微納米多孔梯度材料噪聲控制效果仿真及試驗(yàn)

楊坤，張航，張瑋

(1.海軍研究院，北京 100161；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

船舶艙室噪聲產(chǎn)生和傳播方式，主要分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲2類。通過傳統(tǒng)減隔振措施等對(duì)船舶艙室結(jié)構(gòu)噪聲的有效控制代價(jià)較高，且隨著技術(shù)進(jìn)步和降噪要求不斷提高，空氣噪聲治理逐漸成為熱點(diǎn)，如何創(chuàng)新開發(fā)舾裝聲學(xué)材料，從空氣噪聲傳播途徑上控制艙室噪聲水平，是研究船舶艙室噪聲控制的最有效途徑。微納米多孔材料作為一種具備大剛度、低密度等優(yōu)異性能的新型復(fù)合材料，在減振降噪等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

學(xué)者們?cè)谘芯啃虏牧吓撌以肼暱刂品矫孀隽讼嚓P(guān)研究，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能特性仿真及試驗(yàn)研究成果豐富，但目前未見針對(duì)微納米多孔梯度材料聲學(xué)性能研究的相關(guān)報(bào)道。為探究聲學(xué)材料的聲學(xué)性能，表征聲學(xué)材料吸隔聲參數(shù)，從船舶艙室空氣噪聲控制角度出發(fā)，開展微納米多孔梯度材料聲學(xué)性能仿真及試驗(yàn)，以獲得材料性能參數(shù)、適合的仿真預(yù)報(bào)方法等。

1 模擬艙室敷設(shè)微納米多孔梯度聲學(xué)材料仿真

1.1 統(tǒng)計(jì)能量分析法

統(tǒng)計(jì)能量分析法是研究和預(yù)報(bào)船舶艙室空氣噪聲的常用方法。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法研究整個(gè)系統(tǒng)之中各部分子系統(tǒng)之間的能量的傳遞和平衡，振動(dòng)能量作為動(dòng)力學(xué)分析的基本量，通過對(duì)統(tǒng)計(jì)能量分析模型中相應(yīng)子系統(tǒng)考慮舾裝材料吸隔聲特性，以分析該材料對(duì)艙室空氣噪聲的綜合控制效果。采用成熟的VA-One全頻段聲學(xué)評(píng)估軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量分析法建模求解。

1.2 聲學(xué)材料參數(shù)

微納米多孔梯度材料可針對(duì)工作頻段，對(duì)多孔材料內(nèi)孔徑、孔隙深度、孔隙率等參數(shù)進(jìn)行定向設(shè)計(jì)，采用的微納米多孔梯度材料孔徑梯度逐層變化，由大孔-氣凝膠-中孔-氣凝膠-微孔5層梯度構(gòu)成。材料總厚度為50 mm，其中氣凝膠厚度約10 mm(樣板壓緊后)，密度1.1 g/cm；大孔鋁厚度10 mm，孔徑3～5 mm，密度1.08 g/cm，孔隙率60%；中孔鋁厚度10 mm，孔徑400 μm，密度1.215 g/cm，孔隙率55%；微孔鋁厚度10 mm，孔徑400 nm，密度為1.35 g/cm，孔隙率50%。微納米多孔材料標(biāo)準(zhǔn)件和板材大樣見圖1、2。

圖1 微納米多孔材料標(biāo)準(zhǔn)樣件

圖2 微納米多孔材料模擬艙室敷設(shè)樣板

采用駐波管法對(duì)材料標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行吸聲測(cè)試，得到微納米多孔材料吸聲系數(shù)變化見圖3。

圖3 微納米多孔材料吸聲系數(shù)變化

2 艙室敷設(shè)聲學(xué)材料統(tǒng)計(jì)能量建模

2.1 統(tǒng)計(jì)能量模型

根據(jù)某船舶實(shí)際艙室簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)一型長(zhǎng)方體模擬試驗(yàn)艙室，基于VA-One全頻段聲學(xué)評(píng)估軟件建立典型艙室SEA模型，考慮模擬艙室建立的外部輔助聲腔和板子系統(tǒng)，模型子系統(tǒng)總計(jì)65個(gè)。統(tǒng)計(jì)能量模見圖4、5。

