薄铝板敷设阻尼层声学性能研究

桑丽　帅仁忠

摘 要：

以铝薄板为例，利用有限元及试验相结合的方法，研究阻尼对结构振动、声学性能的影响，并分析结构动态特性与声学性能的关系，为结构减振降噪提供依据。

关键词：

阻尼；隔声量；结构模态；振动响应

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2016）04021502

1 引言

阻尼减振降噪已广泛应用于诸如航空航天、机械、船舶、轨道交通及家用电器等领域，以达到结构减少传递振动与声辐射的能力。针对轨道列车，车体和内饰部分有众多的板件结构，由于轻量化和车内空间的限制，并不能无限的增加板件的厚度。为了增加板件的隔声性能，降低其声辐射，采取在板件表面敷设阻尼层。

2 自由阻尼

表面阻尼处理可分为自由阻尼处理和约束阻尼处理两大类。与约束阻尼相比，自由阻尼处理更加简捷，而且工程化程度高。自由阻尼处理是将一层一定厚度的粘弹性阻尼材料敷贴与结构表面，由于粘弹性阻尼层外侧表面处于自由状态，称这一阻尼层位自由阻尼层。当结构发生振动时，阻尼层随之一起振动，从而阻尼层内部产生拉压变形。本文主要研究敷设自由阻尼层薄铝板结构。

3 试验与仿真分析

自由阻尼处理技术通过提高结构阻尼，可以有效抑制共振，是解决工程中振动和噪声十分有效的技术，尤其适用于薄板结构的减振降噪。本文研究的数学模型如图2所示：自由阻尼层敷设在铝板的一侧。板的几何尺寸及材料特性为：板长、宽为1300×1000mm，板厚为4mm，弹性模量7×104GPa，密度2700kg/m3，泊松比0.3，阻尼材料密度1400kg/m3，弹性模量100GPa，泊松比0.3，阻尼层的厚度选为1mm、3mm、6mm。通过仿真、试验两种方法，研究敷设阻尼铝板的声振性能。划分单元时，将阻尼层和基体层看成一个整体，这能更好地体现出阻尼结构层之间的协调关系。

3.1 声学性能

3.1.1 隔声性能

采用混响室法进行隔声量测试，Vaone声学仿真软件进行声学计算，与测试结果进行对比，分析不同阻尼厚度对结构隔声性能的影响，结果如图3、图4所示。

从图3可知，敷设阻尼层后，隔声量有了较大的提高，由于敷设阻尼层可以减小共振振幅，提高阻尼控制区的隔声量。此外，在提高结构的隔声能力上，阻尼层可以有效地抑制板的共振频率和吻合频率处的隔声低谷，提高隔声量。但是现象不是很明显，这是因为就弹性模量而言，阻尼材料比金属板小几个数量级，从而吻合频率的变化甚小，当然增加阻尼层的厚度，对改善隔声低谷是有利的，这是因为结构的阻尼损耗因子增加所致。

从图4中可以看出，敷设阻尼层隔声量的测试与仿真曲线在中高频段基本一致，但是在125Hz以下的低频段，两者的差别比较明显，因为这是共振频率控制的区域，并且影响因素也比较多，进而造成测试与仿真有一定的偏差。此外，这些频段产生的声透射效应，使隔声曲线中的形成若干低谷和起伏。

3.1.2 辐射声功率

结构的辐射噪声取决于结构表面的振动以及结构转移振动能到其周围介质中去的能力。为了衡量结构的声辐射能力，降低振动结构表面所产生的声辐射，有必要获得振动结构表面的辐射声功率。

图5为仿真计算所得的辐射声功率级随频率变化的曲线，从图中可以看出，就整体而言，三条曲线的趋势基本相同，随着阻尼厚度的增加，辐射声功率级降低了。板结构的辐射声功率值与结构的固有频率和激励频率相关。在共振区内，如果结构有较强的位移响应，就会产生较强的声辐射。通过噪声辐射声功率公式也可知，由于聲功率与均方速度成正比，所以振动振幅的减小可降低结构辐射噪声。

3.2 振动性能分析

结构声学性能的优良与否取决于结构本身的动态性能，研究结构的动态响应可以更好地分析结构的声学特性。为此进行谐响应分析，定义的约束条件是板四周六个自由度全约束，激励力为1N的随机力。本文计算了板中心处一点在0—200Hz内的响应。响应曲线如图6、图7所示。

从图中可知，经过阻尼处理，板的振动幅值明显降低。结合隔声曲线可知，隔声量低谷处于板结构的模态频率附近，通过阻尼处理，结构模态基频前移，低频隔声低谷作相应移动，同时提高了隔声量。说明板件敷设阻尼层，可以有效地优化结构的声学性能。

4 结论

从上述结果可知，铝板表面敷设阻尼材料对抑制结构振动及声辐射有明显的作用；同时，敷设阻尼可以抑制高频的吻合效应与低频共振，提高隔声性能，随着阻尼层厚度的增加，隔声量会随着增大。从振动响应曲线和声功率级曲线也可知，敷设阻尼不但抑制了振动，还减弱了结构往外辐射的能力。

参考文献

[1]何慧敏，王雁冰，沈强等.压电陶瓷/聚合物基新型阻尼复合材料的研究进展[J].材料导报，2008，22（1）：4144，52.

[2]蒋鞠慧，尹冬梅，张雄军.阻尼材料的研究状况及进展[J].玻璃钢/复合材料，2010，（4）：7680.

[3]赵志高，黄其柏，何锃，丁律辉.有限元与声辐射模态的薄板声辐射灵敏度分析[J].声学技术，2008，27（3）：465467.

[4]Curnfare K A.The Radiation Modes of Baffled Finite Plates[J].Journal of the Acoustical Society of America，1995，98（3）：15701580.

[5] 黎胜，赵德有.用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析[J].声学学报，2001，26（2）：174179.