微納米多孔梯度材料噪聲控制效果仿真及試驗

楊坤，張航，張瑋

(1.海軍研究院，北京 100161；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

船舶艙室噪聲產生和傳播方式，主要分為結構噪聲和空氣噪聲2類。通過傳統減隔振措施等對船舶艙室結構噪聲的有效控制代價較高，且隨著技術進步和降噪要求不斷提高，空氣噪聲治理逐漸成為熱點，如何創新開發舾裝聲學材料，從空氣噪聲傳播途徑上控制艙室噪聲水平，是研究船舶艙室噪聲控制的最有效途徑。微納米多孔材料作為一種具備大剛度、低密度等優異性能的新型復合材料，在減振降噪等領域展現出良好的應用前景。

學者們在研究新材料艙室噪聲控制方面做了相關研究，對復合材料結構聲學性能特性仿真及試驗研究成果豐富，但目前未見針對微納米多孔梯度材料聲學性能研究的相關報道。為探究聲學材料的聲學性能，表征聲學材料吸隔聲參數，從船舶艙室空氣噪聲控制角度出發，開展微納米多孔梯度材料聲學性能仿真及試驗，以獲得材料性能參數、適合的仿真預報方法等。

1 模擬艙室敷設微納米多孔梯度聲學材料仿真

1.1 統計能量分析法

統計能量分析法是研究和預報船舶艙室空氣噪聲的常用方法。應用統計的方法研究整個系統之中各部分子系統之間的能量的傳遞和平衡，振動能量作為動力學分析的基本量，通過對統計能量分析模型中相應子系統考慮舾裝材料吸隔聲特性，以分析該材料對艙室空氣噪聲的綜合控制效果。采用成熟的VA-One全頻段聲學評估軟件進行統計能量分析法建模求解。

1.2 聲學材料參數

微納米多孔梯度材料可針對工作頻段，對多孔材料內孔徑、孔隙深度、孔隙率等參數進行定向設計，采用的微納米多孔梯度材料孔徑梯度逐層變化，由大孔-氣凝膠-中孔-氣凝膠-微孔5層梯度構成。材料總厚度為50 mm，其中氣凝膠厚度約10 mm(樣板壓緊后)，密度1.1 g/cm；大孔鋁厚度10 mm，孔徑3～5 mm，密度1.08 g/cm，孔隙率60%；中孔鋁厚度10 mm，孔徑400 μm，密度1.215 g/cm，孔隙率55%；微孔鋁厚度10 mm，孔徑400 nm，密度為1.35 g/cm，孔隙率50%。微納米多孔材料標準件和板材大樣見圖1、2。

圖1 微納米多孔材料標準樣件

圖2 微納米多孔材料模擬艙室敷設樣板

采用駐波管法對材料標準件進行吸聲測試，得到微納米多孔材料吸聲系數變化見圖3。

圖3 微納米多孔材料吸聲系數變化

2 艙室敷設聲學材料統計能量建模

2.1 統計能量模型

根據某船舶實際艙室簡化設計一型長方體模擬試驗艙室，基于VA-One全頻段聲學評估軟件建立典型艙室SEA模型，考慮模擬艙室建立的外部輔助聲腔和板子系統，模型子系統總計65個。統計能量模見圖4、5。

圖4 板殼子系統離散視圖

圖5 子系統連接示意

2.2 損耗因子

由于艙室艙壁處設計有結構加強，且各板架結構具有阻尼屬性，對SEA模型的板子系統設置相應結構損耗因子，根據板架損耗因子試驗和經驗公式，得到結構內損耗因子見圖6。

圖6 結構內損耗因子

2.3 聲學材料敷設方案

以超細玻璃棉作為對照，評估兩種聲學材料的噪聲控制效果，對模擬艙室SEA模型設置以下敷設方案，見表1。

表1 模擬艙室聲學材料敷設方案

2.4 模擬艙室空氣噪聲控制效果分析

根據聲學材料敷設方案對模擬艙室進行相應聲學處理，在距艙壁外3 m處加載船舶典型風機設備聲功率激勵載荷，載荷見圖7。

圖7 典型風機聲功率載荷

選取模擬艙室內1.5 m高度處聲腔作為考核聲腔，計算模擬艙室不同聲學材料敷設工況下的艙室空氣噪聲預報結果，見圖8、9。

圖8 各工況噪聲值變化

圖9 各工況噪聲值與無敷設對比

計算結果顯示，在船舶典型風機激勵下艙室敷設微納米多孔梯度材料較敷設傳統超細玻璃棉噪聲控制效果更好，尤其在20～1 000 Hz中低頻段內，兩種聲學材料在艙壁四周敷設工況下隔聲量總級較無敷設分別降低16.0、19.1 dB(A)。同時，四周敷設聲學材料與五面敷設噪聲效果相差不大。