圖4 板殼子系統(tǒng)離散視圖

圖5 子系統(tǒng)連接示意

2.2 損耗因子

由于艙室艙壁處設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，且各板架結(jié)構(gòu)具有阻尼屬性，對(duì)SEA模型的板子系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)結(jié)構(gòu)損耗因子，根據(jù)板架損耗因子試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式，得到結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子

2.3 聲學(xué)材料敷設(shè)方案

以超細(xì)玻璃棉作為對(duì)照，評(píng)估兩種聲學(xué)材料的噪聲控制效果，對(duì)模擬艙室SEA模型設(shè)置以下敷設(shè)方案，見表1。

表1 模擬艙室聲學(xué)材料敷設(shè)方案

2.4 模擬艙室空氣噪聲控制效果分析

根據(jù)聲學(xué)材料敷設(shè)方案對(duì)模擬艙室進(jìn)行相應(yīng)聲學(xué)處理，在距艙壁外3 m處加載船舶典型風(fēng)機(jī)設(shè)備聲功率激勵(lì)載荷，載荷見圖7。

圖7 典型風(fēng)機(jī)聲功率載荷

選取模擬艙室內(nèi)1.5 m高度處聲腔作為考核聲腔，計(jì)算模擬艙室不同聲學(xué)材料敷設(shè)工況下的艙室空氣噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果，見圖8、9。

圖8 各工況噪聲值變化

圖9 各工況噪聲值與無敷設(shè)對(duì)比

計(jì)算結(jié)果顯示，在船舶典型風(fēng)機(jī)激勵(lì)下艙室敷設(shè)微納米多孔梯度材料較敷設(shè)傳統(tǒng)超細(xì)玻璃棉噪聲控制效果更好，尤其在20～1 000 Hz中低頻段內(nèi)，兩種聲學(xué)材料在艙壁四周敷設(shè)工況下隔聲量總級(jí)較無敷設(shè)分別降低16.0、19.1 dB(A)。同時(shí)，四周敷設(shè)聲學(xué)材料與五面敷設(shè)噪聲效果相差不大。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

選取某船工作艙室，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)兩個(gè)相同長(zhǎng)方形模擬艙室以敷設(shè)兩種聲學(xué)材料，開展艙室空氣噪聲控制效果對(duì)比試驗(yàn)。為了突出表征聲學(xué)材料的聲學(xué)性能參數(shù)，驗(yàn)證方法的可行性，根據(jù)實(shí)際艙室設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬艙室尺寸見表2。

表2 模擬艙室尺寸

根據(jù)仿真研究結(jié)果，考慮四周敷設(shè)聲學(xué)材料與五面敷設(shè)材料聲學(xué)控制效果接近，模擬模型僅對(duì)艙壁四周敷設(shè)聲學(xué)材料，為盡可能接近艙室實(shí)際舾裝，材料表面包裹鋁箔，模擬艙室試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D10。

圖10 模擬艙室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

以無指向性聲源發(fā)出噪聲激勵(lì)，利用布置在艙室內(nèi)外的傳聲器測(cè)量模擬艙室內(nèi)的噪聲水平，測(cè)試聲壓考核點(diǎn)及聲源激勵(lì)位置見圖11。其中無指向性聲源發(fā)出船舶典型風(fēng)機(jī)噪聲為激勵(lì)，模擬艙室內(nèi)沿艙室長(zhǎng)度布置依次4個(gè)傳聲器，獲得艙室內(nèi)平均聲壓值，最終計(jì)算艙室內(nèi)外隔聲量。

圖11 模擬艙室試驗(yàn)測(cè)試示意(尺寸單位：m)

試驗(yàn)具體工況見表3。

表3 模擬艙室內(nèi)外平均聲壓級(jí)試驗(yàn)工況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 混響時(shí)間測(cè)試

微納米多孔梯度材料為多孔材料，吸聲影響不可忽視。測(cè)得模擬艙室混響時(shí)間測(cè)量以修正后續(xù)隔聲試驗(yàn)結(jié)果，得到模擬艙室內(nèi)測(cè)試得到的聲壓級(jí)?；祉憰r(shí)間測(cè)量采用聲源截?cái)喾ǎ瑴y(cè)試結(jié)果見圖12。

