约束型复合阻尼隔声板的隔声性能及其应用研究

郑中原，李 俊，李斌商，于金山，刘碧龙，张佳成，张文强

(1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300191；2. 安徽微威胶件集团有限公司，安徽桐城231460；3. 青岛理工大学，山东青岛255000 )

0 引 言

约束型复合高阻尼隔声板是一种由基板(金属板)、复合阻尼层和约束层(金属板)组成的同时具有良好减振、隔声性能的材料。它广泛用于需要在传播途径控制振动和进行隔声的场合，如适用于机械产品、大型电力设备、汽车底板等部件以及其他各种隔声场合，尤其是在对控制材料的体积、重量有苛刻要求的场合。

约束型复合高阻尼隔声板中的关键吸能材料是复合阻尼层，目前使用的主要是由丁基橡胶为基体制作的阻尼材料。在对约束型复合高阻尼隔声板的性能研究方面，现今主要侧重于对阻尼性能的提高和阻尼层的温域性能的研究上。丁国芳等通过对不同配比下的丁基橡胶与树脂硫化体系的共混体系硫化胶动态力学性能变化规律的分析，得到了树脂硫化体系对阻尼材料有效阻尼温域和阻尼因子极大值的影响规律，使树脂硫化剂在调整到一个合适量时，可以得到最佳性能的丁基橡胶阻尼材料体系[1]。何显儒等的研究表明，丁基橡胶共混改性的方法，当丁基橡胶与其他弹性体并用共硫化，可改善其低温性能；与树脂共混，可使阻尼功能区向高温拓展，提高其高温阻尼性能[2]。秦岩等则采用聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC)树脂共混改性氯化丁基橡胶，制备了一种在60～120℃阻尼效果良好的改性材料，解决了氯化丁基橡胶阻尼温域较低的缺陷[3]。

在约束型复合高阻尼隔声板的应用方面，目前的研究主要还是集中在对振动的控制上。如杨靖波等应用约束阻尼层对1 000 kV 特高压输电线路典型钢管塔的风振进行减振控制[4]。黄彩虹等推导了含有约束阻尼层的高速客车车体模态损耗因子的计算公式，其分析结果表明：良好的乘坐舒适性可以通过增加车体结构的损耗因子来实现[5]。

由以上可知，对于约束型复合高阻尼隔声板在隔声性能方面的研究，尤其是在对隔声板的几何尺度、阻尼层厚度、面板材料弹性模量、阻尼层材料剪切模量等结构参数对隔声性能影响方面的研究甚少。因此，开展约束型复合高阻尼隔声板隔声性能及应用方面的研究具有较大的工程应用价值，并对约束型复合高阻尼隔声板的制作具有重要的指导意义。

1 隔声分析

当声波遇到一个壁板时，将发生透射、反射和壁板的声能吸收。透射声越小，隔声效果就越好，但当壁板结构的固有频率和声波频率接近时，会发生“吻合效应”，使隔声效果大大降低，可见，隔声的实质是抑制壁板的振动能量。

对于如图1所示的粘弹性高阻尼约束板(设基层和约束层板厚相等，即h1= h3)，其控制方程为[6]

其中：

式(1)～(4)中：u、v 为水平面内的位移；w 为弯曲振动的位移；E 为面板的杨氏模量；λ 为板的泊松比；µ为整个夹芯板单位面积的总质量；ρ1为基层板的材料密度(与顶层面板材料密度相等，即ρ1= ρ3)；ρ2为粘弹性层的密度；G 为复合剪切模量；G0为粘弹性层的剪切模量；β 为粘弹性层的损耗因子；Dt为两面板的总抗弯刚度；∇2为拉普拉斯算子。

图1 粘弹性约束阻尼板示意图Fig.1 Schematic diagram of viscoelastic constrained damping plate

对于简支边界条件，当周围流体为空气且不考虑互辐射模态影响时，可推导出扩散声场中有限大阻尼板的隔声量为[7]

