聲屏障吸聲降噪系數(shù)數(shù)值仿真設(shè)計(jì)

利用AutoCAD軟件繪出聲屏結(jié)構(gòu)圖，具體采用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對(duì)其吸聲降噪系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其中泡沫鋁材料采用多孔介質(zhì)聲學(xué)模型中的Johnson-Champoux-Allard模型，研究了聲屏障結(jié)構(gòu)中開(kāi)孔泡沫鋁穿孔率、孔隙率和厚度對(duì)其吸聲性能的影響。結(jié)果表明：對(duì)泡沫鋁進(jìn)行穿孔，聲屏障吸聲性能變好，隨著穿孔率的增加，其吸聲降噪性能提升不明顯；泡沫鋁孔隙率的改變，屏體吸聲降噪效果變化不明顯，其吸聲峰值頻率，隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但對(duì)于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)；在泡沫鋁與空腔總厚度一定的情況下，聲屏吸聲峰值隨著泡沫鋁厚度的增加（亦即空腔厚度減小）有所降低，峰值對(duì)應(yīng)頻率卻相應(yīng)增加。但隨著泡沫鋁厚度的增加，聲屏障結(jié)構(gòu)吸聲帶寬會(huì)增大，其中對(duì)700 Hz以下低頻與1 800 Hz以上高頻吸聲性能更佳。可為泡沫鋁作為吸聲材料的聲屏障設(shè)計(jì)及制作提供有益參考。

聲屏障； 泡沫鋁； 吸聲系數(shù)； 降噪系數(shù)； 數(shù)值計(jì)算

TU112.4+2A

［定稿日期］2023-04-12

［基金項(xiàng)目］產(chǎn)學(xué)研合作研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：HYB20220108）、安徽高校學(xué)科拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：gxbjZD2021066）、安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2020A0484）

［作者簡(jiǎn)介］袁敘兵（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路工程建設(shè)技術(shù)質(zhì)量安全管理工作。

［通信作者］張學(xué)勇（1974—），男，博士，教授，從事噪聲與振動(dòng)控制工作。

對(duì)工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲、交通運(yùn)輸噪聲和社會(huì)生活噪聲，2022年6月5日頒布實(shí)施的《中華人民共和國(guó)噪聲污染防治法》明確要求分類(lèi)防控，并確保精準(zhǔn)實(shí)施。隨著《“十四五”噪聲污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的推進(jìn)和落實(shí)，到2025年，全國(guó)聲環(huán)境功能區(qū)夜間達(dá)標(biāo)率將達(dá)到85%，因而，我國(guó)的人居聲環(huán)境品質(zhì)屆時(shí)會(huì)得到進(jìn)一步提升。目前，聲屏障作為一種有效隔斷交通運(yùn)輸噪聲傳播路徑、減少噪聲污染的聲學(xué)構(gòu)件，在軌道交通、高速公路、城市高架及大型室外設(shè)備等的噪聲污染治理中，被廣泛采用［1］。

聲屏障的設(shè)計(jì)，通常內(nèi)置吸聲材料，目的是盡可能增大對(duì)入射聲波能量的吸收，從而減少聲波的繞射 ［2］。韓珈琪［3］通過(guò)振動(dòng)加壓成型技術(shù)，制備了陶粒吸聲板，研究其隔聲和吸聲性能，測(cè)試表明陶粒吸聲板可作為金屬聲屏障吸聲材料，對(duì)其后置空腔，可有效增大聲屏吸聲系數(shù)和隔聲量；Xie等［4］利用粉煤灰空心微珠制備了聲屏障水泥基材料，并探討吸聲、隔聲特性，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度對(duì)吸聲性能有顯著影響；Kurniawan等［5］使用摻硅灰的多孔非砂混凝土作為吸聲材料，采用阻抗管法計(jì)算材料的吸聲系數(shù)，得出孔隙率為25%時(shí)，其對(duì)432～1 600 Hz聲音的吸收性能最佳；Mohammad等［6］研究多層吸聲結(jié)構(gòu)，提出采用不同厚度的微穿孔板可有效提高其吸聲性能，同時(shí)研究得出對(duì)厚度薄的多孔材料，前置多孔板可顯著提高其吸聲系數(shù)，同時(shí)增大其吸收頻帶帶寬，然而對(duì)3 000 Hz以上聲音的吸聲系數(shù)卻有所減小；陳繼浩［7］對(duì)具有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁進(jìn)行吸聲性能測(cè)試， 指出8 mm厚度的泡沫鋁具有較好的吸聲性能，且性價(jià)比最高；梁李斯等［8］研究設(shè)計(jì)閉孔泡沫鋁吸聲共振型聲屏障，指出可對(duì)500 Hz以下的低頻噪聲吸聲率達(dá)到60%～90%；范麗麗等［9］對(duì)泡沫鋁及百葉型兩種聲屏障的降噪效果和吸聲特性進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)量，結(jié)果表明，泡沫鋁聲屏障對(duì)低于630 Hz的低頻噪聲的吸聲效果更好；李占甫［10］提出了一種以泡沫鋁材為主材料的吸聲共振型聲屏障，指出其吸聲主頻率為300～400 Hz，對(duì)600 Hz以下的低頻噪聲吸收率較好，其降噪系數(shù)可達(dá)0.75；Sun等［11］針對(duì)泡沫鋁材料利用Johnson-Champoux-Allard模型進(jìn)行吸聲系數(shù)仿真，結(jié)果表明JCA模型可用于3 500 Hz頻率以下泡沫鋁吸聲系數(shù)仿真，對(duì)3 500 Hz以上頻率，推導(dǎo)并給出需要進(jìn)行修正的公式；杜孝文等［12］采用Comsol Multiphysics軟件對(duì)多孔金屬材料的吸聲性能進(jìn)行有限元仿真，對(duì)不同厚度、孔隙率和不同后背空腔的材料進(jìn)行仿真分析，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為多孔金屬材料的聲學(xué)性能預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