圖12 敷設(shè)微納米多孔梯度材料前后模擬艙室混響時(shí)間對(duì)比

由圖12可知,80 Hz～20 kHz頻段范圍內(nèi)，除微納米多孔梯度材料外，無敷設(shè)和敷設(shè)超細(xì)玻璃棉模擬艙室混響時(shí)間呈現(xiàn)低頻大、高頻小的特點(diǎn)，敷設(shè)微納米多孔梯度材料模擬艙室全頻段混響時(shí)間基本無變化。

3.3.2 隔聲性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

模擬艙室無敷設(shè)、敷設(shè)超細(xì)玻璃棉、敷設(shè)微納米多孔梯度材料等工況，經(jīng)背景噪聲和混響時(shí)間修正后的艙室內(nèi)外隔聲量結(jié)果見圖13。

圖13 不同敷設(shè)材料艙室內(nèi)外隔聲量對(duì)比

由圖13可知,全頻段，微納米多孔梯度材料均與超細(xì)玻璃棉相比有更好的隔聲效果，計(jì)算20 Hz～8 kHz全頻段隔聲量曲線總級(jí)，無敷設(shè)、敷設(shè)超細(xì)玻璃棉、微納米多孔梯度材料隔聲量分別為14.6、34.5、37.6 dB(A)，相比于傳統(tǒng)舾裝材料，微納米多孔梯度材料全頻段內(nèi)隔聲量能提高3.1 dB(A)。

為分析微納米多孔梯度材料重點(diǎn)作用頻段，計(jì)算低頻(≤200 Hz)、中頻(200 Hz～1 kHz)和高頻(≥1 kHz)各頻段隔聲量曲線總級(jí)試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

表4 不同敷設(shè)材料不同頻段隔聲量曲線總級(jí)

由表4可知，相較于超細(xì)玻璃棉，敷設(shè)微納米多孔梯度材料在低頻、中頻效果更優(yōu)，頻段內(nèi)隔聲量曲線總級(jí)分別提高7.4、1.7 dB(A)；在高頻段，

微納米多孔梯度材料噪聲控制效果相對(duì)較弱，主要是因?yàn)椴Ａ迌?nèi)部存在更多細(xì)小孔隙與孔洞，使其在高頻段表現(xiàn)出更強(qiáng)的聲學(xué)性能。船舶機(jī)械噪聲主要存在低頻段，由于微納米多孔梯度材料的孔隙率、梯度等參數(shù)的可設(shè)計(jì)性，可開發(fā)適合不同艙室構(gòu)型、不同噪聲源、不同頻段控制需求的微納米多孔梯度聲學(xué)材料，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)針對(duì)性控制。

此外，敷設(shè)微納米多孔梯度材料和敷設(shè)超細(xì)玻璃棉20 Hz～1 kHz頻段隔聲量曲線總級(jí)較無敷設(shè)降低18.8、20.7 dB(A)，與仿真結(jié)果16.0、19.1 dB(A)接近，誤差在3 dB(A)以內(nèi)，誤差原因主要在于仿真模型對(duì)艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化、板材制造厚度存在偏差，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了油漆涂覆，結(jié)構(gòu)加筋以及等制備工藝，導(dǎo)致性能參數(shù)偏差。

4 結(jié)論

1)采用VA-One全頻段聲學(xué)評(píng)估軟件預(yù)報(bào)敷設(shè)超細(xì)玻璃棉隔聲控制效果，預(yù)報(bào)誤差可控制在3 dB(A)以內(nèi)，滿足工程精度要求。

2)相比敷設(shè)超細(xì)玻璃棉，0～8 kHz頻段內(nèi)，微納米多孔梯度材料可提高隔聲效果約3 dB(A)；低頻(≤200 Hz)聲學(xué)效果更好，頻段內(nèi)隔聲量曲線總級(jí)高7.4 dB(A)，又由于材料具有可設(shè)計(jì)性更好、剛度較好的特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。