铝合金加筋板声振响应及隔声性能试验研究

杨 堃，许 绯，张 荣，燕 群

(中国飞机强度研究所 五室，陕西 西安 710065)

1 引 言

加筋结构具有质量轻、刚度大的特点，其作为工程结构材料，广泛应用于民用工业和国防工业的诸多领域，如飞行器的机身壳体和船舶/潜艇的船体结构等均由大量加筋结构组成。在机械力或声载荷的激励下，加筋结构的振声特性及隔声特性极大地影响着周边结构的安全使用性能，进而影响飞行安全。因此，对筋板类结构的振声特性和隔声性能的研究一直受到众多学者的关注[1]。

自19世纪始，国外学者对单板结构的振声特性和隔声性能进行了大量的理论、试验和仿真研究。G.Maidanik讨论了将简支单板放置于无限大刚性板中时单板的声辐射阻抗问题[2，3]。Cremer将弹性力学的理论知识引用到无限大板隔声量计算的研究中，发现在单板结构隔声量曲线中出现隔声低谷现象，即著名的吻合效应[4]。London推导了混响声场载荷激励下，单层板和双层板的隔声量理论计算的依据[5，6]。

同时，国内众多学者也对单板结构声振特性和隔声性能展开了研究。姜哲等根据结构模态的分析方法，推导了板壳结构各阶模态振型的辐射效率计算公式[7]。尹岗等根据模态分析的方法，将简谐激励作用在单板结构的单点上，在低频区间内，提出了单板辐射效率的计算方法[8]。陆红艳推导了在外界激振力作用下单板结构表面振动速度与辐射声功率的关系[9]。李双等以方形单板为例，讨论了耦合结构振动模态对其声辐射特性的影响[10]。辛锋先等将夹芯层等效为弹簧和扭簧的组合，研究分析了瓦楞状双层加筋结构的隔声性能[11]。王巧燕等采用试验方法，讨论了面板厚度、中间加强筋数量对双层加筋结构隔声性能的影响[12]。蒋聪利用MATLAB软件和函数周期性理论，研究了外力分别作用于筋、板时双层加筋结构的辐射声压问题，讨论了相邻加强筋间距对其向外界辐射声压的影响[13]。

本文旨在研究铝合金加筋壁板结构的声振响应分布情况及隔声性能，通过模态试验得到了结构的固有频率特性，在此基础上开展了在掠入射声载荷作用下壁板结构的振动响应分布情况，并与模态试验的结果进行了对比。在优化处理过的声学环境内对壁板结构进行隔声性能测试，得到了结构的隔声曲线，在行波管安装状态下的隔声测试方法上进行了探索，为铝合金加筋壁板结构的优化设计、试验验证等提供了数据支撑。

2 基本原理

2.1 薄板的振动特性

假设一厚度均匀的矩形薄板，其弯曲振动方程为：

(1)

矩形薄板的振动问题中，常见的边界条件为固支、简支或自由，对应的边界条件可分别表示为：

如若固定边界平行于一边(如x轴)：

(2)

如若简支边界平行于一边(如x轴)：

(3)

如若自由边界平行于一边(如x轴)：

(4)

设有相同厚度的均匀矩形薄板振动方程(1)的解为：

ε(x,y,t)=Z(x,y)ejωt

(5)

式(5)中，Z(x,y)为振型函数；ω为固有频率。

代入式(1)中可得：

(6)

(∇2-k2)(∇2+k2)Z=0

(7)

令Z(x,y)=X(x)Y(y)，进一步简化上式得：

(8)

X=Amcos(kmx)+Bmsin(kmy)
Y=Ancos(knx)+Bnsin(kny)

(9)

根据简支边界条件，具有相同厚度的均匀矩形薄板振动的振型函数为：

Zmn=Amnsin(kmx)sin(kny)

(10)

(11)

2.2 壁板结构隔声测试

一般隔声构件的隔声性能试验应在混响室-消声室内进行，混响室和被测构件的尺寸都有较为严格的要求。测量板件类结构的隔声量中所使用的计算公式见式(12)：

(12)

3 试验研究

本研究针对行波管安装环境下的铝合金加筋板试验件，进行了声振响应测试和隔声测试，探究了在掠入射声载荷作用下试验件的动态响应分布情况和隔声性能，测试示意图如图1所示。为了减少外部环境的声反射导致的测量误差，在外部传声器的后面放置了移动式吸声尖劈，面积大于试验件尺寸的2倍以上。

图1 隔声测试示意图

3.1 试验件

试验件包括平板加筋试验件1件，编号A-1。试验件长约700mm，宽约590mm，壁板厚度1.5mm，筋条厚度2mm，高度30mm，试验件如图2所示，照片见图3。

图2 试验件示意图

图3 试验件照片

3.2 试验支持状态

试验件通过螺钉与行波管连接，带筋条的一侧朝向行波管内部，安装照片如图4所示。先将试验件与夹具通过螺栓进行连接，然后整体再通过夹具的外圈螺栓安装在行波管侧壁上进行测试。

