基于多孔材料的圆柱结构噪声实验与仿真分析

乔萌，李健，李彬（.广西科技大学汽车与交通学院，广西 柳州 540006；.武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430000）



基于多孔材料的圆柱结构噪声实验与仿真分析

乔萌1，李健1，李彬2
（1.广西科技大学汽车与交通学院，广西 柳州 540006；2.武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430000）

摘要：基于声学覆盖层噪声被动控制方法，建立圆柱结构及铺设多孔材料圆柱结构声腔噪声实验平台，测试并获得了圆柱结构无材料铺设、铺设三聚氰胺泡沫、铺设吸音棉腔内噪声频谱图，分析比较了不同厚度、不同密度多孔材料的降噪效果。基于LMS Virtual-lab 声学软件建立多孔材料圆柱型声腔仿真计算模型，研究了某种多孔材料孔隙率、流阻、曲折因子对圆柱型声腔噪声响应的影响，提出了基于多孔材料噪声被动控制方法在圆柱声腔上运用规律和特点，为工程实际提供了借鉴和指导。

关键字：多孔材料；降噪；圆柱结构；孔隙率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U464.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-61-04

1、简介

在目前工程中，典型圆柱结构如火箭整流罩、汽车驾驶室、潜艇舰舱、飞机圆柱段等其声振问题越来越引起人们的广泛关注。结构内部的噪声响应不仅严重影响到乘客的人生安全，同时还影响精密设备的正常使用，所以对于圆柱腔体结构内部的噪声优化已成为当今一项重要的研究课题。

多孔材料噪声被动控制方法一直以来被运用于腔体的降噪研究中，利用多孔材料性能优越的孔隙率和空间骨架结构，通过声波在内部的反复折射，以及摩擦力和黏滞力的影响，来降低声音在其内部传播的能量，将声能转化为热能，从而使声学响应降到最低，以达到降噪效果。目前，宋海洋[1]等人采用了统计能量法分析了在整流罩内壁黏贴多孔吸声材料后的降噪效果，比较了黏贴方式及不同材料对降噪效果的影响，但未对材料参数进行深入研究。陈浩等[2]采用边界元/有限元方法计算了声呐平台敷设不同阻尼及吸声特性材料的声辐射性能，结果表明材料吸声性能可通过设置边界阻抗来实现，同时表明吸声系数越大，声辐射越小。Johnson[3]等人提出了一种分布式吸振器，其原理将多孔材料粘合在金属板上形成弹簧质量单元，并将其装入整流罩内，经过实验测试表明仅增加2％的质量和6％体积，便可实现50Hz-160Hz噪声衰减7.7dB。Lane和Griffin[4]等人将碳纤维复合多孔材料制成声学共振元件并装入圆柱壳体内部，试验结果表明在低频声学共振区域可实现噪声声压级衰减10dB以上，在50-125Hz可衰减7.3dB以上。

在本文中，通过实验的方法比较了在圆柱型声腔内壁敷设三聚氰胺泡沫和吸音棉前后的降噪效果，给出了敷设两种多孔材料后声腔内部噪声响应曲线。采用有限元数值计算的方法，通过LMS virtual-lab acoustic声学软件分析了在中低频段，三聚氰胺泡沫的孔隙率、流阻、曲折因子对圆柱声腔内部噪声响应的影响，提出了基于多孔材料噪声被动控制方法在圆柱型声腔上运用规律和特点。

2、圆柱声腔噪声实验

2.1噪声实验

通常描绘传递损失的试验方法是比较声音发生源空间与声音接受空间的声功率的差值，其中发声源一般为扩散式的混响声源，而接受空间近似为无回响的多级子空间[5]。在本实验中为了降低建造声音发生空间及接受空间的实验成本，而采用声源直接加载法。实验原理如图1所示，将实验试件（圆柱结构）放置于混响室中心，底部用橡胶垫支撑，两侧距离三米处各放置一个音响，白噪声信号由电脑传入均衡器，经过过滤处理后再将信号放大，最后通过音响发出载荷声源。数据采集器记录声源载荷值与声腔内部响应值。

