复合板件内损耗因子的声激励测量方法

王加政，张学飞，李晔，徐秋婷，邓新



复合板件内损耗因子的声激励测量方法

王加政，张学飞，李晔，徐秋婷，邓新

(常州大学城市轨道交通研究院，江苏常州 213164)

以泡沫铝夹芯板为研究对象，分别应用稳态半功率点带宽法与混响室声激励法测得其内损耗因子。根据统计能量分析预测模型，将实验室实测泡沫铝夹芯板隔声量代入其中，逆推出预测模型中内损耗因子真值，并与以上两种方法测得的内损耗因子进行了对比分析，结果表明：半功率点带宽法仅能测得泡沫铝夹芯板的结构损耗因子，而混响室声激励法则能够综合考虑其结构阻尼和吸声损耗，从而获得更适用于隔声预测的综合内损耗因子。研究内容可为存在吸声损耗的复杂板件内损耗因子的获取提供方法借鉴。

泡沫铝夹芯板；半功率带宽法；声激励法；内损耗因子；隔声

0 引言

发泡铝夹芯板作为一种复合结构板件，已经被广泛应用于轨道交通、航空航天以及建筑等行业[1]，现阶段对于其隔声性能的优化研究很多。张春岩等[2]探究了阻尼层厚度及材料密度对发泡铝夹芯板的隔声特性影响；丁晓等[3]测量了不同夹芯泡沫铝厚度、孔隙率以及表层金属对泡沫铝夹芯板隔声性能的影响。其中，内损耗因子作为仿真模型的输入之一，是研究其声振问题必不可少的参数。内损耗因子获取的准确与否极大地影响着模型预测的结果。

获得内损耗因子的一般方法有半功率带宽法、稳态能量流法及瞬态衰减包络线法等[4]。其中，半功率带宽法在现阶段的应用更为广泛。李彤等[5]用Matlab软件研究半功率带宽法测定的阻尼比，分析半功率带宽法的适用范围及影响因素；秦世强等[6]指出了在桥梁工作模态分析中半功率带宽法的误差产生的原因。然而，另有研究指出该方法存在局限性，有时不能准确地辨识结构的内损耗因子。应怀樵等[7]指出，半功率带宽法由于受信号处理中的采样频率、频率分辨率、阻尼大小、采样频率与信号之比以及阻尼比的影响，会使测得的阻尼比值波动很大，除少数状态可信外，多数状态下是不稳定的。王英诚等[8]以铝板为研究对象，提出一种声激励辨识铝板内损耗因子的方法，认为此方法不仅简化了试验过程，而且比脉冲激励法有更高的精度。

本文以泡沫铝夹芯板为研究对象，分别应用半功率带宽法与混响室声激励法测得其内损耗因子，再将测试结果输入统计能量法隔声预测模型中，计算泡沫铝夹芯板的隔声量，并与实测隔声量进行对比，分析两种内损耗因子测试方法的适用性。

1 泡沫铝夹芯板内损耗因子的测量

1.1 稳态半功率点带宽法

半功率带宽法认为，子系统稳态频率响应函数峰值的半功率点带宽和峰值对应的模态频率的比值就是该子系统的内损耗因子[9]，即：

基于该理论，采取的试验方法为：在半消声室中，使用电磁激振器，激励自由悬挂状态下的泡沫铝三明治板，板件上无规则地放置5个加速度传感器，连接计算机采集板件上的信号，并在计算机上绘制频响函数曲线，提取出所有峰值的共振模态并求出阻尼比，进而求得板件的内损耗因子。图1为半功率带宽法测试现场的照片。

图1 半功率带宽法测试现场的照片

1.2 混响室声激励法

本文采用一种混响室声激励法求得内损耗因子。基于稳态能量流技术，使用连续的宽频带随机噪声激励代替激振器点激励。图2为混响室声激励测试现场。根据参考文献[9]，计算内损耗因子的理论公式为

式中：为发泡铝夹芯板的损耗功率；E为子系统的振动能量。将混响室与发泡铝夹芯板视为拥有两个子系统的统计能量分析模型，分别记作子系统m与子系统s。在稳态激励板件时，子系统s的损耗功率与其输入功率相等，即有：