图4 安装示意图

3.3 试验载荷

为了便于研究和对比，选取平直声压谱作为试验载荷，如表1所示。以传声器测量值为反馈，采用3点平均的方法对试验段声场进行实时闭环控制。在试验件旁的行波管侧壁布置3个声场控制点，在行波管侧壁上安装高声强传声器。

表1 试验件噪声载荷谱

3.4 试验测量

本研究内容包含模态测试、隔声性能测试和加速度响应测试。声振响应测试中，在试验件上按“+”形状粘贴5个加速度计，如图5所示。进行隔声测试的同时在行波管侧壁安装传声器测量内部声场，在安装试验件的一侧外围布置传声器测量外部声场。采用声压法记录行波管内外声场的1/3倍频程声压级和总声压级，并进行铝合金加筋板的隔声性能分析。外部传声器测试位置距离试验件表面600mm，传声器等间距布置。将6支B&K 4938高声强传声器安装在支架上，在支架底部安装配重块，以防止因支架不稳导致在测试过程中发生摇晃，影响测试结果，如图6所示。

图6 传声器相对位置

3.5 试验过程

开展各项试验研究时，首先将试验件安装在行波管侧壁上，用力锤跑点激励、加速度计拾振得到了各点的频响结果，通过分析加速度频响函数给出试验件的前三阶共振频率。进行隔声测试时，首先对测试环境的背景噪声进行了测试。加载如表1所示的噪声载荷，待声场稳定后分别对行波管内、外声场进行测量，测量时长30s，获得了试验件在各频带下的隔声性能结果。

待载荷稳定后，同步采集加速度响应数据，获得了加筋板在给定噪声载荷作用下的加速度响应分布情况，重复上述步骤，共进行5轮隔声性能测试。

4 试验结果及分析

4.1 模态试验

噪声试验前对试验件进行了安装状态下的模态测试，表2给出了试验件的模态频率测试结果，各阶模态振型如图7-图9所示。

表2 试验件安装状态下模态频率测试结果

图7 第1阶模态振型

图8 第2阶模态振型

图9 第3阶模态振型

4.2 声振响应测试结果

试验过程中，在声场稳定后记录各测点的加速度响应数据，并对试验数据进行处理。以第5轮测试为例，给出各测点的加速度频域幅值谱图，如图10-图14所示。分析各加速度测点的频域响应结果，发现在噪声载荷作用下，试验件第一阶共振频率在194Hz左右，与模态测试的频率结果一致，这验证了模态测试方法和结果的准确性。

图10 测点1#加速度幅值谱图

图11 测点2#加速度幅值谱图

图12 测点3#加速度幅值谱图

图13 测点4#加速度幅值谱图

图14 测点5#加速度幅值谱图

4.3 隔声性能测试结果

本研究中在行波管外侧布置了6个传声器，测量试验件在行波管试验环境下的隔声性能，并对周边环境进行了一定程度的隔声处理。经过测试，环境背景噪声约为90dB，且在任一个频带的声压级均远低于试验中的测试结果。经总结，将各轮测试的隔声曲线汇总如图15所示。

图15 各频带隔声测试结果(共5轮)

分析加筋板的隔声曲线可以发现，在中心频率为200Hz的1/3倍频程带中出现一个明显波谷，根据模态试验结果分析，是因为试验件第一阶共振频率约为194Hz，导致试验件产生共振，在该频率附近透过加筋板的声功率迅速增大，因此隔声曲线急剧下降。当离开共振频率后隔声曲线又急剧上升，最终趋于稳定，隔声量在35dB左右。

5 总 结

本文针对正交型铝合金加筋板开展了在行波管安装状态下的声振响应和隔声性能试验研究工作，从薄板的振动理论模型入手，首先开展了模态试验，得到试验件的模态振型结果，然后进一步用试验手段研究了试验件在掠入射声载荷作用下的声振响应分布特性和隔声性能，最终得到了以下结论：

(1)模态试验的频率及振型结果经过分析，进一步验证了声振响应测试结果的准确性，为后续研究提供了理论基础；

(2)本研究提出了一种在行波管安装状态下进行壁板件隔声测试的试验方法和思路，经过验证，背景噪声和测试方法具有较高的精度及合理性，对壁板类试验件在掠入射声载荷作用下的隔声测试方法进行了探索和总结；

(3)分析加筋板的隔声测试结果，发现在试验件一阶共振频率处(约194Hz)，因试验件发生共振而导致隔声量明显下降，该结果也符合典型薄壁壁板结构隔声性能的一般规律。

在以后的研究工作中，可以从以下两个角度进一步开展相关研究工作：

(1)在掠入射声载荷作用下的壁板隔声试验研究中，可以考虑进一步优化试验现场的声学环境，保证测量结果的准确性；

(2)对比传统的混响室-消声室隔声测试方法，探究在不同形式声载荷作用下研究对象隔声性能的不同。