高速列车夹芯地板结构隔声特性研究

采用传递矩阵法,建立高速列车内地板的声学特性分析模型,探索不同三明治夹芯板材料和结构对高速列车内地板隔声特性的影响,并根据内地板结构的传递损失评价具有不同参数的三明治夹芯板的隔声性能。通过不同的表层材质（木材、铝材、钢材）、厚度和蜂窝夹层密度,进行了内地板隔声量变化规律的分析和比较。探寻拟定隔声性能优越的三明治夹芯板材料类型和结构型式。结果表明,（1）表层夹板厚度一定,钢材作为表层材料,内地板隔声量最好,其次是铝材,最后是木材;（2）表层厚度影响,木材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～1.5 dB。铝材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～3 dB。钢材夹层板,厚度每增加1 mm,各个频段隔声量增加1 dB ～5 dB;（3）蜂窝板密度降低一半,内地板隔声量有增加趋势,但影响较小。     

高速列车复合板隔声性能的试验研究

基于室内隔声测试标准,通过试验方法,研究了多种高速列车复合板材的隔声性能。研究的板材包括:两块铝板板间夹不同厚度空气的复合板;板间夹不同密度的泡沫铝吸声材料的复合板;板间夹不同厚度的隔声垫的复合板。对以上复合板的综合研究明确了铝板夹层填充材料和厚度对隔声效果的作用。结果表明:含空气层复合铝板存在明显吻合谷,但其高频隔声性能好;泡沫铝吸声材料可有效抑制吻合谷,小的孔隙率(即增加密度)有利于提高隔声性能;隔音垫有助于提高复合板的隔声量,但是其厚度的选择要与关注的频率区段相匹配。研究结果系统地反映了复合板的影响因素,可为我国高速列车复合板隔声性能的优化提供参考依据。     

泡沫铝百叶窗声屏障隔声计算及验证

基于3D有限元法和隔声计算理论,将百叶窗叶片考虑成多孔吸声材料,建立开孔声屏障声学有限元隔声计算模型,并基于此模型分析泡沫铝材料属性对百叶窗声屏障隔声性能的影响。隔声计算模型通过现有理论与试验结果对比验证,理论验证不考虑泡沫铝材料,试验对比验证考虑泡沫铝材料。基于验证后的有限元隔声计算模型,调查泡沫铝材料流阻率和降噪系数对百叶窗声屏障隔声性能的影响。结果表明,声屏障计权隔声量与泡沫铝流阻率近似为线性关系,并且泡沫铝材料流阻率越小越好;声屏障计权隔声量与泡沫铝降噪系数呈指数关系,当降噪系数大于0.55时,进一步提高吸声材料的降噪系数对百叶窗声屏障隔声量影响较小。     

高速列车车体轻量化层状复合结构隔声设计

随着高速列车车体结构轻量化的发展,层状复合结构车体在高速列车上得到广泛应用,提高层状复合结构的隔声性能,是高速列车减振降噪的关键技术。基于传递矩阵法,建立"铝板+多孔材料层+空气层+碳纤维增强板"的典型高速列车层状复合结构车体隔声计算分析模型,并分析多孔材料和空气层对层状复合结构车体隔声性能的影响。结果显示,混响声场激励下,在铝板和碳纤维增强版之间仅增加空气层只能提高车体结构高频隔声量,低频部分会由于"板-空气-板"的系统耦合共振,形成显著吻合谷,导致其隔声性能在吻合谷频率处大幅下降。对此,利用多孔材料吸声原理,提出在空气层中增加吸声材料层,抑制隔声吻合低谷,通过优化设计,得出"铝板+空气层+吸声材料+空气层+碳纤维增强板"的优化结构形式,在实现车体轻量化目标同时,可有效提高其隔声性能。     

蜂窝三明治板隔声机理与参数影响规律研究

蜂窝三明治板兼具轻量化与优异的力学性能,广泛应用于航空航天等重大装备,但声学性能却是其一大短板。以周期单元模拟蜂窝三明治板,基于Bloch定理和波数有限元法建立无限大蜂窝三明治板的隔声预测模型,结合试验结果验证了模型的准确性。通过在波数域分析蜂窝三明治板的频散特征,揭示了混响声场激励下的结构隔声机理,并探究了几何参数对蜂窝三明治板隔声性能的影响规律。研究表明：临界频率以下,蜂窝三明治板的隔声量主要受质量定律控制;临界频率以上,隔声量还受结构本身特征波影响,当入射声波激发特征波共振时,隔声量随频率波动并产生隔声低谷。厚度变化对隔声性能的影响主要与临界频率以下的隔声量有关,蜂窝三明治板越厚,隔声量越高;芯层高度增大会缩小质量定律控制区,并使第一个隔声低谷向低频偏移,从而导致整体隔声性能减弱,蜂窝三明治板越高,隔声量越低;蜂窝边长变化对蜂窝三明治板的影响较小。     

