基于局域聲子理論的鋁合金型材低頻降噪研究

肖友剛， 鄧 微， 申肖雪， 盧 浩

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 長沙 410075)

近幾年來,我國的高速鐵路發(fā)展迅猛, 因?yàn)槠浒踩詮?qiáng)、速度快、舒適度好，所以逐漸成為人們生活出行的主要方式。隨著我國高速列車運(yùn)行速度提高，振動和噪聲問題日益突顯，車輛車體的零部件材料及減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要[1]。2000年Liu等人在《Science》上首次提出了聲子晶體產(chǎn)生帶隙的局域共振機(jī)理[2]。局域共振機(jī)理的提出為結(jié)構(gòu)減振降噪的理論和技術(shù)突破提供了新的契機(jī)。低頻噪聲一般通過固體傳聲且不易衰減。低頻噪聲對人體的危害很大，如果長期受到低頻噪聲襲擾，容易造成神經(jīng)衰弱、失眠、頭痛等各種神經(jīng)官能癥[3]。

目前國內(nèi)外對聲子晶體和聲學(xué)超材料的研究大部分都集中在理論階段，在微觀上通過分析聲波在不同介質(zhì)中的傳遞損失。文中將局域聲子晶體機(jī)理的思想結(jié)合類動力吸振器的結(jié)構(gòu)模型來分析局域聲子板。類動力吸振器結(jié)構(gòu)模型能夠有效地的消耗固有頻率附近的低頻振動能量且其質(zhì)量比越大，其吸振效果越明顯，通過其質(zhì)量彈簧構(gòu)成的多自由度的共振系統(tǒng)的低頻振動吸收過來并加以增幅，最后消耗在阻尼元件中，達(dá)到抑制高速列車地板低頻振動的良好效果。

對于整個(gè)系統(tǒng)的研究，為了更貼近實(shí)際的聲—固結(jié)構(gòu)耦合的多物理場分析，故采用多物理場商業(yè)仿真軟件COMSOL-Multiphysis進(jìn)行仿真試驗(yàn)，首先驗(yàn)證仿真軟件對隔聲量計(jì)算的準(zhǔn)確度，然后對參數(shù)及物理場邊界條件的設(shè)置以及邊界的約束和入射聲壓進(jìn)行合理的設(shè)置。

通過仿真得出低頻頻域范圍內(nèi)的隔聲量，然后改變結(jié)構(gòu)位置，得出最優(yōu)的結(jié)論，為實(shí)用工程生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 鋁型材外地板三角筋板研究

高速列車地板主要包括外地板、間夾層、內(nèi)地板。將局域聲子板敷設(shè)于外地板上方，選擇目前在高速列車地板中使用最廣的三角筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析如圖1示，根據(jù)文獻(xiàn)(4)的研究選用最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并利用商業(yè)軟件COMSOL-Multiphysis參數(shù)化設(shè)計(jì)建立高速列車鋁型材地板三角筋板結(jié)構(gòu)的三維模型，模型的長度為2 240 mm。寬度為1 800 mm,厚度為40 mm,上筋板厚度為3 mm,下筋板為2.5 mm，加強(qiáng)筋為1.8 mm，根據(jù)筋板的結(jié)構(gòu)特征，將結(jié)構(gòu)形式設(shè)為殼單元薄板形式(如圖1)。并對鋁型材筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)實(shí)際在安裝過程中對筋板的四周進(jìn)行邊界約束的情況，設(shè)置邊界固定約束，對地板結(jié)構(gòu)的前六階的固定頻率進(jìn)行仿真計(jì)算得到數(shù)據(jù)如表1。

