不同变量对蜂窝纸板隔声性能的影响

贾玉东 王涛

摘要：蜂窝纸板作为一种生活中越来越常见的结构，其性能已经得到很多人的重视。本文通过改变不同变量，研究蜂窝纸板的隔声性能，以期更好的生产此类产品，达到人们所期望的效果。通过声学边界条件，声波的反射和折射理论，来求出蜂窝纸板的隔声量公式，再带入不同变量：纸板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窝形状对隔声量的影响，得出蜂窝纸板隔声量优异情况时其纸板的状态，为后面蜂窝纸板在隔声中的生产提供一定帮助。

关键词：蜂窝纸板；不同变量；隔声性能

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0026-04

Effect of Different Variables on Sound Insulation Performance of Honeycomb Paperboard

JIA Yu-dong， WANG Tao（Shandong Xinhua Printing Co.， LTD. Dezhou branch， DeZhou 253018， China）

Abstract： Honeycomb paperboard as a more and more common structure in life， its performance has been a lot of peoples attention. By changing different variables， this paper studies the sound insulation performance of honeycomb paperboard. In order to better products， to achieve the result that people have come to expect. Through the acoustic boundary conditions， acoustic reflection and refraction theory， to find out the honeycomb paperboard sound insulation formula， in the different variables： board size、the density of board、the thickness of the board and the effect of different honeycomb shapes on sound insulation， to reach the state of honeycomb paperboard is obtained when its sound insulation is excellent. It provides some help for the production of honeycomb paperboard in sound insulation

Key words： honeycomb paperboard； different variables； sound insulation performance

近年来，随着社会的不断发展，人民生活条件逐步提高，对所处环境有了更高要求，但是噪声污染一直以来都是日常生活中不可避免的问题。蜂窝纸板作为一种新型材料，已经应用在诸多领域，发挥了巨大作用。德国、日本、意大利的高速列车车体、护板、部分结构件等都采用了蜂窝夹层结构材料，美国海军采用蜂窝面板作为船舱壁材料以减轻船重，从而改善舰船的灵活性和稳定性[1，2]。随着不断研究，人们发现蜂窝纸板在隔声方面也存在着优良性能。经测试，单层芯做的蜂窝板，声波频率在500Hz以上时，隔声效果随频率的提高而增加[3]。本文通过分析蜂窝纸板的不同变量，来比较其隔声性能的优良程度。

1 隔声特性分析

1.1 噪声控制的三个手段

1）对声源进行控制。把产生噪声的声源从源头消除，杜绝其向外传播的机会。声源是目前最好的控制方式，主要是使用阻尼材料、改进润滑、改变共振频率、破坏共振、隔离声源震动部分等方法[4]。

2）对传播途径进行控制。通过阻隔传播途径来降低噪声污染，是最简单易行的一种方法。可以通过远离噪声的源头，利用一些有隔音效果的结构来降低噪声传播。其实就是增加声音在传播中的损耗，以此达到降低噪声的目的。

3）对噪声的受害者进行保护。如果无法通过声源和传播途径降低噪声，那只能通过降低噪声接收者的分贝来降低对其的伤害。

1.2 隔声特性曲线

对于有隔声性能的材料或结构来说，隔声特性曲线是体现其隔声能力的一个重要参数。

1）第一阶段，刚度控制区域。在这一区域内，隔声结构隔声性能的高低主要受其刚度控制，结构刚度越大，隔声量也就越大[5]。

2）第二阶段，隔声量会与材料达到共振效果。在这个阶段，材料的隔声性能会有急剧的变化，隔声性能也会出现一个最小值。

3）第三阶段，隔声量会和质量有重要关系。在这一阶段，随着质量不断增加，隔声性能也会逐渐增强。

4）第四阶段，随着频率不断增加，在某一个值，隔声量会有急剧下降。

2 不同变量对蜂窝纸板隔声性能的影响

2.1 背景概况

研究蜂窝纸板的隔声能力，直接对蜂窝纸板进行研究存在一定难度，这时将蜂窝纸板结构进行简化，等效为一种理论模型来进行计算将会显得更加便利。然后对等效的理论模型進行单一变量改变，达到想要的结果。在现阶段，主要的等效理论模型主要有四个，第一个就是Hoff刚度等效理论，这是一种典型的等效板理论，它将蜂窝夹层板等效为与原夹层板不等厚度的各向同性壳，不但像弯曲板一样承受垂直板面的剪力载荷和弯扭载荷，还能像平面应力板一样承受面内的压力和剪切载荷[6]；第二个是改进的Allen模型，考虑了蜂窝夹芯的弯曲刚度进行的等厚度等效，即在体积保持不变的情况下考虑夹芯影响的等效模型。这种理论模型也是将蜂窝纸板看作一个整体来进行考虑，只不过考虑是会将厚度与等效前一样[6]，来计算出所需求的数据；第三个是蜂窝板理论，将蜂窝夹层板等效为同材质、均匀密度、与原板厚度相同的各向异性板[7]，得出蜂窝板的各项等效参数；第四个是三明治夹层板理论，这种等效模型是将蜂窝板等效为上下两层夹个板的结构，最大程度保留了应有的结构形态。