本文以多孔泡沫鋁聲屏障為研究對(duì)象，利用AutoCAD軟件建立結(jié)構(gòu)模型，并采用Comsol Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，探討泡沫鋁穿孔率、孔隙率以及厚度對(duì)其吸聲性能的影響。

1 聲屏障仿真設(shè)計(jì)

泡沫鋁材料的生產(chǎn)工藝一般有粉末冶金發(fā)泡法、溶體發(fā)泡法以及二次發(fā)泡法三種［13］。本文采用溶體發(fā)泡法制作的多孔泡沫鋁，其制作工藝主要步驟是：先熔化鋁錠并控溫，撈凈浮渣，然后將鋁液至發(fā)泡爐內(nèi)增粘，再加入發(fā)泡劑，最后采用水冷法冷卻，并將泡沫鋁從模具中取出，切去制得泡沫鋁塊表面發(fā)泡不均勻部分并取樣。制作的泡沫鋁試件，如圖1所示。

1.1 屏體結(jié)構(gòu)與材料屬性

聲屏屏體結(jié)構(gòu)為“穿孔鋁板+泡沫鋁+空腔+鋁板”， 見(jiàn)圖2。穿孔鋁板、泡沫鋁、空腔和鋁板直徑均為100 mm， 總厚度為82.4 mm。其中穿孔鋁板面板厚度為1.2 mm，泡沫鋁厚度為8 mm，空腔厚度為72 mm，鋁板厚度為1.2 mm。穿孔鋁面板穿孔率為50%，如圖3所示。表1列出的是鋁板及泡沫鋁材料物理參數(shù)。

1.2 計(jì)算模型

先采用AutoCAD軟件對(duì)泡沫鋁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics 6.0有限元軟件，進(jìn)一步對(duì)泡沫鋁吸聲性能進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，阻抗管三維幾何建模及網(wǎng)格劃分，如圖4所示。設(shè)置“自由四面體”劃分所有區(qū)域，在“單元大小”設(shè)置欄中選擇“定制”，在“最大單元大小”設(shè)置為“343［m/s］/2 000［Hz］/5”，最小單元為1［mm］。幾何區(qū)域的完整網(wǎng)格包含623個(gè)域、91 580個(gè)單元和26 314個(gè)邊界單元。

1.3 物理場(chǎng)設(shè)置

采用平面波輻射，輻射聲壓幅值為1Pa。設(shè)置為壓力聲學(xué)場(chǎng)，外部設(shè)置為硬聲場(chǎng)邊界（壁）。泡沫鋁采用Johnson-Champoux-Allard多孔介質(zhì)模型（簡(jiǎn)稱為JCA模型）見(jiàn)式（1）、式（2）。

ρ（ω）=τSymboleB@ρfεp1+RfεpjωτSymboleB@ρf1+4jωτ2SymboleB@μρfR2fL2vε2p－1（1）

k（ω）=

γPAεpγ-（γ-1）1+8μjωL2thPrρf1+jωL2thPrρf16μ－1－1（2）

式中：τSymboleB@為多孔材料的曲折因子；ρf為流體密度；εp為多孔材料的孔隙率；Rf為多孔材料的流阻率；μ為流體的動(dòng)力粘度；Lv為多孔材料的黏性特征長(zhǎng)度；γ為流體的比熱率；PA為絕對(duì)壓力；Lth為多孔材料的熱特征長(zhǎng)度；Pr為流體的普朗特?cái)?shù)。

