新型微穿孔鋁蜂窩板隔吸聲性能仿真與測試

張克姝 許晴 馬維蓮 潘春軍

（1中車青島四方機車車輛有限公司，山東 青島 266111；2江蘇標榜裝飾新材料股份有限公司，江蘇 江陰 214421）

0 前言

城市交通日益擁擠，推動了輕軌、地鐵在大中城市的發展。相比于公交車等出行方式，地鐵有著載客量大、高效便捷且綠色環保的優勢，但也會帶來噪聲環境污染問題。惡劣的噪聲環境會刺激人的神經系統、讓人易產生疲勞和煩躁等不良情緒[1]。因此，改善地鐵駕駛室內聲環境得到了重點關注。

在我國，地鐵運行速度在60～120km/h，地鐵運行時輪軌噪聲是最主要的噪聲源[2-3]，可以通過機車側墻等隔聲薄弱環節傳入司機室內[4-5]。本文對地鐵司機室內常用的普通鋁蜂窩板進行了重新設計，通過改善鋁蜂窩復合板的吸聲降噪效果，以改善司機室內的聲環境，降低噪聲影響。

1 新型鋁蜂窩板結構

鋁蜂窩夾層結構是一種充分利用材料強度的同時還具有重量輕、隔熱隔聲等優點的層狀復合結構，在航空航天、交通運載工具以及現代結構工程中的應用十分普遍。

馬大猷在20世紀70年代提出了穿孔板、微穿孔板理論[6-7]。薄板的微穿孔近似于空氣聲阻抗，通過與空腔內空氣的摩擦消耗聲能，是一種高聲阻、低聲質量的共振吸聲體，但吸聲的工作頻段較窄，且與空腔深度有關。通過在微穿孔板空腔中加入無紡布多孔材料來改變微穿孔板末端的輻射阻抗以及孔腔的聲阻抗，可獲得更寬頻帶的吸聲性能。基于上述理論，結合工程應用要求，設計了新型鋁蜂窩板。

普通鋁蜂窩板是由兩個薄鋁板和輕質鋁蜂窩芯材通過膠結劑粘接而成的層狀復合結構，中間鋁蜂窩芯材為正六邊形蜂窩孔，邊長8mm，材料厚度0.08mm，高度18mm，結構如圖1所示。

圖1 普通鋁蜂窩板結構

新型鋁蜂窩板由一塊微穿孔鋁板、一塊穿孔鋁板無紡布和鋁蜂窩芯材組成。試件中微穿孔鋁板厚度為1mm，孔形狀為等腰直角三角形，斜邊長為0.4mm，孔中心距2.2mm，穿孔率為0.65%，板后表面貼一層厚0.2mm、密度為40g/m2的無紡布多孔吸聲材料。試件中穿孔鋁板厚度為1mm，孔直徑2.5mm，孔中心距4.5mm，穿孔率23.8%，板后表面也貼有一層厚0.2mm的無紡布多孔吸聲材料。中間鋁蜂窩芯材與普通鋁蜂窩板相同，結構如圖2所示。微穿孔鋁板和穿孔鋁板局部放大圖如圖3(a)和(b)所示。

圖2 新型鋁蜂窩板結構示意圖

圖3 微穿孔鋁板(a)和穿孔鋁板(b)

2 仿真分析

仿真對理論和實際應用具有重要意義。可以根據仿真的結果不斷調整設計方案，通過最優結果來決定實際中的設計和應用，不僅節約時間，縮短研發周期，還能降低成本，節約人力物力。

LMS Virtual Lab軟件是全球領先的專門用于噪聲分析的CAE軟件，能夠提供最先進的振動聲學和流體聲學仿真功能。本文采用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進行隔聲量和吸聲系數仿真。

2.1 隔聲量仿真

使用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板建立結構有限元模型，設置為Structural類型；建立發聲側和接收側空氣的聲學有限元模型，設置為Acoustical類型，并對聲學網格進行前處理。定義結構 的材料和網格屬性，并對新型鋁蜂窩板的四邊進行固定約束。對聲學流體材料和屬性進行定義，并設置相當于傳聲器的場點網格進行監測。隔聲仿真模型如圖4所示，混響聲源如圖5所示。

圖4 隔聲仿真模型

圖5 混響聲源

使用Direct-Acoustic Response Analysis Case對新型鋁蜂窩板進行直接聲振耦合計算，然后使用Random Post-Processing Case將耦合響應合成隨機 計算響應，計算出新型鋁蜂窩板100Hz到5000Hz的1/3倍頻程隔聲量曲線，如圖6所示。

