约束层阻尼对飞机壁板隔声特性的影响

冯梓鑫，韩　峰，冯　盟，王晓乐，黄震宇

约束层阻尼对飞机壁板隔声特性的影响

冯梓鑫1，韩峰1，冯盟1，王晓乐2，黄震宇2

（1.中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 201210；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

约束层阻尼是飞机舱壁结构减振降噪的常用材料。为快速预计敷贴约束层阻尼的飞机壁板的隔声特性，以声阻抗管条件下均匀板传声损失测试结果和有限元模型计算结果为依据，分析约束层阻尼的质量、阻尼损耗因子及约束层厚度对板传声损失的影响效果，进而在混响室-全消声室条件下测试有限尺寸飞机壁板模型敷贴约束层阻尼板的隔声量。验证了基于阻抗管中获得约束层阻尼参数与整体传声损失的关系可用于预计飞机壁板敷贴约束层阻尼后的隔声特性。

声学；约束层阻尼；隔声量；飞机壁板；传声损失

民机舱内噪声水平直接影响到乘客的乘坐舒适性和语言交流便易性。如何改善舱内声学环境一直是研究热点。舱内噪声主要来源于舱外发动机和气流产生的结构振动和空气噪声。传统的减振降噪措施主要通过在壁板上敷贴阻尼层来控制中低频结构振动和噪声，并铺设隔声棉吸收中高频空气噪声。

约束层阻尼材料是将黏弹性阻尼材料粘合在本体金属板和刚度较大的约束层之间，从而提高阻尼材料耗散本体振动能量的效率，该材料广泛应用于工程结构的振动抑制［1］。国内外学者已经在约束层阻尼材料力学特性的建模分析和实验测量、抑振性能计算及优化设计等方面做了大量工作，主要采用的方法有解析法［2-3］、数值法［4-6］和试验法［7-9］。这些研究较多涉及简单梁、板类结构敷贴约束层阻尼前后系统的抑振效果和结构振声辐射性能的分析，对于空气声隔离效果的研究，尚停留在无限大约束层阻尼复合板的传声损失计算［10］。而系统地分析约束层阻尼材料的质量、阻尼及刚度等参数对实际有边界约束的筋板类结构降噪抑振效果的研究还不多，远未达到参数优化设计的要求。

本文在声阻抗管的理想声学条件下，测试小面积均匀圆板敷贴约束层阻尼板（以下称“复合板”）的法向传声损失TLn，即复合板在垂直入射波条件下的隔声量。并依照阻抗管的声学环境建立复合板的隔声量有限元模型，用以研究约束层阻尼的质量、阻尼损耗因子及约束层厚度对复合板隔声特性的影响。在此研究基础上，以典型飞机壁板模型为对象，考察约束层阻尼板的降噪效果同阻抗管复合板分析结果的一致性，形成对于分析有边界约束的飞机壁板等复杂筋板结构敷贴约束层阻尼后声振特性的快速预报方法。

1　约束层阻尼复合板的结构及参数

图1为基板结构上敷贴约束层阻尼材料形成的复合板结构示意。该复合板系统由基板层、黏弹阻尼层及约束层三部分组成。

图1　敷贴约束层阻尼层的复合板结构示意

选用两种不同面密度型号的约束层阻尼板（型号01204S-01面密度为2.6 kg/m2，型号01193S-01面密度为4.2 kg/m2）进行研究。文中分别简述为阻尼板2和阻尼板4，其物理参数见表1。

表1　两种型号约束层阻尼板的物理参数

图2　两种阻尼板黏弹阻尼材料15°C时的损耗因子频变曲线

2　阻抗管小样隔声特性分析

基于ASTM标准［11］，在阻抗管中采用四传声器法测试1.2 mm厚的圆形均匀铝板敷贴不同面密度约束层阻尼板（敷贴面积占比为100%）后的隔声效果。测试使用的阻抗管内径为228 mm，测试样件直径为225 mm，可在一定程度上减小边界条件及测试样件大小对隔声测量结果的影响，在中低频段能准确地测试材料的隔声性能。试验装置见图3所示。

图3　阻抗管隔声测试装置

图4中绘制了试验测试所得三种不同样件的隔声量曲线。注意到所有试验结果曲线中均出现了规律性的跳动，尤其在900 Hz以上频段更为明显，这是由于声波的激励频率诱发了声管结构的自身模态所导致的驻波峰谷反映到了样件的隔声量曲线当中。虽然根据标准［11］算得测试用声管的有效频带为68.6 Hz～881.6 Hz，但该频带以外频率上隔声量曲线的中心线依然能够较真实的反映样件的隔声水平。