将式(4)与式(8)代入式(2)，计算得到内损耗因子。

试验方法为将发泡铝夹芯板用弹性绳自由悬挂于混响室内，放置5个加速度计于板的一侧，混响室内放置6个传声器，声激励源为12面无指向性声源。

表1为两种方法测得的内损耗因子结果。

表1 两种方法测得的内损耗因子结果

2 发泡铝夹芯板的隔声量试验

样件隔声测试在隔声室(由声源室和接收室组成) 进行。依据国标GB/T19889-2005《建筑和建筑构件隔声测量第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》[10]在隔声室内进行，隔声室分为发声室和受声室两个混响室，声源放置在发声室，发出白噪声，通过装有发泡铝夹芯板的窗口，传到受声室，将两个房间声压级之差修正，即得到发泡铝夹芯板的隔声量。试验现场布置如图3、4所示，隔声量测试结果如表2所示。

声源分别置于声源室和接收室进行声压级测量。样件的隔声量为

图3 声源室一侧

图4 接收室一侧

表2 隔声量实测结果

3 结果验证与分析

3.1 仿真模型验证

依据实验室的实际尺寸，在模型中等比例建立声源室及接收室，并加入样件，形成声源室-样件-接收室的计算模型，如图5所示。

图5 统计能量隔声预测计算模型

根据统计能量分析法隔声预测模型，板件隔声量TL的计算公式[9]为

则可逆推出：

将板件实测隔声量代入式(10)，求出预测模型中内损耗因子真值，如表3中所示。

表3 由预测模型逆推的内损耗因子

将表3中的真值与表1用两种方法测得的内损耗因子值绘制成折线图，如图6所示。

由图6可知：混响室噪声激励方法测得的内损因子与预测模型逆推得到的真值吻合度更好，半功率带宽法测得的内损耗因子值与预测模型逆推得到的真值相差较大。由此可认为，混响室声激励法测量内损耗因子的方法，在预测复合板件隔声量时是可行的。

图6 两种方法测得的内损耗因子与预测模型逆推值比较

推测产生该结果的原因在于：发泡铝夹芯板是一种复合结构板件，其夹芯层为泡沫状结构，对入射声波有吸声损耗。半功率带宽法中，忽略了夹芯层对声波的吸收损耗，因此仅能测得发泡铝夹芯板的结构损耗因子；而混响室声激励法弥补了这一不足，综合考虑其结构阻尼和吸声损耗，从而获得更适用于隔声预测的综合内损耗因子。

4 结论

文中分别应用半功率带宽法与混响室声激励法测得了泡沫铝夹芯板的内损耗因子，依据隔声预测模型中的隔声量计算公式，代入实验室实测板件的隔声量，逆推出内损耗因子真值，并与两种方法测得的内损耗因子值比较，得到以下结论：

(1) 半功率带宽法获取发泡铝夹芯板的内损耗因子误差比较大，可认为此方法不适用于统计能量分析法预测发泡铝夹芯板的隔声量。

(2) 混响室声激励法能够综合考虑其结构阻尼和吸声损耗，由此测得的内损耗因子代入隔声模型后，其隔声量预测值与实测值更加趋近。类似泡沫铝夹芯板这种存在吸声损耗的复杂板件的内损耗因子的获取，可采用混响室声激励法。

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Acoustic excitation method for measuring damping loss factor of composite structure plate

WANG Jia-zheng,ZHANG Xue-fei,LI Ye,XU Qiu-ting,DENG Xin

(Research Institute of Urban Rail Transit, Chang Zhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

Taking the aluminum foam sandwich panel as the object of study, its damping loss factor is measured by the half-power bandwidth method and the acoustic excitation method in reverberation chamber, and the statistical energy analysis model is used to predict the sound insulation coefficient of the aluminum foam sandwich panel. By substituting the lab-measured sound insulation coefficient of the aluminum foam sandwich panel into the statistical energy analysis and prediction model, the true value of the damping loss factor can be inversely deduced to compare with the damping loss factors measured by the above two methods. The results show that the half-power bandwidth method can only measure the structural loss factor of the foamed aluminum sandwich panel, while the acoustic excitation method in reverberation chamber can take both the structural damping and the sound absorption loss into account. Thus, a comprehensive damping loss factor, which is more suitable for sound insulation prediction, is obtained. The research can be used as a reference for obtaining the damping loss factor of complex plate with sound absorption loss.

aluminum foam sandwich panel; half-power bandwidth method; acoustic excitation method; damping loss factor; sound insulation

TB532

A

1000-3630(2019)-01-0067-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.011

2018-01-10;

2018-02-20

王加政(1995-), 男, 江苏盐城人, 硕士研究生, 研究方向为噪声与振动控制技术。

王加政, E-mail: wangjz890@163.com