開孔壁板結構隔聲特性分析

金 鑫 沈安瀾 侯志強

（1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333000； 2.大連理工大學，遼寧 大連 116000）

0 引言

直升機艙內噪聲環境惡劣，嚴重影響乘坐的安全性和舒適度。從噪聲傳遞路徑來看，直升機內部噪聲主要來自機艙周圍的艙壁、地板、艙門、窗戶等薄板結構，并在外部聲載荷和振動激勵下形成艙內復雜噪聲環境。然而，由于連接、布線、通風、安裝、加工誤差等因素，機艙結構并不是完全封閉的，一般含有孔、洞、縫隙等結構，會引發機外空氣聲衍射，造成艙內基礎噪聲水平偏高，該現象可被稱之為機艙的聲泄露問題。

為了控制艙內噪聲水平，國內、外直升機廠商通常采用鋪設內飾的方法，通過隔聲、吸聲等降噪手段，抑制壁板噪聲向艙內傳遞，同時配合氣密艙布置，解決機艙聲泄露問題。然而在很多工況下，直升機無法實現氣密設計，很多不可避免的開孔要求造成的聲泄露問題較為嚴重。因此，為了盡可能控制艙內基礎噪聲水平，該文以某型直升機上一塊典型金屬薄板為研究對象，通過仿真方法，研究不同開孔工況下的壁板隔聲特性，進而指導機艙壁板等薄板結構的開孔加工設計，同時為艙內噪聲預測中的聲泄露問題提供可行的預測方法。

1 開孔壁板結構隔聲特性分析

1.1 隔聲評價函數

為了計算開孔壁板結構的隔聲特性，可以將一個包括多種結構“元素”的板分成很多面積的小塊，設面積為（S，S，...，S），如圖1所示，按照“元素”分成的子塊定義為Patch。根據Patch加權聲傳遞率方法，一塊包括多種子結構的板的總聲傳遞率τ等于各個子結構聲傳遞率τ的面積加權。

圖1 包括多種結構“元素”的板結構

因此，含有N個子結構的板結構總聲傳遞率τ的定義如式（1）所示。

根據式（8）可知，獲得w就能在已知開孔率、聲源和合理的假設條件下得到開孔壁板結構的隔聲特性。

1.2 隔聲仿真建模

板狀結構隔聲量的試驗測試原理圖如圖2所示。在兩個房間之間的墻壁上固定測試件，一個房間為多個聲源按照一定規律排列組成的混響室，另一房間為吸聲尖劈組成的消聲室，由此測量獲得試件的入射聲功率及其輻射到消聲室的透射聲功率，從而得出試件的隔聲曲線。

圖2 混響室與消聲室試驗測試原理圖

根據以上試驗原理和結構特點，在Virtual.Lab Acoustics聲學模塊中選擇耦合聲學間接邊界元方法對開孔壁板隔聲量進行仿真計算。

仿真對象為某型直升機機艙頂部1塊典型鋁板，其尺寸為1000mm×1000mm×1.2mm，材料為2A12鋁，其彈性模量、密度和泊松比分別為75GPa、2.7g/cm和0.3 。由于傳動、飛控及航電等需求，需要開設大量孔、洞，在此基礎上，基于有限元和邊界元耦合分析方法建立鋁板的隔聲仿真分析模型，如圖3所示。

根據理論公式計算出的該尺寸鋁板結構的聲學臨界吻合頻率超過4000Hz，因此采用網格尺寸為20mm 的2D單元對板進行劃分網格，以保證聲學網格可以精確計算到2800Hz。在此基礎上，定義12個分布聲源組成半球空間，模擬混響聲源效應；定義障板Baffle模擬混響室和消聲室之間的隔斷，以排除鋁板邊界在計算分析時對聲的反射影響；同時建立半球空間場點網格，以其聲學響應點。此外，提取網格表面skin作為邊界元網格與結構網格的耦合面。

