基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验.pdf
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1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验余勇花1,吴天歌1,杨 淇1,叶锦啸1,夏兆旺1,2(1.江苏科技大学能源与动力学院,江苏镇江 212003;2.江苏海事职业技术学院船舶与海洋工程学院,江苏南京 211170)摘要:声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)能够实现声波的聚集,通过粘贴阻尼层将其聚集的能量耗散,可有效降低声学黑洞复合结构的振动和声波的传递。针对中低频段噪声,设计了声学黑洞复合隔声结构,建立了其隔声量计算模型。研究了声学黑洞复
2、合隔声结构的黑洞数量、黏弹性阻尼层、声学黑洞半径等参数对隔声性能的影响。研究结果表明:在1601 000 Hz频率范围内,ABH能明显增加复合隔声结构的隔声性能,其传递损失在1/3倍频程内增加了1.9 dB。文中的研究结果为复合隔声结构的设计提供了借鉴。关键词:声学黑洞(ABH);隔声性能;复合隔声结构;阻尼层中图分类号:TB535 文献标志码:A 文章编号:1000-3630(2023)-04-0509-06Analysis and test of acoustic characteristics of the acoustic black hole based composite soun
3、d insulation structureYU Yonghua1,WU Tiange1,YANG Qi1,YE Jinxiao1,XIA Zhaowang1,2(1.School of Energy and Power,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,Jiangsu,China;2.School of Ship and Ocean Engineering,Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 211170,Jiangsu,China)Abstract:Acoustic
4、black hole(ABH)is capable of gathering sound waves.By pasting a damping layer on ABH to dissipate the energy it gathered before,the structural vibration and sound wave transmission of the composite sound insulation structure with ABH can be effectively reduced.For the noise in mid and low frequency
5、bands,a composite sound insulation structure with ABH is designed and the calculation model of its sound transmission loss(STL)is established.The effects of ABH parameters,such as number and radius of black holes and adhesive elastic damping layer,on sound insulation performances are studied.The res
6、ult shows that the sound insulation performance of the ABH based composite sound insulation structure is significantly improved in the range of 1601 000 Hz,with an average STL improvement of 1.9 dB compared with the normal composite sound insulation structure.The result in this paper provides a refe
7、rence for the design of composite sound insulation structures.Key words:acoustic black hole(ABH);sound insulation performance;composite sound insulation structure;damping layer0引 言随着社会的发展,噪声污染越来越受到人们的重视 1-3。复合隔声结构一般由平板、阻尼层、穿孔板及多孔吸声材料等组成。相较于传统单板结构,在面密度相近时,复合隔声结构具有更好的隔声性能4。夏兆旺等5研究了嵌入式质量块对隔声门低频段隔声性能的影响
8、,通过有限元法建立两个相邻混响室计算隔声门的隔声量(Sound Transmission Loss,STL)。Liu6研究了板、空气、多孔材料间的耦合关系,分析总结了结构组合类型对复合板隔声性能的影响。声学黑洞的引入为复合隔声结构的发展增添了新的活力7。声学黑洞的结构厚度满足幂指数函数形式。在理想情况下弯曲波速可以减小到0,可实现弯曲波的零反射8。1989年,Krylov9研究了楔形的一维梁结构操纵弯曲波的传播。王博涵等10研究了内嵌声学黑洞薄板振动数值模拟方法,结果表明合理调节声学黑洞区域的厚度梯度变化尺度以及引用格式:余勇花,吴天歌,杨淇,等.基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验J
9、.声学技术,2023,42(4):509-514.YU Yonghua,WU Tiange,YANG Qi,et al.Analysis and test of acoustic characteristics of the acoustic black hole based composite sound insulation struc-tureJ.Technical Acoustics,2023,42(4):509-514.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.015收稿日期:2022-03-18;修回日期:2022-04-18基金项目:江苏省自然科学基金(
