微穿孔型材結構隔聲特性分析及影響因素探究

摘要：針對高速列車型材中低頻隔聲，探究了平面波激勵下，在型材上面板穿孔、筋板穿孔以及上面板和筋板同時穿孔時的傳聲損失。基于有限元法，在COMSOL中建立了微穿孔型材有限元模型，并考慮模型聲學結構的相互作用以及穿孔后的孔內黏熱損耗。通過與文獻結果對比，驗證了建模方法和仿真模型的準確性。與未穿孔型材相比，在型材上面板穿孔以及上面板和筋板同時穿孔均在其共振頻率處產生共振峰值，具有更好的隔聲特性。探討了穿孔半徑、穿孔率以及穿孔面板厚度對型材隔聲特性的影響。結果表明：型材共振頻率隨著孔徑的減小和穿孔率的增加而逐漸向高頻移動；隨著板厚的增加，型材共振頻率逐漸向低頻移動。在上面板和筋板同時穿孔比僅在上面板穿孔具有更低的共振頻率。

關鍵詞：鋁型材；微穿孔；傳聲損失；共振

中圖分類號：U270.1+6 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.001

文章編號：1006-0316 （2024） 04-0001-07

Analysis of Sound Insulation Characteristics of Microperforated Profile Structure and

Investigation of Influencing Factors

YANG Wenbo1，ZHANG Jie2，YANG Yun1，XIAO Xinbiao1

（ 1. State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2. State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：Focusing on the mid to low-frequency sound insulation of high-speed train profiles， the sound transmission loss under plane wave excitation when the upper panel， the stiffener are perforated separately and when both the upper panel and the stiffener simultaneously is investigated. Based on the finite element method， the finite element model of the micro-perforated profile is established in COMSOL， and the interaction of the acoustic structure and the internal viscosity heat loss after perforation are considered. The accuracy of the modeling method and simulation model is verified by comparing with the literature results. Compared with the unperforated profile， the perforation on the upper panel and the simultaneous perforation on both the upper panel and the stiffener both result in resonance peaks at the resonance frequencies， which has better sound insulation characteristics. The influences of perforation radius， perforation rate and perforation panel thickness on sound insulation characteristics of profiles are discussed. The results show that the resonance frequency of profiles gradually shifts to high frequency with the decrease of aperture and the increase of perforation rate， and the resonance frequency of profiles gradually shifts to low frequency with the increase of plate thickness. Perforation on both the upper panel and the stiffener has a lower resonant frequency than only on the upper panel.

Key words：aluminium extrusion material；microperforation；sound transmission loss；resonance

高速列車的乘坐舒適性，特別是列車的振動噪聲性能，是評價高速列車性能的關鍵因素。但在現階段高速列車追求更高速和輕量化的情況下，車內的中低頻噪聲問題仍然不斷困擾著人們。Eade等[1]對軌道車輛的噪聲源和噪聲傳遞到車內的顯著路徑進行了研究，指出客室內噪聲由噪聲源通過空氣傳聲和結構傳聲兩種方式產生。張捷等[2]通過對高速鐵路線路進行試驗和車內噪聲測試分析得出，高速列車的車內噪聲在中低頻段具有較高的幅值。鋁合金型材作為列車車體的主要骨架，具有質量輕、穩定性好等優點，它的隔聲性能直接影響著車內噪聲。學者們在解決型材隔聲問題上做了許多研究。張玉梅[3]通過改變型材鋪設的阻尼層厚度、隔音墊的粘貼方式以及添加吸聲材料等方法對高速列車型材結構的聲振特性進行了優化。陳燕榮等[4]建立了動車組用鋁合金型材的參數化幾何模型和有限元模型，分析了鋁合金型材結構參數變化對型材隔聲特性的影響，并給出了結構的優化方案。但以上研究主要是改善型材的中高頻隔聲特性，對低頻幾乎不起作用。鋁型材在低頻時的隔聲控制較為困難，現在的研究逐漸向控制低頻隔聲方向發展，因此，采取有效措施提高型材的低頻隔聲具有研究價值。

近年來，基于共振原理的聲學超材料的應用快速發展，為研究型材低頻隔聲問題提供了新的方向和參考依據[5-7]。HUANG等[8]提出一種在Helmholtz共振腔的背腔內嵌入長管的亞波長共振吸聲結構，該結構的可調諧振頻率為137～300 Hz。TANG等[9]在蜂窩狀聲學超材料的基礎上加入了波紋板，并在頂部面板和波紋板上引入微穿孔，形成穿孔蜂窩－波紋復合芯，從而實現超寬頻吸聲。LIU等[10]將多孔吸聲材料添加到穿孔板背后，表明其能夠拓寬吸聲帶寬。XIE等[11]研究了在穿孔板的背腔內增加蜂窩結構，形成一個背腔對應一個孔，并且具有不同孔徑的微穿孔板結構的吸聲性能。張豐輝等[12]在蜂窩夾層結構中引入波紋結構，在面板和波紋上分別穿微孔形成微穿孔蜂窩－波紋復合結構，可以有效降低低頻噪聲。