流场中填充吸声材料夹层板结构的声振耦合特性

采用等效流体模拟吸声材料,建立了外部流场作用下填充吸声材料夹层板结构的声振耦合模型,应用波动分析方法研究结构中声的透射特性,分析了入射声波入射角和方位角、流场流速和流向、夹层结构几何尺寸等参数对填充吸声材料夹层板结构声振耦合特性的影响。仿真计算表明吸声材料提高了双层板结构的隔声性能;隔声性能随着面板厚度和夹层厚度的增加而提高,随着入射角和方位角的增大而减小;在计算频段内(0~5000Hz),逆流入射时传声损失随着马赫数的增大而减小,顺流入射时却随着马赫数的增大而增大。     

基于Virtual.Lab Acoustics的蜂窝夹层板结构传声特性分析

针对蜂窝夹层板进行传声特性仿真计算分析。基于声学间接边界元理论,利用有限元软件Patran进行夹层板的三维实体建模和模态分析,采用声学软件Virtual.Lab Acoustics计算结构的传声性能,得到场点声压分布、构件两侧声压级差和结构隔声量曲线。在此基础上系统地探讨面板厚度和密度以及芯层高度、壁厚及壁长五个设计参量对蜂窝夹层板传声性能的影响。结果显示,面板厚度与芯层高度对结构在低频段尤其是刚度控制区域的隔声性能影响显著。     

加强筋截面类型对轨道车辆板件结构隔声影响研究

针对轨道车辆轻量化设计后可能带来的隔声性能降低问题,研究不同截面加强筋铺设对板件隔声性能的改善效果。基于混合有限元-统计能量分析(Hybrid FE-SEA)方法建立轨道车辆加筋板结构隔声特性预测分析模型,系统分析T型、L型、I型和矩形加强筋截面类型对板件隔声性能的影响。研究结果表明,加筋板的刚度和1阶固有频率皆比均质板大,且随加强筋厚度的增大而增大;当加强筋厚度恒定时,T型加筋板的刚度和1阶固有频率最大,L型加筋板次之;敷设厚度15 mm的加强筋,板件的隔声性能最佳;当加强筋的质量、厚度、腹板面积及尺寸、翼板面积相等时,各类型加筋板的计权隔声量Rw差异不大;板件加筋后,刚度控制区的隔声量增幅3 dB~17 dB,1 250 Hz~4 000 Hz中高频段的隔声量增幅1 d B~6 d B。综合分析可知,以计权隔声量为评价标准时,在加强筋质量、腹板面积、翼板面积及尺寸相等时,敷设厚度15 mm加强筋,板件的隔声性能最佳,Rw较均质板可提高1.4 dB~1.5 dB,而加强筋厚度恒定时,T型和L型加筋板的刚度又最佳。相关研究成果可为轨道车辆板件结构加筋优化提供设计参考。     

多孔纤维材料对飞机壁板结构隔声性能的影响分析

多孔纤维材料被大面积铺设于飞机舱段壁板,是飞机舱体结构保温和降噪的常用材料。为了快速预计飞机壁板铺设多孔纤维材料后的隔声特性,以理想声阻抗管条件下的均匀板隔声测试结果为依据,基于Johnson-Champoux-Allard多孔材料等效流体模型,建立包含多孔纤维材料层的均匀板结构的三维有限元计算模型,用以探究所铺设多孔纤维材料层的厚度、与板结构的安装距离以及压缩量等参数对均匀板隔声量的影响机理。进而在混响室-全消声室条件下,采用声强法测试有限尺寸的飞机壁板模型的隔声量,验证了基于声阻抗管获得的多孔纤维材料参数对背板隔声量的影响可以用于快速预估飞机壁板铺设多孔纤维材料后的隔声特性,并阐述声阻抗管小样结果与飞机壁板大样结果之间的关系。     