图4　阻抗管中隔声量试验结果比较

从图4中可知，当敷贴约束层阻尼板后，光铝板的隔声量在所关心频段内整体平均提升了约3 dB～5 dB。这些隔声提升量一是由于敷贴约束层阻尼板后附加的质量效应；二是约束层阻尼板黏弹阻尼层的高损耗因子增加了复合板的结构阻尼。注意到阻尼板4的面密度要比阻尼板2大约62%，但两者的隔声量曲线差别并不明显，主要原因在于两种面密度的约束层阻尼板敷贴在铝基板后，阻尼板4的面密度增量在铝基板和阻尼板组成的复合板中的占比较小。就测试样件尺寸而言，敷贴阻尼板4的复合板相较于敷贴阻尼板2，其重量增幅为27%，反映在隔声量的差别较小。

3　阻抗管小样有限元模型的参数分析

为了分析约束层阻尼材料参数对基板隔声特性的影响机理，建立如图5所示的有限元计算模型。该数值模型基于商用有限元软件Comsol Multiphysics声-固耦合模块建立，包括铝基板敷贴约束层阻尼板构成的固体物理场及入射和透射空气腔构成的声学物理场，两个物理场区域通过声-固界面连续性条件相互耦合关联。铝材基板的边界条件定义为简支以模拟实际阻抗管中样件的安装条件。平面声波通过入射空气腔垂直激励复合板后，一部分声能反射，另一部分声能透射进入透射空气腔，根据入射波及透射波能量计算复合板的法向传声损失

图5　隔声计算有限元模型

式中Ei为入射声能，Et为透射声能。

以敷贴阻尼板4的情况为例绘制图6。从图中可见所建有限元模型的计算结果与试验结果整体吻合程度良好，仅在个别峰谷频率附近存在幅值上的差异，这是由于实际阻抗管测试中采用的密封油脂引入了大量阻尼所致。重点关心图6中A—E五个峰谷位置处的隔声量情况，其中，B、D两处的隔声量尖峰均由复合板的反共振现象导致，而A、C、E三处隔声量低谷则对应复合板高透射效率的共振模态。其相应的模态振型亦绘于图6。并且从振型图中看出复合板的中心位置是透射振动最强烈的区域。

图6　敷贴阻尼板4的复合板隔声量试验和有限元结果比较

基于建立的有限元模型，以1.2 mm厚均匀铝板敷贴阻尼板4为例，研究约束层阻尼的质量、阻尼损耗因子及约束层厚度等参数变化对复合板隔声量的影响。

约束层阻尼的质量变化对复合板隔声量的影响如图7所示。图中三种质量配置方案分别取黏弹阻尼层的质量密度 ρ2为100 kg/m3、1 300 kg/m3及3 000 kg/m3，其他两层参数保持不变。三种质量配置方案的质量占比信息如表2所示。其中m1，m2和m3分别代表约束层，黏弹阻尼层和基板层的质量。

图7　约束层阻尼各层质量变化对隔声量的影响

从图7中可见，由于质量配置1的复合板总质量最小，隔声量曲线上共振频率出现位置（图中A、C、E点所指）高于其余两种质量配置。在质量配置3中，黏弹阻尼层的质量占比达到约35%，总质量也比前两种配置分别高约48%和21%，这使得隔声量曲线的峰谷频率提前，并且在1阶共振频率（约150 Hz）之后，复合板隔声量分别平均高出4.5 dB和2.5 dB。高出部分的隔声量与采用“质量定律”算得的相当，从而说明黏弹阻尼层的质量改变对于复合板隔声能力的影响仅体现在质量增减方面，而不涉及到多种层间的耦合作用。另一方面，不同的质量配置对于隔声曲线上的相邻峰谷差值无明显影响，三种配置方案在B、C处的峰谷差值均为14 dB，表明黏弹阻尼层的质量改变并不能改变系统在共振及反共振频率处的隔声量大小。

表2　三种质量配置方案的占比信息

黏弹阻尼层损耗因子的变化对复合板隔声量的影响见图8。黏弹阻尼层损耗因子的变化仅影响到隔声量峰谷位置的幅值大小。随着损耗因子的增大，隔声量谷值不断抬升而隔声量峰值则不断削低。这与结构阻尼在振动系统共振和反共振频率处的效果相一致。

图8　黏弹阻尼层的阻尼损耗因子变化对复合板隔声量的影响

图9显示的是约束层厚度变化对复合板隔声量的影响。选取了三种约束层厚度，其中1.2 mm厚度与基板厚度相当。从图中可见，随着约束层厚度的增加，复合板隔声量曲线的各阶峰谷频率移向高频，并且相邻峰谷之间的差值随之增大。产生这些变化的原因在于约束层厚度的增加一方面使得复合板的重量增加，另一方面增加了约束层阻尼板的弯曲刚度。