圖3 鋁板隔聲量計算仿真模型

2 開孔壁板結構隔聲特性分析

2.1 開孔率影響

首先，計算四周簡支條件下壁板結構的模態，之后在0Hz～3000Hz范圍內計算其聲振耦合響應，得到該頻域范圍內通過場點網格的聲功率數值。根據式（9）計算不考慮孔結構的聲傳遞率τ，其中W為入射到待分析件結構網格上的聲功率，W為穿過結構網格的聲功率，也就是經過場點網格的聲功率，然后根據式（10）計算隔聲量TL。

基于隔聲質量定律和仿真分析方法，分別計算不開孔鋁板隔聲量，其結果如圖4所示。

圖4 不開孔鋁板的隔聲量TL曲線

圖5 中心開孔示意

從圖4中可以明顯看出：1）在1 Hz～3000 Hz時，邊界元仿真結果顯示四周簡支鋁板存在明顯的剛度控制區，但質量控制區和阻尼控制區分界不明顯。2）在頻率864Hz和1241Hz附近，結構隔聲量出現明顯低谷，這是因為仿真計算步長設置在該分析點更接近結構共振頻率。3）在低頻（0Hz～100Hz）區域內，仿真方法和基于質量定律的理論計算結果偏差較大，高頻區仿真計算結果與理論計算結果較為接近，驗證了不開孔板結構隔聲量仿真計算方法的可行性。其中，在頻率為1000Hz～1200Hz時，理論和仿真計算的不開孔結構的隔聲量為26dB～30dB。

針對上述鋁板，在中心處開圓孔，如圖5所示。

根據式（8），分別計算0.2%、0.5%、1%、3%和5%不同開孔率下的鋁板的隔聲量，結果如圖6所示。

根據圖6可知，開孔鋁板的孔隙尺寸雖然只占整個鋁板面積的0.2%～5%，但是總的聲傳遞損失在整個頻帶上下降了5dB～20 dB。隔聲結構上的孔隙結構會顯著降低其隔聲效果，開孔率越大，隔聲板結構的隔聲效果越差。開孔率為5%時，鋁板在全頻段的隔聲量不超過13dB，開孔率為3%時不超過15dB，開孔率為1%時不超過20dB，開孔率為0.5%時不超過23dB，開孔率為0.2%時不超過27dB，因此在進行開孔設計時，應確認原壁板結構的隔聲要求，適當確定開孔率，對不可避免的開孔應當通過改變孔數等方法重新設計。

2.2 開孔數量影響

該文在3%的開孔率下，仿真分析不同開孔數量對鋁板隔聲的影響。該文選取單孔、雙孔和四孔板開展計算分析。隔聲量計算結果如圖7所示。

通過數據分析可以看出，假設壁板結構開孔處的聲傳遞率為1，即不考慮孔隙結構的聲邊緣反射和散射等效應，在全頻段范圍內不同開孔數量鋁板的隔聲效果幾乎相同。在高頻區，由于開孔對結構模態會產生影響，所以不同開孔形狀的隔聲量低谷對應的頻率不同。

為進一步對開孔設計方法給出指導，以下該文將使用虛擬傳遞率方法，定性分析開孔數量對鋁板隔聲特性的影響規律。

假設開孔壁板結構在開孔率為α下的聲傳遞率τ（α）滿足下式：

其中A、B和C分別為二次項系數、一次項系數和常數項。

定義 τ（0）=0，τ（3%）=1，τ（0.5%）=0.25 ，計算結果如式（12）所示。

此時計算3%開孔率下孔洞數量對開孔壁板結構隔聲量的影響，并繪制隔聲量TL曲線，如圖8所示。

根據圖8中可知，在全頻段范圍（0Hz～3000Hz）內，開孔面積占比不變時，開孔數量越多隔聲效果越好，但開雙孔隔聲量不超過17dB，開四孔隔聲量不超過20dB，隔聲效果仍有限。因此，在進行開孔設計時應當將開孔面積占比作為首要的設計參數，再通過試驗手段確定具體的孔洞形狀、數量和位置等具體信息。