1.4 參數(shù)求解

基于JCA模型反演法［14-15］ ，獲得的泡沫鋁聲學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)改變泡沫鋁穿孔率、孔隙率以及厚度，對(duì)應(yīng)數(shù)值計(jì)算聲屏吸聲系數(shù)。定義降噪系數(shù)見(jiàn)式（3）。

NRC=（α250+α500+α1000+α2000）/4（3）

式中：αi表示頻率分別為i=250 Hz、500 Hz、1000 Hz和2000 Hz時(shí)泡沫鋁的吸聲系數(shù)。

3.1 穿孔率

對(duì)厚度8 mm泡沫鋁樣件采用正方形排列方式進(jìn)行貫穿打孔模擬，穿孔孔徑2 mm，穿孔率分別為1%、2%和3%泡沫鋁模型，如圖5所示。聲屏試件編號(hào)與結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，見(jiàn)表3。

圖6給出的是聲屏試件1#，2#，3#和4# 吸聲系數(shù)與頻率關(guān)系曲線。表4列出的對(duì)應(yīng)編號(hào)聲屏試件吸聲系數(shù)峰值、峰值中心頻率及降噪系數(shù)NRC值。

由圖6和表4可知，與未穿孔相比，聲屏結(jié)構(gòu)的吸聲峰值和降噪系數(shù)均有所增加；但隨著穿孔率的增加，吸聲峰值、峰值頻率以及降噪系數(shù)變化不明顯。因此，通過(guò)改變泡沫鋁穿孔率可以調(diào)節(jié)聲屏障結(jié)構(gòu)的吸聲峰值與降噪系數(shù)，但過(guò)高的打孔率對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)的降噪性能影響不大。

3.2 孔隙率

選取3#試件的聲屏作為參考，通過(guò)改變泡沫鋁孔隙率，對(duì)試件編號(hào)為5#和6#聲屏進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。聲屏試件編號(hào)及構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)表5。

表6列出的對(duì)應(yīng)編號(hào)聲屏試件吸聲系數(shù)峰值、峰值中心頻率及降噪系數(shù)NRC值。圖7給出的是聲屏試件3#、5#和6#吸聲系數(shù)與頻率關(guān)系曲線。

由圖7和表6，三個(gè)試件吸聲峰值變化不大，但是吸聲峰值頻率隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但對(duì)于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.3 泡沫鋁厚度與空腔深度

選取3#試件的泡沫鋁參數(shù)作為參考，研究泡沫鋁厚度和空腔厚度對(duì)聲屏吸聲性能的影響，其中泡沫鋁厚度與空腔厚度之和為固定值80 mm。試件3#、7#和8#，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表7。

模擬得出不同泡沫鋁厚度與空腔厚度聲屏吸聲系數(shù)-頻率曲線，如圖7所示，吸聲系數(shù)表征值見(jiàn)表8。

由圖8和表8可知，在泡沫鋁厚度與空腔厚度之和一定的情況下，隨著泡沫鋁厚度的增加（亦即空腔厚度減小）聲屏吸聲峰值有所降低，峰值對(duì)應(yīng)頻率卻相應(yīng)增加。但隨著泡沫鋁厚度的增加，聲屏障結(jié)構(gòu)吸聲帶寬增大，對(duì)700 Hz以下低頻與1 800 Hz以上高頻吸聲性能更佳。

4 結(jié)論

本文使用AutoCAD進(jìn)行聲屏幾何建模，通過(guò)COMSOL Multiphysics 6.0有限元軟件，進(jìn)一步對(duì)其吸聲性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了聲屏障結(jié)構(gòu)中泡沫鋁穿孔率、孔隙率、密度、孔壁厚和空腔厚度對(duì)其吸聲系數(shù)的影響。得出結(jié)論。

（1）泡沫鋁穿孔比未穿孔時(shí)，聲屏吸聲效果更好；增大泡沫鋁穿孔率，聲屏吸聲性能變化不明顯。

（2）泡沫鋁孔隙率的改變，屏體吸聲降噪效果變化不明顯，其吸聲峰值頻率隨著孔隙率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但對(duì)于1 850 Hz以上頻率的吸聲降噪效果，隨著孔隙率的增加反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

（3）增加泡沫鋁厚度（空腔厚度減小）會(huì)使屏體吸聲降噪頻率帶寬增加，但泡沫鋁厚度增大到30 mm后，其降噪系數(shù)變化不明顯。

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