如图2所示为声学传感器测试位置示意图。在圆柱声腔中层平面距离外壁20mm处每120o角均匀放置1个声学传感器用于测试外部声压值，在圆柱声腔内部上层、中层、下层各平面每90o角放置两个声学传感器（一个位于径向位置，另一个为1/2径向位置）用于测试内部声压值，即外部共布置3个声学传感器，内部共布置24个声学传感器。信号采集系统采用PROSIG公司生产的80通道P8000型号，传声器采用PCB公司生产的130E型号，采样时间为8s。为获得准确的测试结果，混响室内噪声均匀度范围控制为±3db，噪声控制谱偏差控制为±5db。

实验所选用的多孔材料分别为三聚氰胺泡沫和聚酯纤维吸音棉，由于其优越的吸声性能而被广泛运用于汽车及航天领域。在实验中将多孔材料在圆柱腔内全层敷设，如图3、4所示。三聚氰胺泡沫使用三种不同厚度的样品，分别为20mm、30mm、40mm。聚酯纤维吸音棉选用三种密度不同的样品，分别为400g/m2、450 g/m2、600 g/m2。

图1　实验原理图Fig.1　Schematic of the noise experiment

图2　声学传感器布置位置图Fig.2　Schematic of sensor locations

图3　铺设三聚氰胺泡沫测试Fig.3　Noise testing with Melamine Foam

图4　铺设吸音棉测试Fig.4　Noise testing with Glass Dawn

2.2实验结果及分析

如图5所示，铺设三种不同厚度的三聚氰胺泡沫腔内噪声频谱图，由图可知敷设三聚氰胺泡沫后，圆柱声腔内部噪声响应有明显的降低，并随着频率的增加，降低的幅度也逐渐增大。在低频段0-160Hz三聚氰胺泡沫对声腔内部噪声响应的影响没有产生明显差异，但随着频率的增高，尤其是中高频段，三聚氰胺泡沫敷设厚度对声腔内部噪声响应的影响越来越大，同时其降噪量越来越大，由此说明在中高频段可通过控制敷设层厚度来控制腔内噪声响应。

铺设三种不同密度的吸音棉腔内噪声频谱图如图6所示，由图可知吸音棉可有效降低腔内噪声响应值，同样在低频段对于减缓噪声没有明显效果，但随着频率的增大其降噪效果越来越明显。与三聚氰胺泡沫不同的是，三种不同密度的吸音棉情况下腔内噪声响应曲线基本重合，由此说明吸音棉的密度的变化对噪声响应的影响较小。

为了更直观的体现多孔材料在圆柱腔内的降噪效果，将测试的噪声频谱图在频段0-16000Hz进行计算得到噪声总体声压级值，计算结果如表1所示。表中20mm、30mm、40mm三聚氰胺泡沫所对应的降噪量分别为17.74dB、19.32dB、21.18dB，同时400g/m2、450 g/m2、600 g/m2吸音棉所对应的的降噪量分别为19.22dB、18.69dB、19.50dB。由此可知不同厚度的三聚氰胺泡沫所产生的降噪量有明显差距，且随着厚度的增加其降噪量也增大，但不同密度的聚酯纤维吸音棉所产生的降噪量基本保持一致，对噪声响应影响较小，与上述结论一致。

图5　铺设三聚氰胺泡沫腔内噪声响应频谱图Fig.5　Spectrum of noise response with melamine foam

图6　铺设吸音棉腔内噪声响应频谱图Fig.6　Spectrum of noise response with glass dawn

表1　不同工况下的降噪量Tab.1　Noise reduction of different conditions

3、仿真计算及参数分析

3.1仿真模型

在毕奥拉格朗日模型上所延伸出来了目前运用最广的Johnson-Allard多孔材料模型[6]，其采用平面波原理，通过固体材料和泡沫框架的三组参数（弹性参数、声学参数、孔隙参数）来描述弹性多孔介质的应力-应变关系，具体定义了四种弹性参数来描述这种关系，分别为压力N，环境压力P，流阻系数R，多孔材料体积模量Q。