其中：σmn是简支板结构的模态阻尼；Ymn是简支板

结构的模态导纳，它与板的几何尺度(a、b、h1、h2、3h )、面板的杨氏模量E、剪切模量G、泊松比λ，复合板的单位面积总质量µ以及两面板的总抗弯刚度Dt有关。

当阻尼橡胶材料配方确定后，复合阻尼隔声板的模态阻尼随结构参数的改变量不大，此时结构的模态导纳就成为影响隔声板的隔声量的主要因素。由式(5)可知，当模态导纳的模越大时，隔声板的隔声量就会越大。

2 隔声量模拟计算的检验

模拟计算对象为1.25×1.11 m2的粘弹性高阻尼约束板，该阻尼板的大小与按GB/T 19889. 3-2005[8]大试件隔声测量中的每个矩形框架内的面积一致。阻尼板的厚度取1.1 mm+2 mm+1.1 mm(基层钢板+阻尼层+约束层钢板，除特别说明外，以下表达方式相同)，面密度为19.4 kg·m-2。在阻尼板结构的模拟计算参数与实验参数相同的情况下，结果对比如图2 所示。从图中可以看出模拟计算结果与测量结果较一致，由此可判定模拟技术方程(4)的计算准确性较好。

图2 约束阻尼板隔声量的模拟计算结果与测量结果对比Fig.2 Comparison between the calculated and measured sound insulation quantities of the constrained damping plate

3 结构参数的影响分析

3.1 阻尼板几何尺度的影响

约束阻尼板几何尺度的影响主要体现在边界条件和模态共振上，当板的几何尺度足够大、低频的模态足够多时，边界影响可以忽略。因此，在模拟计算中以1.25×1.11 m2为阻尼板参考面积，分别考虑面积为参考面积的75%(即0.88×0.78 m2)和参考面积的50%(即0.63×0.56 m2)时对隔声量的影响。

图3 为三块不同尺度的约束阻尼板的隔声量计算结果对比。其中板的面密度均为19.4 kg·m-2，面板(基层和约束层的统称)阻尼为0.5%，阻尼层的阻尼为12.5%。计算结果表明，对于重阻尼结构，当约束阻尼板的面积减小到一定程度时，其低频隔声量会随着面积的减小而显著增加。这是由于面积很小的重阻尼板(重阻尼用于克服低阶模态共振)，边界会显著增加板的弯曲强度，进而显著提高隔声量。对于算例，面积从1.3 m2减少到0.35 m2时，频率在100～400 Hz 范围内的隔声量提高了3～4 dB 左右。但是，需要注意的是，当板的面积增大到一定程度时(比如算例中所考虑的约束阻尼板，面积在1.5 m2以上)，继续增加面积，同样的边界条件对隔声量的影响就会很小，几乎可以忽略不计。

图3 不同尺寸隔声板的隔声量比较Fig.3 Comparison of sound insulation quantity of the differently sized sound insulation plates

表1 是两种不同尺度的试件在隔声实验室的测量结果，其中大试件的尺度是2.5 m×10 m，小试件的尺度是1.25 m×1.11 m。由表1 可以看出，小尺度隔声板的隔声量优于大尺度隔声板的隔声量，尤其是在中心频率为100 Hz 的低频范围更为明显，这与图3 计算的结果一致。

表1 两种试件的隔声量测量值Table 1 Measured sound insulation quantities of two kinds of specimens

3.2 阻尼层厚度的影响

图4 为单纯改变阻尼层厚度对约束阻尼板隔声量的影响对比，其中，钢板厚度均取1.1 mm，阻尼层厚度分别为2、4 mm 和6 mm。由图4 可看出，随着阻尼层厚度的等量递增，即粘弹性层阻尼增大，约束阻尼板的隔声量也会几乎等量地提高。

图4 阻尼层厚度对约束阻尼板隔声量的影响Fig.4 Effect of the thickness of damping layer on the sound insulation quantity