圖1 鋁型材三角筋板模型

表1 結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析

鋁型材三角筋板上局域板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì):根據(jù)參考目前聲學(xué)超材料[5-6]在聲學(xué)領(lǐng)域的研究成果及計(jì)算局域共振板聲透射特性—等效介質(zhì)法[7]，將局域聲子板等效為動態(tài)質(zhì)量密度的各向同性均質(zhì)板結(jié)構(gòu)可得到局域聲子板中吸振器與基體板的質(zhì)量比μ。根據(jù)Den Hartog參數(shù)調(diào)整公式[8]阻尼動力吸振器設(shè)計(jì)原理確定最佳調(diào)諧頻率比λ，吸振器的等效彈簧剛度k，橡膠的黏性阻尼系數(shù)c。如下式

(1)

(2)

(3)

c=2mω0

(4)

(5)

2 鋁型材筋板結(jié)構(gòu)隔聲量計(jì)算和優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)模型聲學(xué)仿真準(zhǔn)確性驗(yàn)證

借助多物理場商業(yè)仿真軟件COMSOL-Multiphysis對模型進(jìn)行仿真計(jì)算，首先需要驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，將薄板的仿真結(jié)果和馬大猷所著的《噪聲與振動控制工程手冊》[10]中所進(jìn)行的試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，選取的對象為長×寬×高分別為1 000 mm×1 000 mm×1 mm的鋁板進(jìn)行分析，對照結(jié)果如表2。

表2 仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對照結(jié)果

仿真的誤差產(chǎn)生的原因大致為實(shí)際測試和仿真的邊界條件設(shè)置不一致，其實(shí)為有限元網(wǎng)格劃分的精度影響，材料的參數(shù)以及板內(nèi)部阻尼損耗因子的設(shè)置造成的，不過從仿真值和試驗(yàn)值觀察屬于工程設(shè)計(jì)合理的誤差范圍之內(nèi)。

2.2 鋁型材模型結(jié)構(gòu)隔聲量計(jì)算及優(yōu)化

對鋁型材地板三角筋板進(jìn)行聲透射隔聲計(jì)算 首先利用商業(yè)軟件COMSOL-Multiphysis參數(shù)化設(shè)計(jì)建立幾何模型、然后再設(shè)置材料參數(shù)和載荷、定義邊界約束條件、剖分網(wǎng)格等。其中在聲場域中設(shè)置的流體材料為空氣，參數(shù)從材料庫內(nèi)自定義設(shè)置材料參量見表3，由于在空氣中中低頻聲波的傳播主要是平面波的傳播，所以采用1 Pa的聲壓值設(shè)置平面波入射場聲壓,筋板四周設(shè)置固定約束，有限元的網(wǎng)格一個(gè)聲波波長內(nèi)含有6個(gè)單元進(jìn)行劃分，對聲學(xué)和結(jié)構(gòu)的交界面，設(shè)置聲—固結(jié)構(gòu)邊界進(jìn)行模擬聲固耦合的物理關(guān)系，模型中對聲場域的入射面以及透射面進(jìn)行平面波輻射，然后對入射面和透射面聲能量進(jìn)行積分，隔聲計(jì)算模型如圖2通過式(7)，計(jì)算聲能量損失TL(dB)

TL=10ln(ωin/ωout)

(6)

(7)

式(6)～式(7)中ωin代表入射聲能量，ωout代表透射聲能量，p0代表入射聲壓值，p代表透射聲壓值，ρ，c分別代表空氣的密度及聲速。

分析的頻域范圍為低頻的隔聲，所以計(jì)算的頻域從100 Hz到500 Hz,隔聲量如圖3所示。

從鋁型材的裸筋板隔聲量分析知，從100 Hz到120 Hz之間為剛度控制區(qū)，在這區(qū)域內(nèi)剛度越大，隔聲量越高，在這范圍內(nèi)隨著頻率的增大筋板開始振動到達(dá)一階臨界頻率共振頻率時(shí)隔聲量降到最低點(diǎn)，幾乎為全部透射出去。然后進(jìn)入阻尼控制區(qū)，當(dāng)外部激勵(lì)頻率和筋板的固有頻率接近或者一致時(shí)，筋板發(fā)生共振現(xiàn)象，在這一區(qū)域隨著阻尼的增大，隔聲量有較明顯的增大。