10、BK20191462);2021江苏省研究生创新计划(SJCX21-1776);热能动力技术重点实验室开放基金(TPL2020003)。作者简介:余勇花(1997),女,安徽安庆人,硕士研究生,研究方向为振动与噪声控制。通信作者:夏兆旺,E-mail:2023 年声学技术幂律会改变局部模态参数。刘波涛等11研究了声学黑洞轻质超结构的低频带宽高效隔声机理,设计了一种针对低频的新型声学黑洞超结构。王小东等12针对直升机驾驶舱的噪声问题,提出了基于声学黑洞的两种减振降噪方案,在结构总质量不增加的情况下,室内平均噪声水平在1/3倍频程内降低了310 dB。本文将声学黑洞引入复合隔声结构的设计中,推导了
11、包含多孔材料与穿孔板等参数的复合隔声结构传递矩阵,进而得到复合隔声结构隔声量,通过有限元法建立的声学黑洞复合隔声结构仿真模型,分析了声学黑洞的数量、黏弹性阻尼层、半径等参数对结构隔声量的影响规律。本文的研究结果为高隔声量、低面密度的复合隔声板结构设计提供了新思路。1声学黑洞复合隔声结构理论基础1.1声学黑洞结构振动波传递特性嵌入二维声学黑洞的圆板如图1所示。原板厚度和半径之间的关系式为h(x)=hp xrrm-b xr(1)式中:h为黑洞板的厚度;r为黑洞的半径;为常数;m为正有理数,被称为黑洞效应指数因子;b为黑洞中心到坐标原点的距离;hp为均匀板区域的厚度。弯曲波在各向同性薄板中的传播速度
12、为,cB=()B2M14(2)式中:B为弯曲刚度,B=Eh3(x)12(1-v2);E为杨氏模量,v是泊松比;是角频率;M是板的面密度。1.2复合隔声结构隔声特性对复合隔声结构进行简化处理:将复合隔声结构看作n层不同材质的组合结构,每层结构为独立的声学单元,声波从一侧入射后,从另一侧辐射,则通过复合隔声结构两侧的声压与速度可建立四端参数模型,模型示意图如图2所示。以第i层为对象,其前后表面的声压和速度可通过二阶传递矩阵表示:Ai=aiiaii+1aiiai+1i+1=cos(kili)jsin(kili)icijsin(kili)/icicos(kili)(3)式中:li为材料层厚度,ci为材
13、料层的速度,ki为材料层的波数,ki=Ki/i,为角频率,i为第i层介质密度,Ki为第i层介质的体积弹性模量。第i层前后表面的声压和速度可通过二阶传递矩阵表示:pivi=aiiaii+1ai+1iai+1i+1 pi+1vi+1(4)式中:pi与vi分别为入射声压与速度;pi+1与vi+1分别为辐射声压与速度。第i层介质的声压pi与速度vi间的关系用其阻抗表示:Zi=pivi=iKi(5)由式(5)可得到:pi=viiKi(6)由式(3)和式(4)可得到第i层声压传递关系:pi+pi+1(pi-pi+1)k00=Aipi+1pi+1k00(7)式中:k0为空气的波数,0为空气的密度。则复合隔声
14、结构声压总的传递关系为p1+p2(p1-p2)k00=Aipnpnk00(8)令复合隔声结构总的传递矩阵i=1nAi=B=b11b12b21b22,则由式(8)可以求出复合隔声结构的透射系数为=2b11+b22+b12k00+b210k0(9)图2 复合隔声结构四端参数模型示意图Fig.2 The four-pole parameter model of multilayer sound in-sulation structure图1 嵌入二维声学黑洞的薄板Fig.1 Plate embedded with a two-dimensional ABH510第 4 期余勇花等:基于声学黑洞的复合
15、隔声结构声学特性研究及试验进而得到复合隔声结构的隔声量为R=20lg|1|(10)2复合隔声结构的声学仿真模型2.1隔声仿真声腔建模在隔声结构隔声性能的仿真分析中,需要构建模拟试验测试的双混响空间。设计一个满足均匀声场的混响空间,混响空间的长宽高比例为LxLyLz=0.91.21.4。在混响室内壁设置不同半径的半球形突起以实现混响空间内的每个频段都具有很好的扩散效果13。在商业软件COMSOL中建立两个混响室,其中声源室尺寸为1 m1.34 m1.56 m,受声室的尺寸为1.5 m2 m2.3 m。在混响室按照ISO 10140214的附录D建立点声源和测点,声源为无指向性声源。模型整体采用六
16、面体网格,且满足每个波长内至少包含6个单元。隔声分析仿真声腔模型如图3所示。2.2复合隔声结构仿真模型验证隔声试验采用混响室混响室隔声试验方法,测试所用的混响室尺寸为:声源室5.9 m5.6 m4.9 m,接收室5.9 m3.7 m4.1 m,依据ISO 10140214中的测试标准,参照ISO 717115中的评价标准进行单值评价。隔声量的计算公式为R=L1-L2+10lg(SD)=12(11)式中:表示声源位于位置1或位置2;L1、L2分别为经背景噪声修正后的声源室和接收室能量平均声压级;S为试件安装测试洞口面积;D=0.16V/TR为接收室吸声量,V为接收室容积,TR为接收室混响时间。复
17、合隔声结构的试验平均隔声量为R=-10lg12 10-R110+10-R210(12)实验构件安装在声源室与受声室间的窗口。试验布设照片如图4所示。复合隔声结构模型由隔声板、阻尼层、多孔材料层、中间薄板以及穿孔板组成。复合隔声结构如图5所示。复合隔声结构的平面尺寸为1 m1 m,多孔材料为玻璃棉,外平板与中间薄板为钢板,穿孔板为铝板,阻尼材料为黏弹性阻尼胶,各层材料参数如表1和表2所示。整个复合隔声结构安装于双混响室之间,穿孔板侧位于声源室,隔声板侧位于接收室,隔声板四图4 试验布设的照片Fig.4 Photos of experimental layout图5 复合隔声结构示意图Fig.5
18、Schematic diagram of the composite sound insulation structure图3 隔声分析的声腔模型Fig.3 Acoustic cavity model for sound insulation analysis表1复合隔声结构的材料参数Table 1Material parameters of composite sound insulation structure材料铝钢阻尼密度/(kgm-3)2 7007 8001 000弹性模量/Pa7.110102.110113108剪切模量/Pa2.671010810101105泊松比0.329 60
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