汽车镁质复合仪表板传声损失的实验及仿真研究

复合板可以有效地提高结构的隔声性能,因此镁合金复合结构已成功应用于汽车仪表板。以Biot-Allard模型为基础,建立敷设吸声材料的复合结构仪表板模型,利用结构-声耦合法,计算仪表板的传声损失。通过与实验结果比较,采用结构-声耦合法预测结构的隔声性能是可行的。结果表明,低频范围内的隔声性能对仪表板的边界约束情况十分敏感,可通过提高仪表板边界的连接刚度来提高其传声损失。中高频范围内,敷设多孔吸声材料可以提高仪表板的隔声性能。但厚度增加并不能无限制的提高其传声损失,还要考虑成本与低频"隔声恶化"的问题。因此,需合理选取吸声材料的厚度,使得仪表板在关心的频带内声学性能达到最优。     

气垫隔声结构水中隔声性能分析

提出气垫隔声结构形式,与以橡胶阻尼材料为基体的隔声去耦瓦相比,气垫隔声结构具有孔隙率大的特点,能更好的隔声去耦。用解析方法分析无限、有限气垫隔声结构在水中的隔声性能,研究板厚与中间层特性声阻抗对隔声量的影响并分析无限结构与有限结构的差别。结果表明：在水中的隔声曲线中没有在空气中因“质量―弹簧―质量”共振造成的隔声低谷现象,且在低频时有限结构的隔声性能较好。行波管声学试验测试了气垫双层板结构的低频隔声性能,证实气垫隔声结构在水中的隔声效果和其在水中声学性能的正确性。     

基于SEA分析验证的混响箱-消声室实验方法设计及隔声性能研究

不同于以往的理论、经验设计,采用低频段的声固耦合法、中高频段的统计能量法(SEA)对设计的混响声场进行声学分析,提高混响水平。根据虚拟结果建立混响箱实物,置于半消声室内进行测试,混响箱结构本体的噪声衰减量超过50 dB,混响时间达到混响要求,混响场内不同位置声压值差距均小于2 dB,该混响箱设计满足混响声场的要求;将SEA法隔声计算结果与应用混响箱-消声室法对板件的隔声测试结果进行对比,两者吻合良好;因此该实验方法能实现很好的隔声效果。通过该方法可快速对单层板及夹层板件进行隔声测试,发现吻合频率效应对隔声性能影响较大;以上研究对工程应用有较大的参考意义。     

基于声学黑洞的复合隔声结构声学特性研究及试验

声学黑洞(Acoustic Black Hole,ABH)能够实现声波的聚集,通过粘贴阻尼层将其聚集的能量耗散,可有效降低声学黑洞复合结构的振动和声波的传递。针对中低频段噪声,设计了声学黑洞复合隔声结构,建立了其隔声量计算模型。研究了声学黑洞复合隔声结构的黑洞数量、黏弹性阻尼层、声学黑洞半径等参数对隔声性能的影响。研究结果表明：在160~1 000 Hz频率范围内,ABH能明显增加复合隔声结构的隔声性能,其传递损失在1/3倍频程内增加了1.9 dB。文中的研究结果为复合隔声结构的设计提供了借鉴。     

Sound transmission loss characteristics of unbounded orthotropic sandwich panels in bending vibration considering transverse shear deformation

A theoretical study on the sound transmission loss (STL) characteristics of unbounded orthotropic sandwich panels considering the transverse shear deformation is presented. With the transverse shear deformation taken into account, the governing equation of bending vibration for unbounded orthotropic sandwich panels is derived and implemented to the sound transmission problem. The expressions for impedance and transmission coefficient are also derived. The accuracy of the theoretical predictions is checked against available experimental data. The influence of several key parameters on the sound insulation properties of the orthotropic sandwich panel is then systematically studied, including shear rigidity of the core, face sheet thickness, and core thickness. Numerical analysis shows that shear rigidity has evident effect on coincidence critical frequency and STL property, and should not be neglected when predicting STL. Increasing face sheet thickness can move coincidence critical frequency to lower frequency region and improve STL, which is much more effective than increasing the core thickness.     

