基于COMSOL的板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能仿真研究

戴震坤

摘要：本文基于COMSOL軟件建立了三種厚度相同的板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)仿真模型，分別是云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板，并開展了其聲學(xué)性能的仿真研究。研究表明，鋁板在低頻區(qū)域具有最好的隔聲性能，夾層板次之，但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)生能;傳聲損失;板結(jié)構(gòu);COMSOL軟件

0 ?引言

隨著人們環(huán)保意識的增強，以及國家發(fā)展綠色復(fù)合材料的需求，植物纖維復(fù)合材料的研究受到了越來越多的關(guān)注。植物纖維具有天然的空腔結(jié)構(gòu)，聲波在空腔中傳播時更容易發(fā)生能量耗散而被吸收掉，因此植物纖維具有優(yōu)良的吸聲性能[1-3]。本論文基于COMSOL軟件開展了云杉板、鋁板、以及芯層為云杉面層為鋁板的夾層板的聲學(xué)性能仿真研究。

1 ?聲學(xué)模型構(gòu)建

首先在COMSOL軟件中建立三種板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)仿真模型。以夾層板的建模為例，陳述如下：在“模型導(dǎo)向”建模模式中選擇三維空間維度并添加“聲-固相互作用，頻域”物理場接口與“頻域”研究。板的面板，芯層和研究域均采用“長方體”，夾層板的兩個面板均采用鋁面板，選擇“Aluminum3003 [solid，-F]”，芯層材料選擇“Pine[solid， tangential]”，聲壓級參考壓力設(shè)置為環(huán)境空氣的參考壓力。選擇自由四面體網(wǎng)格用于劃分網(wǎng)格單元，將最大單元尺寸設(shè)置為343[m/s]/1500[Hz]/5=0.045mm，至此即可完成夾層板的聲學(xué)仿真模型構(gòu)建。

2 ?聲學(xué)性能仿真研究

模型建完后，設(shè)置相應(yīng)的分析頻率范圍，此處為50-1500Hz，計算頻率間隔為25Hz，然后點擊“計算”進行運算，在“模型開發(fā)器”的“結(jié)果”展開列里可以看到結(jié)果列表。單擊“結(jié)果”節(jié)點下的聲壓、聲壓級、聲壓等值面、傳聲損失以及1/3倍頻帶圖等按鈕便可查看相應(yīng)的分析結(jié)果。圖1-圖4所示為芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的聲學(xué)仿真結(jié)果圖。

由圖4和圖5可以看出，夾層板在整個分析頻帶上都具有比較高的傳聲損失值。為進一步考察同等厚度的純鋁板與純云杉板的隔聲性能，將芯層與面板材料進行替換，分別測得云杉板與鋁板的聲學(xué)性能，將仿真結(jié)果導(dǎo)入表格，并在matlab中編程讀取仿真數(shù)據(jù)繪圖，可得到三種板結(jié)構(gòu)的傳聲損失對比圖，如圖6所示。

從傳聲損失比對圖可知，鋁板在低頻區(qū)域具有最好的隔聲性能，夾層板次之，但夾層板在整個研究頻帶的隔聲性能都比較穩(wěn)定。在傳聲損失曲線上，某些頻率傳聲損失會突然下降，這些頻率與板的固有模態(tài)頻率相接近，引起了板的共振，從而使傳聲損失下降。

在低頻區(qū)域，芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板的傳聲損失與同厚度的鋁板相當，但在高頻區(qū)域，夾層板的傳聲損失量卻明顯高于鋁板，這意味著用云杉作芯層的夾層板的高頻隔聲性能優(yōu)于同厚度的鋁板。這是由于當入射聲波接觸植物多孔材料時，材料表面及材料內(nèi)部孔洞中的空氣分子將被迫發(fā)生振動，從而消耗掉入射聲能。在這個過程中，聲波所攜帶的能量，將在材料內(nèi)部孔隙壁、通道與空氣之間的熱交換以及粘性阻力作用下，被逐漸轉(zhuǎn)化為熱能。此外，對于纖維狀多孔材料面而言，纖維之間的摩擦，以及單根纖維的振動也將消耗掉部分聲能。

3 ?結(jié)語

本文基于COMSOL軟件研究了三種厚度相同的板結(jié)構(gòu)的隔聲性能。研究表明，芯層為云杉、面層為鋁板的夾層板在整個隔聲頻帶上都具有較好的隔聲性能，其在高頻段的隔聲性能明顯優(yōu)于同厚度的鋁板。

參考文獻：

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