开孔壁板结构隔声特性分析

2022-06-21沈安澜侯志强

中国新技术新产品 2022年5期

金鑫沈安澜侯志强

（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000； 2.大连理工大学，辽宁大连 116000）

0 引言

直升机舱内噪声环境恶劣，严重影响乘坐的安全性和舒适度。从噪声传递路径来看，直升机内部噪声主要来自机舱周围的舱壁、地板、舱门、窗户等薄板结构，并在外部声载荷和振动激励下形成舱内复杂噪声环境。然而，由于连接、布线、通风、安装、加工误差等因素，机舱结构并不是完全封闭的，一般含有孔、洞、缝隙等结构，会引发机外空气声衍射，造成舱内基础噪声水平偏高，该现象可被称之为机舱的声泄露问题。

为了控制舱内噪声水平，国内、外直升机厂商通常采用铺设内饰的方法，通过隔声、吸声等降噪手段，抑制壁板噪声向舱内传递，同时配合气密舱布置，解决机舱声泄露问题。然而在很多工况下，直升机无法实现气密设计，很多不可避免的开孔要求造成的声泄露问题较为严重。因此，为了尽可能控制舱内基础噪声水平，该文以某型直升机上一块典型金属薄板为研究对象，通过仿真方法，研究不同开孔工况下的壁板隔声特性，进而指导机舱壁板等薄板结构的开孔加工设计，同时为舱内噪声预测中的声泄露问题提供可行的预测方法。

1 开孔壁板结构隔声特性分析

1.1 隔声评价函数

为了计算开孔壁板结构的隔声特性，可以将一个包括多种结构“元素”的板分成很多面积的小块，设面积为（S，S，...，S），如图1所示，按照“元素”分成的子块定义为Patch。根据Patch加权声传递率方法，一块包括多种子结构的板的总声传递率τ等于各个子结构声传递率τ的面积加权。

图1 包括多种结构“元素”的板结构

因此，含有N个子结构的板结构总声传递率τ的定义如式（1）所示。

根据式（8）可知，获得w就能在已知开孔率、声源和合理的假设条件下得到开孔壁板结构的隔声特性。

1.2 隔声仿真建模

板状结构隔声量的试验测试原理图如图2所示。在两个房间之间的墙壁上固定测试件，一个房间为多个声源按照一定规律排列组成的混响室，另一房间为吸声尖劈组成的消声室，由此测量获得试件的入射声功率及其辐射到消声室的透射声功率，从而得出试件的隔声曲线。

图2 混响室与消声室试验测试原理图

根据以上试验原理和结构特点，在Virtual.Lab Acoustics声学模块中选择耦合声学间接边界元方法对开孔壁板隔声量进行仿真计算。

仿真对象为某型直升机机舱顶部1块典型铝板，其尺寸为1000mm×1000mm×1.2mm，材料为2A12铝，其弹性模量、密度和泊松比分别为75GPa、2.7g/cm和0.3 。由于传动、飞控及航电等需求，需要开设大量孔、洞，在此基础上，基于有限元和边界元耦合分析方法建立铝板的隔声仿真分析模型，如图3所示。

根据理论公式计算出的该尺寸铝板结构的声学临界吻合频率超过4000Hz，因此采用网格尺寸为20mm 的2D单元对板进行划分网格，以保证声学网格可以精确计算到2800Hz。在此基础上，定义12个分布声源组成半球空间，模拟混响声源效应；定义障板Baffle模拟混响室和消声室之间的隔断，以排除铝板边界在计算分析时对声的反射影响；同时建立半球空间场点网格，以其声学响应点。此外，提取网格表面skin作为边界元网格与结构网格的耦合面。

图3 铝板隔声量计算仿真模型

2 开孔壁板结构隔声特性分析

2.1 开孔率影响

首先，计算四周简支条件下壁板结构的模态，之后在0Hz～3000Hz范围内计算其声振耦合响应，得到该频域范围内通过场点网格的声功率数值。根据式（9）计算不考虑孔结构的声传递率τ，其中W为入射到待分析件结构网格上的声功率，W为穿过结构网格的声功率，也就是经过场点网格的声功率，然后根据式（10）计算隔声量TL。

基于隔声质量定律和仿真分析方法，分别计算不开孔铝板隔声量，其结果如图4所示。

图4 不开孔铝板的隔声量TL曲线

图5 中心开孔示意

从图4中可以明显看出：1）在1 Hz～3000 Hz时，边界元仿真结果显示四周简支铝板存在明显的刚度控制区，但质量控制区和阻尼控制区分界不明显。2）在频率864Hz和1241Hz附近，结构隔声量出现明显低谷，这是因为仿真计算步长设置在该分析点更接近结构共振频率。3）在低频（0Hz～100Hz）区域内，仿真方法和基于质量定律的理论计算结果偏差较大，高频区仿真计算结果与理论计算结果较为接近，验证了不开孔板结构隔声量仿真计算方法的可行性。其中，在频率为1000Hz～1200Hz时，理论和仿真计算的不开孔结构的隔声量为26dB～30dB。