Virtual. Lab Acoustic 声学软件将多孔材料三组参数具体化，在一般情况下多孔材料的弹性参数及声学参数对其吸声性能的影响保持不变，而孔隙参数中流阻、孔隙率、曲折因子、特征长度对吸声性能有很大影响[1]。在本节中将利用声固耦合有限元法，通过改变多孔材料的流阻、孔隙率、曲折因子来研究其参数的变化对多孔材料吸声性能的影响。

有限元模型如图7所示，多孔材料通过在内部声腔网格上定义内饰属性来模拟，圆柱壳体结构及加强筋采用面单元CQUAD4模拟，内外声腔采用CHEXA体网格模拟，加强筋与面壁连接采用RBE2单元模拟。模型完成后定义多孔材料属性及结构属性，加载24列平面波合成混响声源，其载荷以实验测得圆柱结构外部载荷功率谱形式输入，软件首先进行直接频率响应分析，然后根据24种工况合成随机频响分析，输出频率为25-1000Hz（三分之一倍频程），场点选择在圆柱腔体内部1/4平面位置，输出结果为噪声的自功率谱函数。

图7　有限元模型Fig.7　Finite element model

3.2参数分析

为了进一步研究多孔材料对声腔噪声响应的规律特点，基于中低频段有限元仿真分析的准确性，通过改变多孔材料孔隙参数来研究参数变化对声腔响应的影响规律。

图8比较了三聚氰胺泡沫材料孔隙率的变化对声腔内部响应的影响，其中孔隙率分别为0.9、0.95、0.99，密度为8.8kg/m2，流阻为10833 pa·s/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。图中各点表示为三分之一倍频程中心频率点的声压级值，总体上孔隙率大小改变了各个中心频率点上的峰值大小，而对共振频率点位置没有产生影响。在低频段（0-250Hz）孔隙率对声腔内部响应的影响较小，三条曲线基本重合，而在中频段（250Hz-500Hz）孔隙率对声腔内部噪声响应的影响逐渐明显，且声腔内部噪声响应随着孔隙率的增大而减小，从而说明在中频段选用较大孔隙率的多孔材料可有效降低声腔内部噪声。

图8　不同孔隙率的声腔内部响应Fig.8　Cavity noise response of different porosity

如图9所示， 比较了三聚氰胺泡沫不同的流阻的变化对声腔内部响应的影响，其中流阻分别为12000 pa·s/m2、30000 pa·s/m2、50000 pa·s/m2、80000 pa·s/m2，孔隙率为0.99，密度8.8kg/m2，曲折因子1.02，厚度30mm。从图中可知，在0-160Hz频段流阻的变化对声腔内部响应的影响很小，基本保持一致。在峰值点200Hz时其声腔响应值随着流阻值增大而增大，在峰值点315Hz时随着流阻值的增大其声腔响应值反而减小。而在中频段400Hz-1000Hz同样满足声腔响应随着流阻的增大而增大。由此可知在中频段选用流阻较小的多孔材料可有效降低噪声响应。

图9　不同流阻的声腔内部响应Fig.9　Cavity noise response of different flow resistance

图10　不同曲折因子的声腔内部响应Fig.10　Cavity noise response of different tortuosity factor

如图10为不同三聚氰胺泡沫不同曲折因子情况下声腔内部噪声响应频谱图，其中曲折因子分别为1.1、1.5、1.9，流阻为10800 pa·s/m2，孔隙率为0.99，密度8.8kg/m2，厚度30mm。从图中可知低频段曲线基本重合，中频段曲线峰值点的差值变大，且声压响应值随着曲折因子的增大而减小，由此说明在中频段选用曲折因子较大的多孔材料可有效降低噪声响应。