圖6 隔聲量曲線

從仿真計算結果可以看出，新型鋁蜂窩板低頻隔聲性能較差，在200Hz和315Hz隔聲量明顯降低，800Hz后隨頻率升高隔聲量增大。計算得出仿真結果的計權隔聲量為27.0dB。

2.2 吸聲系數仿真

使用LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進行有限元建模，并設置為Structural類型；建立阻抗管的聲學有限元模型，設置為Acoustical類型，并對聲學網格進行前處理。定義結構的材料和網格屬性。對聲學流體材料和屬性進行定義，在空氣柱的另一側定義平面聲源，設置兩個相當于傳聲器的場點網格1和2進行監測。吸聲系數仿真模型如圖7所示。

圖7 吸聲仿真模型

使用Acoustic Response Analysis Case計算聲學響應，再使用Vector to Function Conversion Case得到兩個場點處的聲壓頻率響應函數，對數據處理得到吸聲系數曲線，如圖8。

圖8 吸聲系數曲線

從仿真計算結果可以看出，新型鋁蜂窩板低頻吸聲效果較差，在800Hz吸聲系數達到最大值0.99，在400Hz到1600Hz之間吸聲系數均大于0.6。在工程中常使用降噪系數NRC作為衡量封閉空間內某材料對聲能吸收的一個全面評價的指標，NRC為材料在250Hz、500Hz、1KHz和2KHz四個頻率的吸聲系數算術平均值，計算得出的仿真結果的NRC為0.64。

3 試驗對比

為對比普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板的隔聲吸聲性能，并驗證仿真結果的可靠性，對普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板進行混響室法隔聲量測量及駐波管法吸聲系數測量。

3.1 混響室法隔聲量測量

混響室法是測量隔聲量的標準方法，依據GB/T 19889.3-2005和GB/T 50121-2005進行隔聲量測試。將要測試的試件固定放置于兩個相鄰混響室的中間，如圖9(a)和(b)所示。

圖9 發聲側(a)和接收側(b)

發聲側放置揚聲器進行發聲，發聲側和接收側使用傳聲器采集聲信號，并通過測試系統記錄，使用計算機處理可以得到隔聲量曲線，測試示意圖如圖10所示。

圖10 隔聲測試示意圖

對普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板進行隔聲測試，并與仿真結果繪制到同一幅隔聲量曲線圖中，如圖11所示。

圖11 隔聲量對比曲線

通過隔聲量曲線可知，仿真結果與實測結果變化基本一致，新型鋁蜂窩板的實測計權隔聲量為26.8dB，與仿真結果27dB近似。

3.2 駐波管法吸聲系數測量

用駐波管法測定吸聲材料的法向入射吸聲系數，適用于測量多孔材料、穿孔板、微穿孔板等吸聲特性與材料尺寸無關的材料。駐波管末端放置測試試件，另一端由信號發生器通過揚聲器向駐波管內發出不同頻率的平面聲波。聲波多次反射形成駐波，駐波管上的傳聲器測管內位置聲壓的大小，基于傳遞函數法，通過計算機數據處理分析得到吸聲系數曲線，測試儀器如圖12所示。

圖12 駐波管法測吸聲系數

對新型鋁蜂窩板和普通鋁蜂窩板進行吸聲系數測試，并與仿真結果繪制在同一幅吸聲系數曲線圖中，如圖13所示。

圖13 吸聲系數對比曲線

通過吸聲系數曲線可知，新型鋁蜂窩板的實測降噪系數0.63，普通鋁蜂窩板的降噪系數0.17。一般認為降噪系數小于0.2的材料為反射材料，由此可知，新型鋁蜂窩板降噪效果遠優于普通鋁蜂窩板。新型鋁蜂窩板仿真降噪系數為0.64，與實測結果基本一致，仿真度高。

4 結語

本文針對國內地鐵司機室受輪軌噪聲影響較大的問題，對司機室側墻常用的普通鋁蜂窩板進行改造，設計了新型鋁蜂窩板，提高其隔聲和吸聲性能。

本文基于LMS Virtual Lab對新型鋁蜂窩板進行隔聲量和吸聲系數仿真數據，通過混響室法、駐波管法分別測試了普通鋁蜂窩板和新型鋁蜂窩板的隔聲量和吸聲系數，驗證了新型鋁蜂窩板在地鐵司機室室內應用以改善聲環境的可行性，對后續設計和測試實驗具有指導意義。

新型鋁蜂窩板相較于普通鋁蜂窩板，隔聲量上相差不大，但新型鋁蜂窩板的吸聲性能明顯提高，降噪系數NRC達到0.63。當NRC達到0.5以上時，人耳能夠感受到噪音的明顯降低，可見新型鋁蜂窩板具有很好的降噪效果，適用于改善地鐵司機室內聲環境。