3.3 面板材料弹性模量的影响

为了比较面板材料的弹性模量(杨氏模量)的影响，将1.1 mm 厚的钢板更换为同质量3.18 mm 厚的铝板(其它参数相同)进行对比分析，钢板的弹性模 量 是 2.0×1011N·m-2，铝 板 的 弹 性 模 量 是0.7×1011N·m-2，隔声量的计算结果如图5 所示。由图5 可看出，面板为铝板的阻尼板隔声量显著变差，也即是当面板材料的弹性模量较小时，阻尼板的低频模态共振明显，并且高频吻合频率也由15 800 Hz(面板为钢板)减小到3 756 Hz(面板为钢板)，从而导致低频和高频的隔声量明显变差。

图5 面板弹性模量对隔声量的影响Fig.5 Effect of the elastic modulus of panel on sound insulation quantity

3.4 阻尼层材料剪切模量的影响

对于厚度参数为0.96 mm+4 mm+0.96 mm 的阻尼约束板，阻尼层剪切模量G0分别取7.84×105、7.84×106和7.84×107三种不同数值时的隔声量对比如图6 所示。从图中可以看出，粘弹性阻尼层剪切模量较高时隔声量偏低，这是由于阻尼层剪切模量的增高使得隔声板整个结构的弯曲强度变大，从而导致隔声量变差。因此，适当减小剪切模量可以提高阻尼板的隔声量，但当剪切模量减小到7.84×106时，隔声量的提高不再明显。

图6 粘弹性层剪切模量对隔声量的影响Fig.6 Effect of the shear modulus of viscoelastic layer on sound insulation quantity

4 隔声板应用实例

由于约束型复合高阻尼隔声板具有良好的隔声性能，现已广泛应用于一切需要在传播途径控制振动和进行隔声的场合。图7 是某企业在车间内建造的半消声室，其壁面是由双层约束型复合高阻尼隔声板之间夹有100 mm 玻纤棉组成的隔声结构，其总厚度不到110 mm，隔声量却达70 dB 以上。由于该结构具有隔声量大、隔声结构薄的特点，特别适用于对隔声结构的厚度有苛刻要求的场合，如在车间内空间较小的环境内建造消声室。

图7 消声室的隔声壁面Fig.7 Soundproof wall of an anechoic chamber

图8 是约束型复合高阻尼隔声板在电力电容器降噪中的应用。电力电容器由于结构特点使得电容器两端面辐射的噪声远高于其它4 个辐射面，因此，隔离两端面辐射的噪声成为降低电容器噪声的一种主要措施。采用约束型复合高阻尼隔声板制造的端部隔声罩，可以使电容器整体噪声降低10 dB(A)以上。

图8 电力电容器两端的隔声罩Fig.8 Soundproof covers at both ends of a power capacitor

5 结 论

研究表明：根据约束型复合高阻尼隔声板隔声计算模型的计算结果与实验结果一致。利用该技术模型可以快速分析有限大小的约束阻尼板的面板、粘弹性层等材料和结构参数对隔声量的影响，指导约束型复合高阻尼隔声板的设计与制造。

本文通过模拟计算，分析了约束型复合高阻尼隔声板的若干主要结构参数对隔声量的影响，分析结果表明：

(1) 对于重阻尼结构，当约束阻尼板的面积减小到一定程度时，其低频隔声量会随着面积的减小而显著增加。

(2) 随着阻尼层厚度的等量递增，即粘弹性层阻尼增大，约束阻尼板的隔声量也近似等比例地提高。

(3) 当面板材料的弹性模量较小时，阻尼板的低频模态共振明显，从而导致低频和高频的隔声量明显变差。

(4) 粘弹性阻尼层剪切模量较高时隔声量偏低，因此，适当减小剪切模量可以提高阻尼板的隔声量。

实际应用案例表明，约束型复合高阻尼隔声板具有隔声量大、隔声结构薄的特点，特别适用于对隔声结构的厚度有苛刻要求的场合。