3 試驗分析

3.1 試驗模型

選取某船工作艙室，簡化設計兩個相同長方形模擬艙室以敷設兩種聲學材料，開展艙室空氣噪聲控制效果對比試驗。為了突出表征聲學材料的聲學性能參數，驗證方法的可行性，根據實際艙室設計簡化試驗模型，模擬艙室尺寸見表2。

表2 模擬艙室尺寸

根據仿真研究結果，考慮四周敷設聲學材料與五面敷設材料聲學控制效果接近，模擬模型僅對艙壁四周敷設聲學材料，為盡可能接近艙室實際舾裝，材料表面包裹鋁箔，模擬艙室試驗模型見圖10。

圖10 模擬艙室試驗模型

3.2 試驗測點布置

以無指向性聲源發出噪聲激勵，利用布置在艙室內外的傳聲器測量模擬艙室內的噪聲水平，測試聲壓考核點及聲源激勵位置見圖11。其中無指向性聲源發出船舶典型風機噪聲為激勵，模擬艙室內沿艙室長度布置依次4個傳聲器，獲得艙室內平均聲壓值，最終計算艙室內外隔聲量。

圖11 模擬艙室試驗測試示意(尺寸單位：m)

試驗具體工況見表3。

表3 模擬艙室內外平均聲壓級試驗工況

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 混響時間測試

微納米多孔梯度材料為多孔材料，吸聲影響不可忽視。測得模擬艙室混響時間測量以修正后續隔聲試驗結果，得到模擬艙室內測試得到的聲壓級。混響時間測量采用聲源截斷法，測試結果見圖12。

圖12 敷設微納米多孔梯度材料前后模擬艙室混響時間對比

由圖12可知,80 Hz～20 kHz頻段范圍內，除微納米多孔梯度材料外，無敷設和敷設超細玻璃棉模擬艙室混響時間呈現低頻大、高頻小的特點，敷設微納米多孔梯度材料模擬艙室全頻段混響時間基本無變化。

3.3.2 隔聲性能試驗結果對比分析

模擬艙室無敷設、敷設超細玻璃棉、敷設微納米多孔梯度材料等工況，經背景噪聲和混響時間修正后的艙室內外隔聲量結果見圖13。

圖13 不同敷設材料艙室內外隔聲量對比

由圖13可知,全頻段，微納米多孔梯度材料均與超細玻璃棉相比有更好的隔聲效果，計算20 Hz～8 kHz全頻段隔聲量曲線總級，無敷設、敷設超細玻璃棉、微納米多孔梯度材料隔聲量分別為14.6、34.5、37.6 dB(A)，相比于傳統舾裝材料，微納米多孔梯度材料全頻段內隔聲量能提高3.1 dB(A)。

為分析微納米多孔梯度材料重點作用頻段，計算低頻(≤200 Hz)、中頻(200 Hz～1 kHz)和高頻(≥1 kHz)各頻段隔聲量曲線總級試驗結果，見表4。

表4 不同敷設材料不同頻段隔聲量曲線總級

由表4可知，相較于超細玻璃棉，敷設微納米多孔梯度材料在低頻、中頻效果更優，頻段內隔聲量曲線總級分別提高7.4、1.7 dB(A)；在高頻段，

微納米多孔梯度材料噪聲控制效果相對較弱，主要是因為玻璃棉內部存在更多細小孔隙與孔洞，使其在高頻段表現出更強的聲學性能。船舶機械噪聲主要存在低頻段，由于微納米多孔梯度材料的孔隙率、梯度等參數的可設計性，可開發適合不同艙室構型、不同噪聲源、不同頻段控制需求的微納米多孔梯度聲學材料，實現聲學針對性控制。

此外，敷設微納米多孔梯度材料和敷設超細玻璃棉20 Hz～1 kHz頻段隔聲量曲線總級較無敷設降低18.8、20.7 dB(A)，與仿真結果16.0、19.1 dB(A)接近，誤差在3 dB(A)以內，誤差原因主要在于仿真模型對艙室結構進行了簡化、板材制造厚度存在偏差，對結構進行了油漆涂覆，結構加筋以及等制備工藝，導致性能參數偏差。

4 結論

1)采用VA-One全頻段聲學評估軟件預報敷設超細玻璃棉隔聲控制效果，預報誤差可控制在3 dB(A)以內，滿足工程精度要求。

2)相比敷設超細玻璃棉，0～8 kHz頻段內，微納米多孔梯度材料可提高隔聲效果約3 dB(A)；低頻(≤200 Hz)聲學效果更好，頻段內隔聲量曲線總級高7.4 dB(A)，又由于材料具有可設計性更好、剛度較好的特點，有較好的應用前景。