本文針對高速列車鋁型材隔聲問題，研究微穿孔對型材隔聲影響的規律，建立微穿孔型材的模型并進行模型驗證，探究不同穿孔下，型材傳聲損失的變化。研究結果可為解決型材低頻隔聲問題提供參考依據。

1 傳聲損失計算方法

有限面板的傳聲損失計算模型如圖1所示，施加一個平面聲波激勵入射到面板上。在源側，聲場主要是平面入射聲波Pinc和反射聲波Pref，而在接收側，僅存在傳輸聲波Ptr。

對于單板隔聲，其傳聲損失通常用聲透射系數來表示，具體為：

式中：STL為傳聲損失； 為聲透射系數，指透過結構上的聲能量與入射到結構上聲能量的比值； 為入射聲功率； 為透射聲功率；conj為共軛復數；S為單板面積； 為空氣密度； 為聲速； 為表面速度。

板件結構的隔聲性能受板件質量、約束條件以及入射聲波等因素的影響。

2 聲學有限元模型及模型驗證

2.1 聲學有限元模型

本文計算微穿孔型材結構的三維模型如圖2所示，模型初始參數為：上面板厚h1＝1 mm、下面板厚h2＝2 mm、穿孔率j＝0.8%、穿孔半徑r＝0.45 mm、筋板厚t＝1 mm。其中，穿孔半徑、穿孔率、上面板厚均為可調變量。

采用COMSOL軟件中的聲－固耦合接口建立穿孔型材結構的聲學有限元模型。由于穿孔的孔徑較小，需要考慮孔內的黏滯損耗和熱損耗，以便更準確地模擬仿真的實際情況。模型構建流程主要包括：幾何模型建立、域材料設置、網格選擇與劃分，以及計算范圍與求解器設置。建立的聲學有限元模型如圖3所示。

有限元模型中材料包括固體域和空氣域。固體域的材料為鋁，空氣域的材料為空氣。聲波從型材一側入射，入射聲場選用背景壓力場，在入射聲場和透射聲場的一側都有完美匹配層（Perfectly Matched Layer，PML）。完美匹配層可以吸收進入其中的所有能量。完美匹配層內只存在入射聲波，從其他非完美匹配層入射到完美匹配層的聲波不會被反射，所以用兩個完美匹配層添加到入射場和透射場的兩端，用來模擬無限和非反射聲場，保證了聲學有限元模型在計算傳聲損失過程中的準確性。

型材的上面板、下面板以及完美匹配層區域采用掃掠的方式生成六面體網格，其他部分采用四面體網格。聲學有限元模型中取值分別為：聲速343 m/s、動力粘度1.78×10-5 Pa×s、體積粘度3.08×10-3 Pa×s、密度1.29 kg/m3。

2.2 模型驗證

為驗證有限元模型及計算方法的準確性，以文獻[13]中的結構參數和建模方法建立了型材的傳聲損失計算模型，選擇多物理場中的壓力聲學模塊、固體力學模塊以及熱黏性聲學模塊對型材的傳聲損失進行計算。在COMSOL中對仿真模型的傳聲損失進行求解，未穿孔型材模型和穿孔型材模型的計算結果如圖4所示。可以看出，兩條傳聲損失曲線幾乎重合，沒有明顯誤差，因此，本文在COMSOL中的建模計算方法正確。

3 型材隔聲特性

3.1 隔聲特性分析

完成對型材結構的有限元仿真建模后，在COMSOL中添加研究對有限元模型進行求解。入射聲場條件設置為背景壓力場，聲壓幅值大小設置為1 Pa，計算1～1200 Hz頻率內，型材不穿孔、僅型材上面板穿孔以及型材上面板和筋板同時穿孔型材結構在垂向單位聲波激勵下的傳聲損失曲線。型材在穿孔前后的傳聲損失結果對比如圖5所示。

可以看出，相對于未穿孔型材，在型材上面板穿孔后，型材在共振頻率處具有更好的傳聲損失，穿孔之后，聲波在傳播過程中進入小孔，聲能量被孔隙中的黏熱損耗所消耗。因此，型材吸收的能量增加、傳輸的能量減少，型材的傳聲損失提高。相對于僅在型材上面板穿孔，在型材上面板和筋板都穿孔的共振頻率向更低頻率移動。

從以上計算結果可以得出結論：在型材的上面板穿孔對其傳聲損失的影響較大，在型材上面板和筋板同時穿孔比僅在上板穿孔具有更好的低頻聲學性能。

3.2 聲強分布特性

為更好地分析在型材上穿微孔后的隔聲特性，繪制了通過聲學有限元分析得到的共振頻率下型材結構穿孔前后的聲強分布對比云圖，如圖6所示。

可以看出，在共振頻率時，未穿孔型材的聲強分布在入射域和透射域兩側，此時，型材對聲波的傳播阻礙較小；而穿孔后型材的聲強主要集中在入射域一側，型材隔絕作用加強，聲波在經過型材時很少從結構中透射出來，從而使得型材在共振頻率范圍內的隔聲得到了明顯改善。穿孔后，聲波會在共振頻率上表現出較大的振蕩，在微穿孔型材進口處的巨大壓力振蕩會對聲場產生顯著影響。該現象揭示了微穿孔型材結構隔聲特性原理，即在結構共振頻處，孔內熱損耗和黏滯損耗增加，大量聲能量在孔內得到消耗，隨著聲能量的衰減，使得透過型材的聲能量減少，從而提高了型材在共振頻率處的隔聲效果。