4、总结

基于声学覆盖层噪声被动控制方法，建立了铺设多孔材料圆柱壳体结构噪声实验平台，分别测试了3种不同厚度的三聚氰胺泡沫和3种不同密度的吸音棉在腔体结构中的噪声响应频谱图及总体声压级值，结果表明，三聚氰胺泡沫和吸音棉能有效降低噪声响应， 且随着三聚氰胺泡沫的厚度的增加降噪效果越明显，最大降噪量达到21.18dB，但不同密度的吸音棉对降噪效果不影响，3种情况所产生的降噪效果基本一致。

通过Virtual. Lab Acoustic声学软件对铺设多孔材料圆柱壳体结构进行有限元分析，在力学参数、声学参数不变的情况下，通过改变多孔材料空隙参数来研究多孔材料的孔隙率、流阻、曲折因子对腔内噪声响应的影响，仿真结果表明；（1）在低频段（0-250Hz）孔隙率对声腔内部响应的影响较小，在中频段（250-500Hz）孔隙率对声腔内部噪声响应的影响逐渐明显，且声腔内部噪声响应随着孔隙率的增大而减小。（2）在0-160Hz频段流阻的变化对声腔内部响应的影响很小，基本保持一致，而在中频段（400Hz-1000Hz）声腔响应随着流阻的增大而增大。由此可知在中频段选用流阻较小的多孔材料可有效降低噪声响应。（3）中频段噪声响应值随着曲折因子的增大而减小，说明在中频段选用曲折因子较大的多孔材料可有效降低噪声响应。

参考文献

[1]宋海洋,于开平,韩敬勇.大型运载火箭整流罩减振降噪问题研究[J].导弹与航天运载技术,2014,10(3):16-19.

[2]陈浩.敷设声学材料的声纳平台结构的振动声辐射计算分析[J].声学与电子工程,2010,100(4):9-12.

[3]Johnson M, Osman H, Fuller C. Interor noise reduction of composite cylinders using distributed vibration absorbers[C].Proceedingsof the Aero acoustics Conference and Exhibit,7th,Maastricht, Netherl-ands,2001.

[4]Lane S, Henderson K, Williams A. Chamber Core Structures for fairing acoustic mitigation[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2007,44(1):156-166.

[5]Li D, Vipperman J S. On the noise transmission and control for a cylindrical chamber core composite structure[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 288(1-2): 235-254.

[6]Arjunan R. Vibro acoustic parametric analysis ofhoneycomb composite fuselage for improved transmission loss[D]. USA: Vichita State University, 2007.

Experimental and Simulation Analysis of noise for Cylindrical Structure with Porous Material

Qiao Meng1, Li Jian1, Li Bin2
( 1.Automotive and Transportation Engineering Institute, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006; 2. Science Institute, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

Abstract:Noise experiment of cylindrical structure with porous material was test and established by passive noise control methods of acoustic blanket. Cavity noise spectrum diagram that the cylindrical structure without material , laying laid of melamine foam and glass down was obtained . Simulation analysis was then conducted for the noise of cylindrical cavity by using the Virtual Lab- acoustics software. The regularity and characteristics influence of the cavity response is proposed by researching the melamine foam porosity, flow resistance and tortuosity factor, provided the reference and guidance for the engineering practice.

Keywords:Porous Material; noise; cylindrical structure; porosity

中图分类号：U464.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-61-04

作者简介：乔萌，硕士研究生，就读于广西科技大学汽车与交通学院。李健，博士，教授，就职于武汉理工大学理学院。

基金项目：民用航天专业技术预先研究项目；广西高等学校优秀中青年骨干教师培养工程（GXQG012013032）；广西研究生教育创新计划项目（JGY2014117）。