區域，三種不同尺寸蜂窩板的傳聲損失并不會有明顯區別。而在質量控制區和吻合效應時，密度的增加可以顯著提高蜂窩板的質量，所以隔聲性能會有非常顯著的提高，且密度越大，蜂窩板的隔聲性能提升越明顯。所以在進行生產生活時，可以在盡可能的情況下使用面板密度較大的材料，可以得到更好的隔聲效果。

2.2.3 蜂窩紙板的厚度對隔聲量的影響

控制面板的厚度可以顯著改善所有頻率范圍內的傳聲損耗。蜂窩紙板的厚度對從低到高頻率的聲音都有很明顯的作用。這是由于面板厚度的增加，不管是蜂窩結構的剛度還是質量都會有顯著提高，而這兩項提高就會使得蜂窩板在剛度控制段和質量控制段對傳聲損失都有很大影響。

2.2.4 芯層厚度對傳聲損失的影響

當逐漸提高蜂窩板的芯層厚度時，可以在一定頻率下改善蜂窩板的隔聲能力。因為如果增加蜂窩板的芯層厚度，能夠合理的增加蜂窩板的彎曲剛度，因此也就讓在傳聲損失的剛度控制區，芯層比較厚的蜂窩板會有更好地隔音能力。因為蜂窩板結構自己特有的頻率會隨著蜂窩板芯層厚度的逐漸增加而不斷提高，所以入射聲波的頻率與蜂窩板固有頻率達到共振的階段也就會相應往頻率高的區段移動一點。所以在高頻區域，雖然芯層的高度增加，傳聲損失也在逐漸增加，但是芯層厚度對傳聲損失的影響沒有那么顯著，幾乎處于差不多相同的狀態。這是因為，在高頻時控制隔聲性能最主要的因素已經變成了質量，由于蜂窩芯密度較小，所以在增加芯層厚度時，并不會對蜂窩板的整體質量產生太大影響，所以傳聲損失的影響只有很小一點，并不會像之前有那么大的影響。

2.2.5 不同芯層結構對隔聲量的影響

密排的圓形蜂窩夾芯層板對傳聲損失的影響較大，也就有著更好地隔聲性能，然后對傳聲損失有著較好能力的是疏排的圓形，再就是三角形，而隔聲能力最差的是正六邊形和方形，正六邊形比方形稍微好一點。

對于蜂窩紙板結構來看，隔聲曲線先是有一個明顯的下降趨勢，然后在某一個頻率附近到達谷底，造成這種現象的原因是這一階段射入的聲波頻率和蜂窩紙板自己所特有的頻率越來越接近，逐漸到達共振階段，直接削弱了蜂窩板結構的隔聲性能。但是隨著射入的聲波頻率不斷升高，逐漸到達了主要由剛度和質量控制隔聲能力的階段，蜂窩板的隔聲性能開始逐漸增強，但是因為不同芯層結構的剛度和質量也不同，所以隔聲性能也會產生一定影響。

3 總結與展望

本文通過在一定條件下改變不同變量，包括紙板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窩形狀等，研究了蜂窩紙板的隔聲性能。未來對蜂窩紙板這一優異結構還需展開更加細致的調查研究，可以從改變材料、改變一定結構等方面著手探究隔聲方面的性能。

參考文獻：

[1] 盧天健，辛鋒先.輕質板殼結構設計的振動和聲學基礎[M].北京：科學出版社，2012.

[2] 張廣平，戴干策.復合材料蜂窩夾芯板及其應用[J].纖維復合材料，2000，25（2）：25-27.

[3] 王正忠.輕質蜂窩夾層結構復合隔聲材料[J].噪聲與振動控制，1993，（3）：23-25.

[4] 苗鳳娟.防治到港船舶污染的岸電技術研究[D].上海海事大學2006.

[5] 李威.多類蜂窩芯夾層板的振動與隔聲特性研究[D].南昌航空大學，2019.

[6] 李賢冰.蜂窩夾層板結構的減震設計[D].國防科技大學，2012.

[7] 季寶峰，陳東良，孫艷杰，等.基于等效理論的蜂窩夾層板強度等效分析[J].宇航材料工藝，2015，（2）：12-15.