表3 材料參量

圖2 鋁型材隔聲計(jì)算模型

圖3 鋁型材裸筋板隔聲量

2.3 阻尼層對鋁型材三角筋板的隔聲影響

根據(jù)文中對阻尼吸振器設(shè)計(jì)原理的分析結(jié)合高速列車的輕量化的設(shè)計(jì)理念，參考文獻(xiàn)[11]可以得到當(dāng)質(zhì)量比u設(shè)置得越大對板的抑制效果越好同時(shí)對聲能的損耗也越好即隔聲量越高，但是和輕量化設(shè)計(jì)理念不符，所以將質(zhì)量比u初始為0.1，根據(jù)公式計(jì)算在上筋板面上敷設(shè)5 mm的橡膠層,剩余的質(zhì)量設(shè)置其他的質(zhì)量塊，如圖4所示，其中阻尼層橡膠剛度等效為吸振器的等效彈簧剛度，橡膠本身含有阻尼，所以適用阻尼吸振器設(shè)計(jì)原理來設(shè)計(jì)。

當(dāng)添加5 mm的橡膠層后在500 Hz范圍內(nèi)平均有2 dB的衰減，對低頻隔聲的效果比較明顯。鋁型材隔聲量如圖5所示。

圖4 鋁型材加阻尼層模型

圖5 鋁型材加阻尼層隔聲量

2.4 阻尼層上添加整塊鉛片

根據(jù)阻尼動力吸振器的設(shè)計(jì)原理，在橡膠層上添加0.2 mm的全部覆蓋橡膠的鉛片，在Y方向構(gòu)成質(zhì)量(筋板)—彈簧(含阻尼)—質(zhì)量(整塊鉛片)結(jié)構(gòu)，當(dāng)入射聲波頻率等于局域聲子板的固有頻率時(shí)那么局域共振模態(tài)被激發(fā)，在Y方向產(chǎn)生一個(gè)F,而添加整塊鉛片后對橡膠層產(chǎn)生一個(gè)反力，雖然振動受到了抑制，但是彎曲波的橫波在XZ平面能夠繼續(xù)傳播，所以從圖中結(jié)構(gòu)隔聲量我們可以得到在二階模態(tài)附近有一個(gè)較大的隔聲量，但是又出現(xiàn)一個(gè)相似的隔聲低谷。同時(shí)在分析頻域范圍內(nèi)由于鉛片的質(zhì)量原因平均提高了2 dB左右。由分析可以知道，通過添加質(zhì)量塊可以得到一個(gè)改進(jìn)頻率，也就是模態(tài)固有頻率的改變。

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果將動力吸振器上的質(zhì)量塊附加于各階模態(tài)的波峰位置，抑制各階模態(tài)下三角筋板的振動，減小筋板的振幅，從而提高隔聲量。從鋁型材的前六階的固有頻率振型圖能直觀的得到相應(yīng)的振動波峰。從圖3上鋁型材裸筋板的隔聲量曲線，在122，350，470 Hz附近產(chǎn)生隔聲低谷。由文獻(xiàn)[12]知，在等質(zhì)量密度的情況下增加子吸振器的個(gè)數(shù)，可以明顯拓寬局域共振板的改進(jìn)頻率，同時(shí)惡化頻率移向更高頻段，這對低頻的隔聲處理是非常有益的。根據(jù)波峰位置、隔聲低谷的情況，設(shè)置12塊薄鋁片(尺寸0.2 m×0.3 m×0.000 05 m，結(jié)構(gòu)單元可以簡化為在XZ平面形成質(zhì)量(鉛片)—彈簧(橡膠)—質(zhì)量(鉛片)，這樣質(zhì)量塊鉛片形成12個(gè)子吸振器， 單元結(jié)構(gòu)可以簡化為圖6所示。這樣在XZ平面形成鉛薄片和橡膠成二維二組元的局域聲子板結(jié)構(gòu)，如圖7所示。根據(jù)振型圖可以觀察到在模態(tài)固有頻率處，能量集中在XZ平面的鉛片之間的橡膠處，當(dāng)彈性波的頻率接近共振單元的固有頻率時(shí)，XZ平面的鉛片就會產(chǎn)生一個(gè)反力F′,這樣彈性波的能量在通過局域共振能量消散在橡膠層中，從結(jié)構(gòu)隔聲曲線圖8中，我們可以對比同質(zhì)量的整塊鉛片和分布式鉛片在低頻端隔聲有很大的提高，特別在122 Hz附近處的隔聲達(dá)到了30 dB,在360 Hz附近處也有10 dB的提高。同時(shí)在250 Hz附近處會有一個(gè)改進(jìn)頻率，但是相對122 Hz頻率的隔聲量也提高了5 dB。通過仿真得到結(jié)論，打破了隔聲的質(zhì)量定律，在傳遞過程中通過質(zhì)量—彈簧—質(zhì)量的局域共振結(jié)構(gòu)消耗了聲能即提高了隔聲量，同時(shí)也滿足能量守恒定律。