图9　约束层厚度变化对复合板隔声量的影响

基于上述约束层阻尼板参数变化对复合板隔声量影响的分析，我们以阻尼复合板的1阶共振频率作为界限（如图6、7中的A点）将分析频段内的隔声量曲线划分为三个区域，即A点以下频段定义为“刚度控制区”，A点附近为“阻尼控制区”及A点以上频段为“质量控制区”。

4　飞机壁板模型的隔声特性分析

在混响室-全消室实验条件下，参照ISO标准［12］，采用扫描声强法对一块长540 mm、宽535 mm，蒙皮厚度1.2 mm的飞机壁板结构及其敷贴不同面密度约束层阻尼板（铺设面积占比为40%）后的整体构型进行隔声量测试。测试样件照片及测试原理参见图10，其中壁板四周做固定边界处理，以近似模拟实际飞机舱段的复杂接触边界条件。

图10　混响-全消室中壁板样件及隔声试验装置

三种构型的隔声量曲线如图11所示。由图可知，在飞机壁板上敷贴不同面密度的约束层阻尼板后，其隔声量在质量控制区（＞250 Hz）均呈整体上升趋势。敷贴两种面密度的约束层阻尼板在250～1 600 Hz的隔声量比光壁板平均高出3 dB～5 dB。对于飞机壁板结构1阶共振频率处的隔声量低谷，敷贴阻尼板后均左移并提升了幅值，并且由于阻尼板4的质量及损耗因子相对较大的优势，其左移和提升量要大于阻尼板2。这些结论均同阻抗管中小样测试结果相一致，尽管两者存在直达声与混响声激励以及测试方法上的不同。因此，一旦获取飞机壁板结构的模态信息（图11中给出了由有限元法计算的1阶模态，也可由模态试验获得），便可利用阻抗管测量结果实现快速预报。另外，值得注意的是，在1 250 Hz～5 000 Hz频段，阻尼板4的隔声量明显低于阻尼板2，可能的原因在于较厚的约束层及高损耗因子阻尼板在该频段使得复合板辐射效率提高所致［5］，具体的影响机理值得后续的深入研究。

图11　混响-全消室内飞机壁板构型的隔声量比较

5　结语

阻抗管和混响-全消声室的复合板的隔声试验都表明：约束层阻尼的面密度相对复合板的面密度变化较大时，其对于复合板隔声量的影响主要体现在质量效应；约束层阻尼的阻尼损耗因子仅影响隔声量曲线在峰谷位置的值：即阻尼损耗因子增大，则隔声量谷值抬升而峰值则下降；约束层厚度的增加，复合板的重量及弯曲刚度增大，隔声量曲线的各阶峰谷频率移向高频，并且相邻峰谷之间的差值也随之增大。

当飞机壁板构型的模态信息一旦获取，其敷贴不同面密度约束层阻尼后不同频段内隔声量的改变程度可根据阻抗管小样的测试结果进行快速合理预计。并且所获结论对于其他复杂薄壁结构敷贴约束层阻尼板后的降噪预计也具有一定的指导和借鉴意义。

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Effects of Constrained Layer Damping Patches on the Sound Insulation Characteristics ofAircraft Panels

FENG Zi-xin1，HANFeng1，FENGMeng1，WANG Xiao-le2，HUANG Zhen-yu2
（1.COMAC，ShanghaiAircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

The constrained layer damping（CLD）is a typical material which is extensively applied to suppress vibration and noise in aircraft engineering.In order to quickly predict the effects of CLD patches on the sound insulation of aircraft panels，the CLD parameters，such as the mass distribution of each layer，the damping loss factor and the thickness of the constrained layer，on the sound insulation performance of a small uniform panel are investigated by comparing the sound transmission loss measured and calculated in the environment of a sound impedance tube.Then，the study of a real aircraft panel with CLD patches attached is carried out to verify the effectiveness of the prediction method.Hence，the relationship between the CLD parameters and the sound transmission loss of the composite panel measured in the sound impedance tube can be applied to predict the sound insulation performance of the aircraft panels.

acoustics；constrained layer damping（CLD）；sound insulation；aircraft panel；sound transmission loss

TB53

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.016

1006-1355（2016）03-0076-05

2015-06-05

航空科学基金资助项目（2014ZF57011）

冯梓鑫（1988-），男，江苏盐城人，硕士，工程师，研究方向为民机舱内减振降噪技术研究。E-mail：fengzixin@comac.cc

韩峰，男，浙江宁波人，硕士，高级工程师，研究方向为民机舱内减振降噪技术研究。E-mail：hanfeng@comac.cc