型材上穿微孔能改變結構在共振頻率處的隔聲特性。為提高型材在重要頻段的隔聲量，下文討論不同穿孔半徑、穿孔率和穿孔板厚等參數變量對型材結構隔聲特性的影響。

4 參數影響規律分析

本節采用控制變量法，討論改變幾何參數穿孔半徑、穿孔率和穿孔板厚對型材隔聲的影響，進而為設計出提高型材低頻隔聲的結構提供參考依據。

4.1 穿孔半徑的影響

采用2.1節中的聲學有限元模型，穿孔半徑r分別取0.45 mm、0.39 mm和0.35 mm，穿孔均勻分布，保證型材結構其他參數尺寸不變，僅在型材面板穿孔、型材面板和筋板同時穿孔兩種情況下的傳聲損失計算結果如圖7所示。

可以看出，隨著穿孔半徑r的減小，型材的共振頻率逐漸增大，但共振峰值有所降低，傳聲損失的帶寬擴大。這是由于，當穿孔率固定時，穿孔孔內的空氣－框架界面面積隨著孔徑的減小而增大，改進的空氣框架接口面積增加了聲阻抗，從而擴大了傳聲損失的帶寬，而型材微穿孔結構的聲共振頻率是由其聲阻抗決定的，減小孔徑可以增大聲阻并減小聲抗，因此，型材聲共振頻率會隨著孔的減小而增大。在面板和筋板同時穿孔有同樣的規律，只是相對于僅在面板穿孔，加上在筋板穿孔后，型材的共振頻率向更低頻移動。

4.2 穿孔率的影響

穿孔率是影響微穿孔結構聲學性能的重要參數，穿孔率不同，所表現出的隔聲特性也會不同。穿孔率j分別取0.39%、0.79%和1.12%，孔徑均勻分布，并保持型材的其他幾何尺寸參數不變，僅在型材面板穿孔、型材面板和筋板同時穿孔兩種情況下的傳聲損失計算結果如圖8所示。

可以看出，隨著穿孔率的增加，型材的共振頻率逐漸向高頻移動，傳聲損失帶寬逐漸增加。較大的穿孔率能夠降低聲抗，從而拓寬傳聲損失的帶寬，而聲阻隨著穿孔率的減小逐漸增加。當聲阻不足時，小的穿孔率能夠增加聲阻，從而使共振頻率向低頻移動。因此，對于具有均勻穿孔率的型材，其傳聲損失共振頻率的降低和帶寬的增加剛好相反。在面板和筋板同時穿孔有同樣的規律，只是相對于僅在面板穿孔，加上在筋板穿孔后，型材的共振頻率向更低頻移動。

設計過程中，穿孔率要配合穿孔半徑等其他參數獲得一個平衡，從而達到理想隔聲效果。

4.3 穿孔板厚的影響

穿孔板厚也是影響微穿孔型材結構隔聲特性的重要因素之一。板厚h1分別取1.0 mm、 "1.5 mm和2.0 mm，控制型材其他參數尺寸不變，僅在面板穿孔、面板和筋板同時穿孔兩種情況下的型材傳聲損失計算結果如圖9所示。

圖9 穿孔板厚對型材傳聲損失的影響

可以看出，隨著穿孔板厚的增加，型材共振頻率逐漸向低頻移動，穿孔板厚的影響與穿孔率的影響類似，增加穿孔板厚可以增加聲阻，隨著聲阻的增大，穿孔型材共振頻率向低頻移動。另一方面，隨著穿孔板厚的增加，型材的傳聲損失曲線整體會有一個提高。在面板和筋板同時穿孔后，型材共振頻率向更低頻移動。

5 結論

通過對穿孔型材聲學有限元模型的計算與分析，主要得出以下結論：

（1）相對于未穿孔型材，在型材上面板穿孔以及上面板和筋板同時開孔時，型材會在共振頻率處產生峰值，從而獲得更好的隔聲特性，且在上面板和筋板同時穿孔時，共振峰值向更低頻移動。

（2）在型材上面板穿孔后，由于孔內熱損耗和黏滯損耗的增加，聲能量被大量消耗，隨著聲能量的衰減，型材透射域一側的聲壓級顯著降低。正是因為孔內聲速的變化使得黏熱損耗增加，進而進入型材的聲能量衰減，從而提高型材在共振頻率處的隔聲。

（3）隨著穿孔半徑的減小，型材的共振頻率逐漸增大，但共振峰值有所降低；隨著穿孔率的增加，型材的共振頻率逐漸向高頻移動，傳聲損失帶寬逐漸增加；隨著穿孔板厚的增加，型材的共振頻率逐漸向低頻移動。

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