两边支撑声学超材料板的低频宽带隔声性能研究

以电力变压器低频隔声为应用背景,提出了一种结构简单轻质的局域共振声学超材料板,它由在两边支撑框架上紧密粘贴高分子聚合物薄板制成,相比四边支撑超材料板,其具有更加优越的低频隔声能力。在声波垂直入射条件下,采用有限元仿真对其隔声特性进行研究,结果表明在248 Hz处出现了一个明显的隔声峰,隔声量达到了31 dB。为拓宽低频隔声频带,在超材料板上布置质量块,仿真结果表明在152~560 Hz范围内出现了三个密集的隔声峰,最高隔声量达26 dB,从而一定程度上实现宽频隔声效果;同时在120 Hz处出现了一个隔声量为18 dB的隔声峰。最后搭建了基于小型箱体的隔声实验平台,可以发现实验测试结果与仿真结果具有较好的一致性,从而验证了轻质声学超材料板良好的低频宽带隔声性能,说明了两边支撑声学超材料板具有广阔的工程化应用前景。     

碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构隔声性能研究

铝蜂窝夹芯复合结构在航空工业、高速列车及汽车车体中得到越来越多的应用,其隔声性能对车内及机舱噪声有重要影响。建立了碳纤维铝蜂窝夹芯复合结构有限单元模型,用有限单元法计算了结构在声载荷激励下的响应,并计算分析了复合结构的隔声性能,分析了碳纤维复合面板厚度、面板层数、铺设角度、铝蜂窝芯层的厚度、铝蜂窝壁厚对隔声性能的影响。研究结果表明,面板采用碳纤维复合结构时,在小于1 000 Hz的低频段,相同面板厚度的铝蜂窝复合结构隔声性能比全铝合金材料的铝蜂窝夹芯复合结构有所降低,而且在高频段会出现隔声量更低的隔声低谷;相较于铝合金面板,复合结构的面板采用碳纤维复合材料时,能够实现整体结构轻量化也提高复合结构的隔声性能;各层之间按相对90°铺设时复合结构隔声性能最好;随着面板厚度的增加复合结构隔声性能增加,面板层总厚度不变的情况下,单层面板或者过多的层数都会使复合结构隔声性能降低。     

复合结构隔声理论分析与实验特性研究

基于无限大分层介质波传递理论,采用传递矩阵方法和声能量分布理论,开展了水下复合阻尼结构隔声特性的研究。仿真结果表明橡胶材料属性对结果隔声有很大的影响。软和小泊松比的橡胶可以明显提高结构的隔声特性。多层橡胶复合结构在隔声方面比单层复合结构具有更大的优势,在多层橡胶中打孔可有效提高结构的隔声性能。空腔越多,隔声特性越好。蜂窝三明治复合结构的隔声特性要好于含圆柱空腔复合结构的隔声性能和多层均匀复合结构。结合现有的试验条件,在消声水池开展了蜂窝三明治复合结构自由场大样测试,实验结果表明,测量值与理论预测有很好的一致性。     

汽车车身钣金加强肋隔声性能实测与计算分析

研究了汽车车身钣金加强肋隔声性能实测与计算分析,利用SEA方法和FE-SEA方法建立薄板隔声量计算模型,并与测试值进行对比验证。以车身钣金加强肋高度、宽度、加强肋开孔及钣金加强肋布置密度等因素为变量,设计并制造出不同方案的车身钣金加强肋,然后在混响室-全消室中测试了不同方案钣金加强肋隔声量。试验结果表明,钣金加强肋宽度增加,隔声量在全频段上增大;在钣金加强肋上开孔,隔声量下降;钣金加强肋布置密度增大,隔声曲线峰值、谷值增多。基于试验与计算对比结果,对汽车车身钣金加强肋隔声量计算影响因素进行了分析。     

Semi-analytical solution of transient plane waves transmitted through a transversely isotropic poroelastic plate immersed in fluid

This paper provides a semi-analytical time-domain solution of the plane wave field propagating in an arbitrary direction through a transversely isotropic poroelastic plate immersed in fluid. Biot’s theory is employed for modeling the anisotropic porous medium. The proposed formulation could be used as an efficient tool for studying the influence of a material’s anisotropy on the behavior of a plane wave propagating in an arbitrary direction. Some numerical results of an in vitro ultrasonic through-transmission test on cancellous bone samples will be presented.     

传递矩阵法分析复合材料层合板的传声损失

为了得到不同频率下正交各向异性复合材料层合板的传声损失,基于传递矩阵的方法,推导出层合板的传声损失计算公式。通过建立复合材料层合板的传声计算模型,研究了层合板铺设角度、板厚度和板密度等结构参数对层合板的传声损失影响。计算结果表明：复合材料的密度与传声损失之间没有明显的线性关系,而是随着频率的增加而上升;层合板的总厚度越大,传声损失也越大,而且各层之间厚度不同,也会引起传声损失的较大改变;层合板铺层角度越大,传声损失也越大。采用传递矩阵法能充分考虑复合材料层合板的铺设方式和铺层角度等因素的影响,利用层合板层间的速度和应力连续边界条件,准确的反应复合材料层合板隔声性能。