针对上述铝板，在中心处开圆孔，如图5所示。

根据式（8），分别计算0.2%、0.5%、1%、3%和5%不同开孔率下的铝板的隔声量，结果如图6所示。

根据图6可知，开孔铝板的孔隙尺寸虽然只占整个铝板面积的0.2%～5%，但是总的声传递损失在整个频带上下降了5dB～20 dB。隔声结构上的孔隙结构会显著降低其隔声效果，开孔率越大，隔声板结构的隔声效果越差。开孔率为5%时，铝板在全频段的隔声量不超过13dB，开孔率为3%时不超过15dB，开孔率为1%时不超过20dB，开孔率为0.5%时不超过23dB，开孔率为0.2%时不超过27dB，因此在进行开孔设计时，应确认原壁板结构的隔声要求，适当确定开孔率，对不可避免的开孔应当通过改变孔数等方法重新设计。

2.2 开孔数量影响

该文在3%的开孔率下，仿真分析不同开孔数量对铝板隔声的影响。该文选取单孔、双孔和四孔板开展计算分析。隔声量计算结果如图7所示。

通过数据分析可以看出，假设壁板结构开孔处的声传递率为1，即不考虑孔隙结构的声边缘反射和散射等效应，在全频段范围内不同开孔数量铝板的隔声效果几乎相同。在高频区，由于开孔对结构模态会产生影响，所以不同开孔形状的隔声量低谷对应的频率不同。

为进一步对开孔设计方法给出指导，以下该文将使用虚拟传递率方法，定性分析开孔数量对铝板隔声特性的影响规律。

假设开孔壁板结构在开孔率为α下的声传递率τ（α）满足下式：

其中A、B和C分别为二次项系数、一次项系数和常数项。

定义 τ（0）=0，τ（3%）=1，τ（0.5%）=0.25 ，计算结果如式（12）所示。

此时计算3%开孔率下孔洞数量对开孔壁板结构隔声量的影响，并绘制隔声量TL曲线，如图8所示。

根据图8中可知，在全频段范围（0Hz～3000Hz）内，开孔面积占比不变时，开孔数量越多隔声效果越好，但开双孔隔声量不超过17dB，开四孔隔声量不超过20dB，隔声效果仍有限。因此，在进行开孔设计时应当将开孔面积占比作为首要的设计参数，再通过试验手段确定具体的孔洞形状、数量和位置等具体信息。

2.3 密封影响

针对开孔率为0.5%的壁板结构，按照图9所示方法建立孔板密封模型，在开孔处使用密封材料进行密封，改变密封材料参数（杨氏模量和密度），计算该结构的隔声量。

将密封材料密度改为1000kg/m和1500 kg/m，保持杨氏模量数值不变，再计算该结构隔声量，并与不开孔和不密封形式隔声效果进行对比，计算结果如图10所示。

进一步改变密封材料的杨氏模量，使其为铝材的0.01倍和0.1倍，材料密度不变，计算该结构隔声量，并与不开孔和不密封形式的隔声效果进行对比，计算结果图11所示。

图6 不同开孔率下的铝板的隔声量

图9 孔板密封示意

图7 不同开孔数量铝板的隔声量

图8 考虑声传递率的不同开孔数量铝板的隔声量

通过图10和图11的数据分析发现，在低频区域（＜400Hz），密封材料的杨氏模量和密度对开孔壁板结构隔声量的影响均较小，使用密封与不开孔、不密封的隔声效果基本相同。但当分析频率超过400Hz时，密封材料的使用会在很大程度上提高结构的隔声量，若密封理想，可达到未开孔板的隔声效果。另外，与杨氏模量属性相比，密封材料的密度属性对该结构的隔声效果所起的作用更大。

另假设中心开孔处使用指定声传递率的密封材料，针对400Hz、1200Hz、2500Hz分别计算密封结构等效声传递率对隔声量的影响如图12所示。

根据图12可知，开孔处（密封处）的声传递率对高频区的隔声效果影响要高于低频区，且频率越高，影响越大。因此，从隔声角度对开孔壁板结构进行密封设计时，首先应考虑使用材料的密度参数。例如对上述铝板结构，使用0.1倍板材料杨氏模量、密度1000kg/m的密封材料就能够有效提高整个结构在中高频区的隔声效果。

3 结论

根据开孔壁板结构隔声特性仿真分析结果，该文可得出以下结论：1）若壁板采用多孔或有缝隙的材料，即使其面密度很大，隔声量也会大大降低。2）同样的结构形式，开孔率越高，隔声效果越差。例如该文中铝板结构的开孔率超过1%时，隔声量不会超过20dB，在某些频率处甚至低于10dB。因此，声泄露的存在大大降低了机舱隔声区域的降噪效果，必须加以预防。3）在相同的小开孔率下，孔隙的形状、数量和位置等对板结构的隔声影响较小。4）在不可避免开孔的位置，应合理选用密封材料进行密封，可显著提高整个结构的隔声效果。

基于以上结论提出以下声泄露预防手段，以期为壁板结构的开孔设计提供参考，该方法也是最直接的方法，即利用构造法对壁板结构进行重新设计，减少或避免壁板结构间的拼接、开孔，从而消除潜在泄露。对不可避免的开孔或接缝设计，可通过优化尽量减小接缝宽度和长度、孔洞数量和大小。进行开孔设计时，为保证原结构的隔声效果，开孔面积占比不应超过0.5%。对于面积占比超过0.5%的开孔，可通过增加开孔孔数的方法提高结构隔声效果。还可在缝隙或边框中增加采用了柔软弹性材料（如橡胶制品、可压缩乳胶条、工业毛毡条、泡沫塑料等）的密封条、黏结剂等进行密封。