2.3 密封影響

針對開孔率為0.5%的壁板結構，按照圖9所示方法建立孔板密封模型，在開孔處使用密封材料進行密封，改變密封材料參數（楊氏模量和密度），計算該結構的隔聲量。

將密封材料密度改為1000kg/m和1500 kg/m，保持楊氏模量數值不變，再計算該結構隔聲量，并與不開孔和不密封形式隔聲效果進行對比，計算結果如圖10所示。

進一步改變密封材料的楊氏模量，使其為鋁材的0.01倍和0.1倍，材料密度不變，計算該結構隔聲量，并與不開孔和不密封形式的隔聲效果進行對比，計算結果圖11所示。

圖6 不同開孔率下的鋁板的隔聲量

圖9 孔板密封示意

圖7 不同開孔數量鋁板的隔聲量

圖8 考慮聲傳遞率的不同開孔數量鋁板的隔聲量

通過圖10和圖11的數據分析發現，在低頻區域（＜400Hz），密封材料的楊氏模量和密度對開孔壁板結構隔聲量的影響均較小，使用密封與不開孔、不密封的隔聲效果基本相同。但當分析頻率超過400Hz時，密封材料的使用會在很大程度上提高結構的隔聲量，若密封理想，可達到未開孔板的隔聲效果。另外，與楊氏模量屬性相比，密封材料的密度屬性對該結構的隔聲效果所起的作用更大。

另假設中心開孔處使用指定聲傳遞率的密封材料，針對400Hz、1200Hz、2500Hz分別計算密封結構等效聲傳遞率對隔聲量的影響如圖12所示。

根據圖12可知，開孔處（密封處）的聲傳遞率對高頻區的隔聲效果影響要高于低頻區，且頻率越高，影響越大。因此，從隔聲角度對開孔壁板結構進行密封設計時，首先應考慮使用材料的密度參數。例如對上述鋁板結構，使用0.1倍板材料楊氏模量、密度1000kg/m的密封材料就能夠有效提高整個結構在中高頻區的隔聲效果。

3 結論

根據開孔壁板結構隔聲特性仿真分析結果，該文可得出以下結論：1）若壁板采用多孔或有縫隙的材料，即使其面密度很大，隔聲量也會大大降低。2）同樣的結構形式，開孔率越高，隔聲效果越差。例如該文中鋁板結構的開孔率超過1%時，隔聲量不會超過20dB，在某些頻率處甚至低于10dB。因此，聲泄露的存在大大降低了機艙隔聲區域的降噪效果，必須加以預防。3）在相同的小開孔率下，孔隙的形狀、數量和位置等對板結構的隔聲影響較小。4）在不可避免開孔的位置，應合理選用密封材料進行密封，可顯著提高整個結構的隔聲效果。

基于以上結論提出以下聲泄露預防手段，以期為壁板結構的開孔設計提供參考，該方法也是最直接的方法，即利用構造法對壁板結構進行重新設計，減少或避免壁板結構間的拼接、開孔，從而消除潛在泄露。對不可避免的開孔或接縫設計，可通過優化盡量減小接縫寬度和長度、孔洞數量和大小。進行開孔設計時，為保證原結構的隔聲效果，開孔面積占比不應超過0.5%。對于面積占比超過0.5%的開孔，可通過增加開孔孔數的方法提高結構隔聲效果。還可在縫隙或邊框中增加采用了柔軟彈性材料（如橡膠制品、可壓縮乳膠條、工業毛氈條、泡沫塑料等）的密封條、黏結劑等進行密封。

圖10 不同密封材料密度對開孔壁板結構隔聲量的影響

圖11 不同密封材料楊氏模量對結構隔聲量的影響

圖12 密封結構等效聲傳遞率對隔聲量的影響