局域声子理论的铝合金型材低频降噪研究

孙召进　王培培

摘 要：低频噪声的降噪处理是当前工程领域建设的一个重难点问题，在高速列车行驶过程中产生的低频噪声会对人体造成危害，因此，为了能够获得有效的低频降噪方法，本文在阐述局域声子理论内容的基础上提出基于局域声子理论的铝合金型材低频降噪实施方案，旨在借助声子晶体结构的低频准禁带特点来降低低频范围内的弹性波。

关键词：局域声子理论;铝合金;低频降噪;措施

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.10.081

1 离心通风机低频降噪试验分析

为了能够更好的解决气动噪声问题某大学开展了离心通风机降噪试验，在试压中所选择的实验风机型号为DW13-42No4.5，属于前向式多叶片离心通风机，按照《风机和罗茨鼓风机噪声测量方式》的基本规定来处理原始噪声，取风机进风口轴线上距离蜗壳侧板1m位置作为测试点，在这个测试位置上能够得到风机的总体声压级，通过声级获取声音信号和借助智能信号来收集整理仪器设备的各个数据信息。在降噪之前发现测试总声压级为77.2db，且在总体测试中低频和中频占据主要地位。

按照以往的工程建设经验在通风机叶轮进风口的位置上安装丝网结构，并将丝网结构固定在风叶机上，使其随着风机的转动发生转动。丝网安装和测量原理如图1所示，丝网降噪效果对比分析如图2所示。根据图2发现，低频和中频的噪声得到了改善，考虑到丝网结构会随着风机叶轮的高度旋转变化出现噪声，形成新的噪声源。为了能够获得十分理想的降噪效果，降低风机的全压损失，在试验中对丝网的直径大小和材质进行了调整。

2 声子晶体低频准禁带及其分析

声子晶体降噪一般是利用布拉格散射和局域共振的发展机理来对各个表现进行分析，对于低频降噪，布拉格散热需要较大的声子晶体结构。局域共振机理则是要求声子晶体结构含有散热体、基体和包覆层， 结构比较复杂，这一点和丝网结构要求不同。同时，在处理的时候，局域共振激励对于降低400Hz以下的低频噪声会出现比较大的困难，为了能够更好的解决死网低频降噪的问题，需要加强对声子晶体能带图的分析。声子晶体能带结构充分反映出声子晶体的各个性能指标，波矢k是横坐标，频率是纵坐标，在确定好横纵坐标之后设计出二者之间的关系曲线。声子晶体结构在带隙范围内的弹性波具备比较高的反射率和较低的吸收率，因此任何形式的弹性波一般都无法在声子晶体完全带隙中传播，基于这个特点可以设计声子晶体结构，并将噪声频带始终控制在带隙的范围内，由此达到组织频带噪声的目的。

通过使用COMSOL软件模拟来获得丝网声子晶体的能待土，在声子晶体结构周期超过7的时候就可以实现对这个结构的无限期处理。考虑到丝网单位尺寸大小和低频波长小，由此可以将丝网结构看作处于一个平面范围内，由此在处理这个结构的时候不仅能够降低问题的难度，而且还能够将误差控制在合理的范围内。

3 铝合金型材外地板三角筋板研究

高速列车的地板包含外地板、间夹层、内地板，将局域范围内声子板敷设在外地板的上方是当前高速列车地板设定中应用最为广泛的三角筋板结构。按照最优化结构设计的基本参数规定，利用商业软件打造高速列车铝合金材料地板三角筋板模型。模型的长度为2240mm，宽度为1800mm，厚度为40mm，上筋厚度为3mm，下筋厚度为2.5mm，强化筋的厚度为1.8mm。按照钢筋模板的基本结构特点，将结构形式基本设定为壳单元薄板的基本形式，并对铝型材料钢筋板的结构进行模拟分析，按照实际安装过程中筋板周围的边界约束情况来设置边界固定约束，对地板结构的前六个阶固定频率开展仿真分析。

参考当前声学超材料在声学领域研究结果以及计算局域共振板声透射特性——等效介质法，将局域声子板等效动态质量密度的各个同性质均质结构整合得到局域声子板中吸振器和基体板的质量比。按照参数调整公式阻尼动力吸振器设计原理来确定最为理想的调谐频率比，吸振器等效弹簧刚度和橡胶的黏性阻尼系数。局域声子板中吸振器和基体板的质量比=阻尼动力吸振器等效质量/铝型材三角筋板质量。最为理想的调谐频率比=吸振器的设计频率/铝型材三角筋板的固有频率=1/*（1+吸振器和基体板的质量比）。

4 铝型材筋板结构隔声量计算和优化

4.1 结构模型声学仿真的精准性验证

借助多物理场商业仿真软件来对模型开展仿真计算分析，确定验证仿真的精准性，并将薄板的仿真结果和《噪声与振动控制工程手册》中开展的试验数据信息进行综合比对分析，选择对象的长宽高分别为1000mm、1000mm和1mm。仿真误差出现的原因是实际测量数值和仿真边界条件数值设定不一致。而出现这一问题的原因是有限元網络划分精准度、材料参数、板内部阻尼损耗因子设置对最终结果的影响。