圖6 彈簧—質(zhì)量、質(zhì)量—彈簧—質(zhì)量模型

圖7 鋁型材敷設(shè)局域聲子板的模型

圖8 鋁型材各種結(jié)構(gòu)隔聲量比較

3 鋁型材三角筋板仿真與試驗(yàn)對比分析

選取鋁型材筋板模型尺寸長×寬=1 500×1 200 mm,上板、加強(qiáng)筋、下板厚度分別為2.5,1.8,3 mm的鋁合金型材三角筋板在頻率范圍100 Hz到500 Hz的1/3倍頻段(100，125，160，200，250，315，400，500 Hz)進(jìn)行現(xiàn)場聲強(qiáng)法隔聲試驗(yàn)，如圖9。

然后用comsol仿真軟件將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，可以得到隔聲量的試驗(yàn)值和仿真值結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)試驗(yàn)對比分析，軟件仿真在邊界條件的設(shè)置上過于理想化，導(dǎo)致低階的模態(tài)頻率產(chǎn)生較大的差異，同時(shí)在低頻段試驗(yàn)漏聲嚴(yán)重，導(dǎo)致在250 Hz處誤差較大，但其他倍頻處有很好的擬合，證明仿真和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

最后在鋁型材筋板上添加局域聲子板后隔聲的仿真值與未添加局域聲子板的試驗(yàn)值以及仿真值的對比，如圖11所示。

圖9 聲強(qiáng)法隔聲試驗(yàn)

圖10 鋁合金型材試驗(yàn)對比分析

圖11 鋁合金型材添加局域聲子板仿真對比分析

從圖11我們所知，在鋁型材板上添加局域聲子板后在頻率(100～500 Hz)范圍內(nèi)1/3倍頻段隔聲效果有顯著的提高。

4 結(jié) 論

(1) 通過分析多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動的理論研究，結(jié)合目前高速列車外地板的結(jié)構(gòu)特征，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對振幅最大的區(qū)域添加局域聲子板，能很好的控制板的振動。

(2) 通過和試驗(yàn)驗(yàn)證確定商用軟件仿真的準(zhǔn)確度，結(jié)果證明在工程誤差允許范圍之內(nèi)，得出了仿真的結(jié)果對實(shí)際的工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

(3) 該方法將前處理、求解、后處理3個(gè)過程全部分開，通過分析不同情況下鋁型材三角筋板的隔聲情況，得到較優(yōu)化的結(jié)果

(4) 通過在設(shè)置聲場平面波的輻射，這種近似處理方法在低頻有高度的擬合，但在高頻復(fù)雜聲場，誤差度較大，對分析結(jié)果有一定的影響，所以需要對聲場邊界條件進(jìn)一步的優(yōu)化。

(5) 由于高速列車整車復(fù)雜的制造工藝，對降噪的措施還需進(jìn)一步研究。

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