本文利用三明治夹层板的理论模型，通过声学边界条件，声波的反射和折射理论等方法，求出蜂窝纸板的隔声量，最终发现蜂窝纸板的隔声性能非常符合隔声特性曲线的规律。

2.2 不同变量对蜂窝板隔声量的影响

2.2.1 蜂窝纸板尺寸对隔声量的影响

蜂窝板的面板尺寸对固有频率有着很大影响，尤其是在第一阶段。因为蜂窝纸板结构本身有自己的固有频率，当射入的声波频率与蜂窝板结构的固有频率逐渐接近时，就会产生共振，从而降低蜂窝板的隔声能力。在低频阶段，蜂窝板的传声损失随着蜂窝板面积的增大而减小。当隔声曲线进入质量控制阶段时，由于面板的增加，蜂窝板结构的质量增大，尺寸大的蜂窝板结构隔声性能更加优越。因为现代生活中的大部分噪声都处在低频阶段，所以为了更好地达到隔声效果，可以通过改变蜂窝面板的尺寸，在可能的情况下，增加面板的尺寸，或者增加面板的层数。

2.2.2 蜂窝纸板的密度对隔声量的影响

当增加面板的密度时，由于密度并不能增加面板的刚度，所以在刚度控制区域，三种不同尺寸蜂窩板的传声损失并不会有明显区别。而在质量控制区和吻合效应时，密度的增加可以显著提高蜂窝板的质量，所以隔声性能会有非常显著的提高，且密度越大，蜂窝板的隔声性能提升越明显。所以在进行生产生活时，可以在尽可能的情况下使用面板密度较大的材料，可以得到更好的隔声效果。

2.2.3 蜂窝纸板的厚度对隔声量的影响

控制面板的厚度可以显著改善所有频率范围内的传声损耗。蜂窝纸板的厚度对从低到高频率的声音都有很明显的作用。这是由于面板厚度的增加，不管是蜂窝结构的刚度还是质量都会有显著提高，而这两项提高就会使得蜂窝板在刚度控制段和质量控制段对传声损失都有很大影响。

2.2.4 芯层厚度对传声损失的影响

当逐渐提高蜂窝板的芯层厚度时，可以在一定频率下改善蜂窝板的隔声能力。因为如果增加蜂窝板的芯层厚度，能够合理的增加蜂窝板的弯曲刚度，因此也就让在传声损失的刚度控制区，芯层比较厚的蜂窝板会有更好地隔音能力。因为蜂窝板结构自己特有的频率会随着蜂窝板芯层厚度的逐渐增加而不断提高，所以入射声波的频率与蜂窝板固有频率达到共振的阶段也就会相应往频率高的区段移动一点。所以在高频区域，虽然芯层的高度增加，传声损失也在逐渐增加，但是芯层厚度对传声损失的影响没有那么显著，几乎处于差不多相同的状态。这是因为，在高频时控制隔声性能最主要的因素已经变成了质量，由于蜂窝芯密度较小，所以在增加芯层厚度时，并不会对蜂窝板的整体质量产生太大影响，所以传声损失的影响只有很小一点，并不会像之前有那么大的影响。

2.2.5 不同芯层结构对隔声量的影响

密排的圆形蜂窝夹芯层板对传声损失的影响较大，也就有着更好地隔声性能，然后对传声损失有着较好能力的是疏排的圆形，再就是三角形，而隔声能力最差的是正六边形和方形，正六边形比方形稍微好一点。

对于蜂窝纸板结构来看，隔声曲线先是有一个明显的下降趋势，然后在某一个频率附近到达谷底，造成这种现象的原因是这一阶段射入的声波频率和蜂窝纸板自己所特有的频率越来越接近，逐渐到达共振阶段，直接削弱了蜂窝板结构的隔声性能。但是随着射入的声波频率不断升高，逐渐到达了主要由刚度和质量控制隔声能力的阶段，蜂窝板的隔声性能开始逐渐增强，但是因为不同芯层结构的刚度和质量也不同，所以隔声性能也会产生一定影响。

3 总结与展望

本文通过在一定条件下改变不同变量，包括纸板尺寸、密度、厚度以及不同的蜂窝形状等，研究了蜂窝纸板的隔声性能。未来对蜂窝纸板这一优异结构还需展开更加细致的调查研究，可以从改变材料、改变一定结构等方面着手探究隔声方面的性能。

参考文献：

[1] 卢天健，辛锋先.轻质板壳结构设计的振动和声学基础[M].北京：科学出版社，2012.

[2] 张广平，戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用[J].纤维复合材料，2000，25（2）：25-27.

[3] 王正忠.轻质蜂窝夹层结构复合隔声材料[J].噪声与振动控制，1993，（3）：23-25.

[4] 苗凤娟.防治到港船舶污染的岸电技术研究[D].上海海事大学2006.

[5] 李威.多类蜂窝芯夹层板的振动与隔声特性研究[D].南昌航空大学，2019.

[6] 李贤冰.蜂窝夹层板结构的减震设计[D].国防科技大学，2012.

[7] 季宝峰，陈东良，孙艳杰，等.基于等效理论的蜂窝夹层板强度等效分析[J].宇航材料工艺，2015，（2）：12-15.