4.2 铝型材模型结构隔声量的计算和优化

对铝型材地板三角筋板开展声透射隔声分析，首先，应用专业的商业软件来打造出一个系统化的几何参数模型，在模型打造之后设置材料的基本参数、荷载，定义边界的约束条件和剖析网络。考虑到在空气中中频和低频波的传播是平面波的传播，因而采用1Pa的声压值设置平面波入射场声压，并对钢筋的周围进行固定约束处理。在平面声波设置的时候会发现在有限元界面会打造出一个固定的结构边界，在这个边界范围内模拟声固耦合物理关系。在模型中会对声场领域的入射面和投射面产生平面波辐射，在出现辐射之后需要对入射面和投射面的能量进行积分。根据实验分析可以发现从100Hz到120Hz之间是比较理想的刚度控制区，在这个区域范围内的刚度越大，隔声量就会不断的提升，在这个范围内随着频率的增加整个筋板会出现一系列的振动，在振动到达一定临界频率的时候隔声量也会降低到最低的状态，这些信息也会全部透射出去，在透射出去之后会进入到阻尼控制区域。在外部激励频率和筋板的固有频率接近的时候筋板会产生共振的现象。

4.3 阻尼层对铝合金材料三角筋板隔声的影响

按照上文对阻尼吸振器设计原理的分析以及高速列车轻型化的设计理念总结得到在质量比u的设置越大的时候，总体数值对板的抑制效果就越好，同时对声能的损耗也就越理想，但是这样的设计思想和轻量化的设计理念不符合。为此，结合实际将质量比u的最初数值设定为0.1。按照公式计算要求在上筋板面上敷设一个5mm的橡胶层，剩余的质量还需要设置其他质量块。在设定的时候阻尼层橡胶刚度等效是吸振器的等效弹簧刚度，加上橡胶本身也具备阻尼，因此在设计的时候要完全参照阻尼吸振器的基本设计原理。

4.4 阻尼上层添加整块铅片

按照阻尼动力吸振器的基本设计原理，在橡胶层上面添加0.2mm的全部覆盖橡胶的铅片，在y轴方向上打造出筋板质量、含有阻尼的弹簧、整块铅片质量结果，在入射的声波频率等于局域声子板固有频率的时候，整个局域共振模态就会被激发，在y轴方向上会产生一个F作用力，在添加整块铅片之后会对橡胶层产生一个反向作用力，振动也会在一定程度上被限制。从实际状态上来看，弯曲波横波在XZ平面上会继续传播，为此在这个图中结构的隔声量我们就可以获得在二阶模态周围的隔声量和隔声低谷。在对周围频率范围内铅片质量分析之后发现铅片的质量会提升2db左右，由此正经通过添加质量块能够得到一个改进频率，实现模态固有频率的改变。按照模态分析结果将动力吸振器上的质量块附加在各个阶模态的波峰位置上，从而能够抑制好各个阶模态上三角筋板的振动变化，减少筋板的振动幅度，从而提升隔声量。从铝合金型材的六阶固有频率振动图形能够直观的看到对应振动波峰。铝合金型材敷设局域声子板模型如图3所示，根据图3发现在模态固有频率位置上能量一般都会集中在XZ平面铅片之间的橡胶位置上，在弹性波频率接近共振单元固有频率的时候，XZ平面的铅片上会产生一个反作用力F，这样的弹性波能量会通过局域性共振能量消失在橡胶层的内部，在将其和结构隔声曲线对比分析发现整块铅片和分布铅片在低频端的隔声效果得到了提升，特别是在122Hz周围的隔声更是得到了30db的大小，在360Hz的周围也提升了10db，同时在250Hz的周围还会出现一个改进的频率，这个频率和122Hz的频率相比隔声量提升了5db。通过传递过程中的质量、弹簧、质量局域共振结构消耗了声能，提升了隔声量，使得试验操作充分满足了能量守恒定律。

4.5 铝型材筋板结构隔声量的结果分析

试验操作中所选择的了铝合金筋板模型长宽分别为1500mm到1200mm，上板、加强筋、下板的厚度分别是2.5mm、1.8mm、3mm，铝合金三角板的频率范围在100Hz到500Hz的三分之一频段之间。应用COMSOL仿真分析软件来对模型数据信息进行仿真模拟分析，最终得到隔声量的试验值和仿真数值结果。根据对试验结果数据信息的对比分析发现软件仿真在边界条件上的设置趋于理想化，在这样理想化设置的影响下低阶模态频率会出现比较大的差异，且在低频段的时候还会出现比较严重的试验漏声。

5 结束语

综上所述，通过分析多系统结构振动理论和根据当前高速列车外地板模型结構的基本特点对其结构开展模态分析，在振幅最大的区域范围内添加局域声子板，在添加局域声子板之后能够很好的控制板的振动。通过应用专业的仿真软件来对试验结果进行验证分析，并将试验操作的数据信息误差控制在合理的范围内，最终会得到能够指导工程实践的结论。

参考文献

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